[ 2] dengan sebagai koefisien ekspansi volumetrik.
3 PENGUJIAN SIFAT KAPILARITAS MINYAK
Pendahuluan
Dalam rangka upaya untuk menghentikan penggunaan minyak tanah di rumah tangga, maka pemakaian bahan bakar minyak nabati sebagai bahan bakar alternatif merupakan suatu bagian dari proses energi terbarukan yang tidak dapat ditolak. Sejalan dengan kondisi itu pemerintah mentargetkan ada 2.000 desa mandiri energi sampai tahun 2010. Mandiri energi berarti 60 persen kebutuhan energinya dipenuhi dari sumber setempat terutama dari energi terbarukan (Dept. PMD 2008).
Pada saat ini penelitian tentang pemakaian minyak nabati khususnya minyak jarak pagar sudah mulai dikembangkan bahkan sudah mulai dikomersialisasikan. Namun demikian, oleh karena kekentalan dan titik bakarnya yang tinggi maka penggunaan minyak nabati memerlukan jenis kompor tertentu. Perbedaan yang perlu dilihat dan dikaji dari minyak nabati yang akan dipergunakan sebagai bahan bakar adalah pada parameternya berupa titik bakar, kekentalan, dan nilai kalori (Tabel 2). Untuk itu diperlukan kompor yang dapat dioperasikan dengan bahan bakar minyak nabati tersebut (Soerawidjaja 2006 diacu dalam Puslitbun 2007). Pada saat ini baru jenis kompor bertekanan atau kompor semawar yang sudah dapat dioperasikan dengan minyak nabati dengan beberapa modifikasi terutama pada bagian pengabutan bahan bakar sebelum masuk ke ruang bakar. Sedangkan untuk kompor sumbu, yang justru hampir sebagian masyarakat golongan bawah yang tingal di pedesaan masih belum diekplorasi untuk melihat pemakaiannya dengan bahan bakar minyak nabati.
Sifat kapilaritas minyak pada sumbu merupakan bagian yang terpenting dalam sistim kompor sumbu. Naiknya minyak dari tangki minyak sampai ke bagian atas melalui sumbu untuk selanjutnya terbakar sangat dipengaruhi oleh sifat fisik minyak salah diantaranya adalah kekentalan yang menyebabkan naik atau turunnya daya penetrasi minyak terhadap sumbu, angka kekentalan yang tinggi menyebabkan daya penetrasi minyak turun. Tegangan permukaan yang
rendah memberikan kemampuan penetrasi dan penyebaran yang baik, sifat pembasahan berkaitan dengan sudut kontak cairan sedangkan densitas tidak banyak berpengaruh terhadap daya penetrasi (Mohtar 2008).
Sehubungan dengan itu maka dalam penelitian ini dititik beratkan untuk melihat kemampuan minyak nabati sebagai bahan bakar pada sumbu kompor melalui pengujian sifat kapilaritas minyak nabati pada sumbu kompor.
Kapilarisasi
Kapilarisasi adalah gejala naiknya suatu fluida yang disebabkan oleh gaya kohesi atau gaya tari menarik antara partikel yang sejenis, misalnya partikel minyak dengan partikel minyak, dan gaya adesi atau gaya tarik menarik antara partikel yang berbeda jenis misalnya partikel minyak dengan partikel lain (Fayala et al. 2004). Secara sederhana peristiwa kapilarisasi dapat digambarkan secara sederhana seperti tampak pada Gambar 24.
Gambar 24 Kapilarisasi (San 2009).
Apabila adesi lebih besar dari kohesi seperti pada air dengan permukaan kaca pipa kapiler, air akan berinteraksi kuat dengan permukaan gelas sehingga air membasahi kaca dan juga permukaan atas cairan akan melengkung (cekung). Begitu pula sebaliknya, apabila kohesi lebih besar dari adesi seperti pada air dengan permukaan kaca pipa kapiler yang dilapisi dengan lilin, air akan berinteraksi lemah dengan permukaan gelas sehingga air tidak naik membasahi kaca dan juga permukaan atas cairan akan mencembung (cembung). Keadaan ini dapat menyebabkan cairan dapat naik ke atas oleh tegangan permukaan yang
arahnya ke atas sampai batas keseimbangan gaya ke atas dengan gaya berat cairan tercapai (Tuller 2005).
Ketinggian maksimum yang dicapai cairan dalam tabung kapiler dipengaruhi oleh tegangan permukaan akibat interaksi molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Di bagian dalam cairan sebuah molekul dikelilingi oleh molekul lain disekitarnya, tetapi di permukaan cairan tidak ada molekul lain dibagian atas molekul cairan itu. Hal ini menyebabkan timbulnya gaya pemulih yang menarik molekul apabila molekul itu dinaikkan menjauhi permukaan, oleh molekul yang ada di bagian bawah permukaan cairan. Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, misalnya dalam hal ini dimasukkan pipa kapiler, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas (Hallstensson et al. 2000).
(a) (b)
Gambar 25 Kapilarisasi sebagai fungsi jari-jari tabung (a) dan densitas (b) (Brady & Weil, 2004).
Selain oleh tegangan permukaan, ketinggian yang dicapai suatu cairan dalam tabung kapiler dipengaruhi pula oleh jari-jari tabung dan densitas cairan. Hal ini secara sederhana ditunjukkan pada Gambar 25. Semakin kecil jari-jari tabung maka semakin tinggi ketinggian yang dicapai oleh cairan (Brady & Weil 2004). Untuk kapilarisasi pada bahan berpori, semakin rapat bahan tersebut maka akan semakin tinggi ketinggian yang dapat dicapai oleh cairan (Kwiatkoswka 2008).
Kapilarisasi sebenarnya merupakan suatu fenomena dasar yang secara luas digunakan pada karakterisasi bahan berpori, seperti naiknya air tanah melalui akar
tumbuhan ke permukaan pada bidang pertanian, terjadinya penetrasi zat warna pada pencelupan kain pada bidang tekstil, naiknya minyak ke permukaan pada bidang pertambangan, dan banyak lainnya (Fayala et al. 2004). Hal yang menonjol dari aliran fluida dalam suatu bahan berpori atau granul adalah pergerakan air atau minyak dalam dasar, dan mengalir dalam tumpukan granul katalis atau dalam proses filtrasi. Biasanya kecepatan fluidanya sangat kecil sehingga aliran dikategorikan laminer (Hupka & Vu 2005).
Percobaan awal tentang aliran air melalui suatu tumpukan tanah ditemukan oleh Darcy yang dikenal dengan hukum Darcy, yang menyatakan adanya hubungan antara kecepatan alir () dan gradien tekanan (Walas M.S. 1991) :
[16]
dimana P adalah permeabilitas yang tergantung dari bentuk geometri tumpukan dan beberapa sifat dari fluida kekentalan (µ). Pendekatan lain yang umum dipergunakan dalam menjelaskan kapilarisasi adalah hukum Hagen-Poissule. Pendekatan hukum ini berdasarkan pada aliran suatu fluida cair dalam silinder, kecepatan volumetriknya dinyatakan sebagai (Bird et al. 1965):
[17]
Secara umum kecepatan adalah perubahan satuan jarak dalam satuan waktu tertentu, sehingga
t z
Vav dan pgz, maka persamaan [17] dapat ditulis sebagai persamaan perubahan kecepatan naiknya fluida melalui sumbu dalam satuan waktu adalah (Benltoufa & Fayala 2008)
[18]
Penomena kapilarisasi penetrasi dinamik sudah dikembangkan oleh beberapa peneliti dimulai oleh Lucas dan Washburn. Mereka mempergunakan
persamaan yang dikenal dengan persamaan penetrasi cairan dalam kapiler silinder (Likos & Lu 2004):
[19] Dimana z adalah jarak penetrasi yang ditempuh cairan, adalah tegangan permukaan cairan, adalah sudut kontak antara cairan dan permukaan bagian dalam kapiler, adalah kekentalan cairan, r adalah jari-jari bagian dalam kapiler, and t adalah waktu penetrasi.
Perwuelz et al. (2000) mempelajari kapilarisasi pada serat poliester, poliamida dan fiber glass dengan menggunakan cairan berwarna. Mereka memakai model Washburn seperti dinyatakan dengan persamaan [19], yang dapat diaplikasikan untuk percobaan yang dilakukan dalam waktu singkat dan mencoba untuk memvalidasinya melalui percobaan perilaku kapilarisasi pembasahan benang (Knopka A.E 2001; Hamdaoui & Nasrallah 2007):
[20]
Persamaan ini sudah dipergunakan dan diuji coba ntuk mempelajari kapilarisasi pada media berpori dan untuk menentukan karakteristik media berpori dengan menghitung berdasar r cos sebagai slope z2 vs. t dan nilai D sebagai sebuah konstanta yang menunjukkan besarnya koefisien difusi kapilarisasi.
Model matematika kapilarisasi
Model matematika merupakan suatu bentuk persamaan matematika yang dapat menggambarkan suatu fenomena dari sebuah peristiwa fisika, terutama bada bidang Teknik. Penyusunan persamaan matematika ini didasarkan pada kesuaian nilai suatu fungsi dan parameter yang terlibat didalamnya.
Suatu fluida yang bersifat membasahi suatu materi berpori apabila dikontakkan dengan suatu bahan tekstil akan merembes atau menembus bahan serat tersebut (Keis et al. 2004). Serat tekstil, dalam hal ini adalah sumbu dapat
disamakan sebagai sebuah pipa kapiler vertikal dengan jari-jari r. Gerakan fluida digambarkan dengan hubungan (Hamdaoui et al. 2007):
[21]