Contoh-contoh perilaku cairan polimer
EXAMPLES OF THE BEHAVIOR OF POLYMERIC LIQUIDS
Pada bagian ini, kami membahas beberapa eksperimen yang membandingkan perilaku aliran fluida Newtonian dan fluida polimer.
Aliran laminar dalam keadaan tunak di dalam tabung melingkar.
Bahkan untuk aliran laminar aksial dalam keadaan tunak di dalam tabung melingkar, terdapat perbedaan penting antara perilaku cairan Newtonian dan cairan polimer. Untuk cairan Newtonian, distribusi kecepatan, kecepatan rata-rata, dan penurunan tekanan diberikan oleh Persamaan 2.3-18, 2.3-20, dan 2.3-21, masing-masing.
Untuk cairan polimer, data eksperimen menunjukkan bahwa persamaan berikut dianggap masuk akal:
di mana n adalah parameter positif yang menggambarkan sifat fluida, biasanya dengan nilai kurang dari satu. Artinya, profil kecepatan lebih tumpul dibandingkan dengan fluida Newtonian, di mana n = 1. Selain itu, ditemukan secara eksperimental bahwa
Penurunan tekanan meningkat jauh lebih lambat seiring dengan laju aliran massa dibandingkan dengan fluida Newtonian, di mana hubungan tersebut bersifat linear.
Gambar 8.1-1. Aliran laminar dalam tabung melingkar. Simbol N (cairan Newtonian) dan P (cairan polimer) digunakan dalam gambar ini dan enam gambar berikutnya.
Pada Gambar 8.1-1 ditunjukkan profil kecepatan khas untuk aliran laminar cairan Newtonian dan polimer dengan kecepatan maksimum yang sama. Eksperimen sederhana ini menunjukkan bahwa cairan polimer memiliki viskositas yang bergantung pada gradien kecepatan. Poin ini akan dijelaskan lebih lanjut di bagian 8.3.
Untuk aliran laminar dalam tabung dengan penampang tidak melingkar, cairan polimer menunjukkan aliran sekunder yang tumpang tindih dengan gerakan aksial. Ingat bahwa untuk aliran turbulen cairan Newtonian, aliran sekunder juga diamati—pada Gambar 5.1-2 ditunjukkan bahwa cairan bergerak menuju sudut-sudut saluran dan kemudian kembali ke arah pusat. Namun, untuk aliran laminar cairan polimer, aliran sekunder bergerak ke arah yang berlawanan—dari sudut-sudut saluran kembali menuju dinding.
Pada aliran turbulen, aliran sekunder terjadi akibat efek inersia, sementara dalam aliran cairan polimer, aliran sekunder berkaitan dengan “tegangan normal.”
Pemulihan setelah penghentian aliran keadaan tunak dalam tabung melingkar.
Kita mulai dengan fluida yang diam dalam tabung melingkar dan, menggunakan syringe, kita “menarik” garis pewarna secara radial di dalam fluida seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1-2. Kemudian kita memompa fluida dan mengamati deformasi garis pewarna.
Untuk fluida Newtonian, garis pewarna tersebut akan berubah menjadi parabola yang terus meregang. Jika pompa dimatikan, parabola pewarna akan berhenti bergerak. Setelah beberapa waktu, difusi terjadi dan parabola tersebut mulai terlihat kabur, tentu saja.
Namun, untuk cairan polimer, garis pewarna berubah menjadi kurva yang lebih tumpul daripada parabola (lihat Persamaan 8.1-1). Jika pompa dihentikan dan fluida tidak dikekang secara aksial, fluida tersebut akan mulai “memulih” dan kembali dari bentuk maksimal yang diregangkan tersebut.
Gambar 8.1-2. Pemulihan yang tertekan setelah penghentian aliran dalam tabung melingkar, diamati pada cairan polimer, tetapi tidak pada cairan Newtonian.
Yaitu, fluida “memantul” kembali seperti karet gelang. Namun, meskipun karet gelang kembali ke bentuk aslinya, fluida hanya kembali sebagian ke konfigurasi aslinya. Jika kita memperbolehkan diri kita untuk menggunakan antropomorfisme, kita bisa mengatakan bahwa karet gelang memiliki “ingatan sempurna,” karena kembali ke keadaan tidak tertekan semula. Sebaliknya, fluida polimer memiliki “ingatan memudar,” karena secara bertahap “melupakan” keadaan aslinya. Artinya, saat fluida memulih, ingatannya menjadi semakin lemah.
Pemulihan fluida adalah manifestasi dari elastisitas, dan deskripsi lengkap tentang fluida polimer harus dapat memasukkan ide elastisitas ke dalam ekspresi tensor tegangan. Teori tersebut juga harus mencakup konsep ingatan memudar.
Efek “Tegangan Normal”.
Perbedaan mencolok lainnya dalam perilaku cairan Newtonian dan polimer terlihat dalam efek “tegangan normal”. Alasan untuk penamaan ini akan dijelaskan di bagian berikutnya.
Batang yang berputar dalam beaker berisi fluida Newtonian menyebabkan fluida mengalami gerakan tangensial. Pada keadaan tunak, permukaan fluida lebih rendah di dekat batang yang berputar. Secara intuitif, kita tahu bahwa ini terjadi karena gaya sentrifugal menyebabkan fluida bergerak secara radial menuju dinding beaker. Sebaliknya, untuk cairan polimer, fluida bergerak menuju batang yang berputar, dan pada keadaan tunak, permukaan fluida seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1-3. Fenomena ini disebut efek Weissenberg rod-climbing. Jelas bahwa beberapa jenis gaya diinduksi yang menyebabkan cairan polimer berperilaku dengan cara yang berbeda secara kualitatif dari cairan Newtonian.
Dalam eksperimen terkait, kita dapat menempatkan cakram yang berputar di permukaan fluida dalam wadah silinder seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1-4. Jika fluida adalah Newtonian, cakram yang berputar menyebabkan fluida bergerak dalam arah tangensial (aliran “primer”), tetapi selain itu, fluida bergerak perlahan ke arah luar menuju dinding silinder karena gaya sentrifugal, kemudian bergerak ke bawah, dan kemudian kembali ke atas sepanjang sumbu silinder. Aliran radial dan aksial yang tumpang tindih ini lebih lemah daripada aliran primer dan disebut “aliran sekunder.”
Beberapa Eksperimen Lain
Operasi siphon sederhana sudah dikenal oleh banyak orang. Kita tahu dari pengalaman bahwa, jika fluida adalah Newtonian, pengangkatan tabung siphon dari cairan berarti aksi siphon akan berhenti. Namun, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 8.1-6, untuk cairan polimer, siphoning dapat berlanjut bahkan ketika siphon diangkat beberapa sentimeter di atas permukaan cairan. Ini disebut efek siphon tanpa tabung. Kita juga bisa mengangkat sebagian cairan melewati tepi beaker, lalu fluida akan mengalir ke atas di sepanjang bagian dalam beaker dan kemudian turun ke bagian luar hingga beaker hampir kosong.
Gambar 8.1-6. Siphoning terus terjadi ketika tabung diangkat di atas permukaan cairan polimer, tetapi tidak demikian untuk cairan Newtonian. Perhatikan pembengkakan cairan polimer saat meninggalkan tabung siphon.
Dalam eksperimen lain, sebuah batang silinder panjang, dengan sumbu pada arah z, dibuat bergetar maju mundur dalam arah x dengan sumbu sejajar dengan sumbu z (lihat Gambar 8.1-7).
Gambar 8.1-7. “Akustik streaming” di dekat batang yang bergetar secara lateral, menunjukkan bahwa aliran sekunder yang diinduksi bergerak ke arah yang berlawanan untuk fluida Newtonian dan polimer.
Dalam fluida Newtonian, aliran sekunder yang diinduksi menyebabkan fluida bergerak menuju silinder dari atas dan bawah (yaitu, dari arah +y dan -y), dan menjauh ke kiri dan kanan (yaitu, menuju arah -x dan +x). Namun, untuk cairan polimer, gerakan sekunder yang diinduksi adalah sebaliknya: fluida bergerak ke dalam dari kiri dan kanan sepanjang sumbu x dan keluar ke arah atas dan bawah sepanjang sumbu y.
Contoh-contoh sebelumnya hanyalah beberapa dari banyak eksperimen menarik yang telah dilakukan. Perilaku polimer dapat diilustrasikan dengan mudah dan murah menggunakan larutan akuatik 0,5% dari polietilena oksida.
Ada juga beberapa efek menarik yang terjadi ketika bahkan jumlah kecil polimer hadir. Yang paling mencolok dari efek ini adalah fenomena pengurangan hambatan. Dengan hanya bagian per juta dari beberapa polimer (“agen pengurang hambatan”), kehilangan gesekan dalam aliran pipa turbulen dapat dikurangi secara dramatis—sebesar 30-50%. Agen pengurang hambatan polimer ini digunakan oleh departemen pemadam kebakaran untuk meningkatkan aliran air, dan oleh perusahaan minyak untuk menurunkan biaya pemompaan minyak mentah melalui jarak yang jauh.
Untuk diskusi tentang fenomena lain yang muncul dalam fluida polimer, pembaca disarankan untuk merujuk pada artikel ringkasan dalam Annual Review of Fluid Mechanics.