Konsep Fundamental dalam Proses Perpindahan (3, finale) : Kompressibilitas dan Dilabilitas, Konduksi/difusi dan Konveksi

Mungkin masih banyak yang masih bisa dikupas, namun konsep fundamental ini harus diakhiri hanya sampai dengan tiga tulisan saja. Saya pikir alangkah lebih baik memang kita lebih banyak membahas hal yang lebih praktis, namun memang sulit untuk memasukkan berbagai macam persamaan dalam blog dikarenakan aplikasi ini masih belum mensupport symbol-simbol matematik, sehingga jikapun dipaksakan. Hasilnya hanya baris-baris kosong.

Kali ini ada dua sub topic yang akan kita bahas:

1) Kompressibilitas dan dilabilitas

2) Konduksi/difusi dan konveksi.

Sering kita menjumpai di alam ini, dua perilaku alamiah yang saling berkebalikan. Ada tinggi, ada rendah, ada positif dan ada juga negatif. Segala sesuatu di alam ini selalu berupaya untuk mencapai titik kesetimbangan dalam dua hal yang berlawanan tersebut. Sebuah hakekat kehidupan yang akan terus exist sampai alam ini berakhir.

Kompressibilitas dan dilabilitas

Dua perilaku ini berlaku pada fluid, dimana physical sense yang harus ada di benak kita adalah densitas (massa jenis). Orang Prancis menyebutnya dengan “massa volumik”. Saya kira lebih masuk akal dengan menyebutnya dengan istilah massa volumik daripada massa jenis karena berdasarkan definisi densitas adalah massa suatu benda dibagi dengan volume benda tersebut. Kadang memang kita harus mencari sebuah istilah yang memang lebih mudah untuk dipahami meskipun itu harus menyadur dari orang lain.

Sebuah fluid dikatakan bersifat kompressibel jika pada temperature konstan, pada kondisi tekanan yang bervariasi, volumenya berubah. Di sisi lain, sebuah fluid dikatakan bersifat dilatable jika pada tekanan konstan, dimana temperaturenya bervariasi, volumenya berubah.

Liquid bersifat incompressibles sedangkan gas bersifat compressibles. Itulah mengapa turbin digerakkan oleh steam. Karena stream bisa dikompress sehingga menjadi bertekanan tinggi, dari tekanan tersebut itulah ia memberikan tenaga untuk menggerakkan turbin. Dalam hal lain, liquid lebih bersifat dilatable jika dibandingkan dengan gas. Hal inilah yang menyebabkan mengapa air dalam wujud liquid memiliki massa yang berbeda-beda menurut suhu. Sebagaimana kita tahu, sebagai standard yang sering digunakan untuk kepentingan praktis, massa volumik air adalah 1000 kg/m3. Massa volumik ini terjadi jika air berada pada suhu 20 celcius dan tekanan atmosfer.

Konduksi/difusi dan konveksi

Dua tipe jenis perpindahan yang berbeda, difusi dan konveksi. Difusi atau konduksi merupakan bentuk peristiwa perpindahan secara gradual, dari satu titik ke titik yang lainnya, sedangkan konveksi, adalah suatu jenis perpindahan yang terletak dari pergerakan secara serempak dari suatu molekul yang turut membawa massa.

Untuk lebih mudah membedakan : difusi disebabkan oleh adanya perbedaan properti fisik. Contohnya: difusi momentum disebabkan perbedaan kecepatan (aliran couette, hukum Newton), konduksi panas disebabkan perbedaan temperature (hukum fourier) dan difusi materi disebabkan perbedaan konsentrasi (hukum Fick). Tentu saja jenis transportasi ini akan selalu bergerak dari zona yang memiliki nilai properti fisik yang lebih tinggi ke nilai yang lebih rendah. Ex: seperti ketika kita sedang mencelupkan teh ke dalam air dan ia menyebar ke segala arah, seperti ketika kita sedang memanaskan ujung besi di satu sisi kemudian ia bisa menyebar ke sisi yang lain. Sedangkan konveksi, dalam hal ini kita menyebutnya forced convection, karena ada jenis konveksi yang lain, adalah adanya aliran yang disebabkan oleh adanya external force ex: pompa, kompresser dan jenis force yang lain yang menyebabkan pergerakan dari fluida.

 

Yang perlu untuk kita ketahui bahwa kita tidak bisa lepas daripada kedua jenis perpindahan ini dalam dunia sehari-hari. Seperti contohnya, kita ingin melarutkan gula dalam air. Secara alamiah gula akan melarut dalam air dikarenakan adanya difusi akibat perbedaan konsentrasi, namun seringkali kita mengambil sendok untuk kemudian memberikan suatu gaya inerti sehingga gula lebih cepat untuk melarut ke dalam air. Inilah yang juga terjadi dalam suatu industry, maka seringkali kita melihat ada sebuah reactor dengan pengaduk (mixed flow reactor). Sebagaimana kita ketahui bahwa waktu sendiri adalah merupakan sebuah unit satuan yang perlu kita pertimbangkan dalam sebuah proses. Dalam hal ini, waktu berkaitan dengan seberapa cepat kita mengolah sebuah bahan mentah. Ada sebuah bilangan tak berdimensi, yang sering kita pergunakan untuk membandingkan seberapa besar konveksi atau dalam hal ini inertial force terhadap kecenderungan suatu fluid untuk mempertahankan keadaannya (viscous force). Ia bernama REYNOLD NUMBER. Dalam hal ini, ia bisa digunakan untuk memprediksi apakah fluid akan mengalir secara laminar atau turbulent. Jika kembali pada asal mula ditemukannya bilangan tersebut, kita akan menyaksikan bahwa penelitian ini dimulai dengan eksperimen yang dilakukan oleh reynold untuk menyelidiki tentang perilaku darah dalam suatu aliran. Kemudian, ia beralih pada aliran dalam pipa yang diberi zat pewarna. Tentu saja banyak industri yang bekerja dengan menggunakan aliran turbulent. Kenapa? Aliran turbulen akan memberikan sebuah manfaat lain yaitu adanya pencampuran akibat adanya vorteks aliran yang akan menghasilkan suatu fluida yang homogen. Hal ini tentu saja menjadi penting, sebab aliran yang homogen adalah kunci untuk mendapatkan produk yang memiliki kualitas yang sama.

Dari REYNOLD, kita belajar bahwa sebuah penelitian memang harus dirancang untuk tujuan praktis, meskipun begitu kita harus memulainya dari sesuatu yang sangat sederhana, karena kita tidak pernah tahu bagaimana alam bekerja. Ada begitu banyak kejadian yang membuat alam bisa seperti sekarang ini. Begitu banyak parameter yang berpengaruh, namun tugas seorang engineer/ researcher adalah mencari mana parameter yang berpengaruh secara signifikan karena segala sesuatu memiliki kontribusi secara berbeda-beda. Memodelkan dalam bentuk persamaan, menguji persamaan dengan hasil eksperimen untuk melakukan validasi. That’s the engineer/researcher way.