52
BAB III PEMBAHASAN
Pada  bab  ini  akan  dibahas  tentang  penurunan  sistem  persamaan  lengkap untuk pemodelan matematika aliran fluida 1 dimensi pada pipa. Sistem persamaan
lengkap tersebut terdiri dari persamaan kontinuitas fluida, persamaan momentum fluida,  persamaan  kesetimbangan  energi  mekanis  fluida,  dan  persamaan
kesetimbangan energi total fluida. Berikut ini penjelasan lebih lanjut.
A. PENURUNAN PERSAMAAN KONTINUITAS FLUIDA
Fluida  merupakan  sesuatu  yang  dapat  mengalir  sehingga  sering  disebut sebagai  zat  alir,  dapat  berupa  zat  cair  maupun  gas.  Fase  cair  dan  gas  memiliki
karakter  tidak  mempertahankan  suatu  bentuk  yang  tetap,  sehingga  keduanya mempunyai  kemampuan  untuk  mengalir,  dengan  demikian  keduanya  disebut
fluida. Berikut langkah-langkah pemodelan Matemarika pada penurunan persamaan
kontinuitas fluida. 1.
Pengamatan fenomena sistem fisik yang akan dimodelkan. Pada  pemodelan  persamaan  kontinuitas  fluida,  diamati  adanya  aliran  fluida
yang  mengalir  secara  terus-menerus  kontinu  pada  suatu  pipa.  Pada pengamatan  ini,  akan  diamati  elemen-elemen  yang  terlihat  yang
mempengaruhi aliran fluida mengalir, seperti kecepatan aliran, dan perubahan luas penampang pipa.
53
2. Mengidentifikasi beberapa elemen yang menyusun sistem, termasuk variabel
dependen dan variabel independen. Setelah melakukan pengamatan, dilakukan identifikasi beberapa elemen yang
terlihat  pada  pengamatan  sebelumnya.  Jika  sebelumnya  diperoleh  kecepatan dan  perubahan  luas  penampang  pada  aliran  fluida  pada  pipa,  maka
identifikasi sementara dapat diperoleh kecepatan dan luas penampang sebagai variabel dependen, dan waktu sebagai variabel independen.
3. Identifikasi  banyak  elemen  yang  menyusun  sistem  dan  pengidentifikasian
hubungan sebab akibat. Pada  proses  aliran  fluida,  tentu  tidak  hanya  kecepatan  dan  luas  penampang
pipa  yang  menjadi  elemen  penyebab  mengalirnya  fluida.  Aliran  fluida  tentu mempunyai  massa  aliran  fluida  serta  volume  aliran  fluida  pada  waktu
tertentu.  Adanya  massa  dan  volume  pada  waktu  tertentu  menyebabkan adanya massa jenis fluida pada waktu tersebut.
4. Penurunan model Matematika menggunakan variabel dependen, yaitu dengan
mengeksplor hubungan antara sebab akibat yang dimiliki. Setelah  mendapatkan  elemen-elemen  yang  mempengaruhi  aliran  fluida
tersebut,  maka langkah  berikutnya  yaitu memodelkan persamaan kontinuitas fluida. Dimisalkan  M adalah massa aliran fluida, dan t  adalah waktu.  Massa
aliran  fluida  merupakan  fungsi  atas  posisi  x  dan  waktu  t.  Berdasarkan Hukum  Kekekalan  Massa,  yaitu  perubahan  massa  aliran  fluida  terhadap
waktu sama dengan nol, sehingga diperoleh formulasi persamaan kontinuitas sebagai berikut.
54 
 
t M
Pada  penurunan  persamaan-persamaan  fluida  ini,  fluida  yang  digunakan adalah  fluida  dinamis  karena  bergerak  terus  menerus  dan  diasumsikan  selalu
memenuhi  seluruh  bagian  penampang  pipa.  Pada  tugas  akhir  ini,  pipa  yang digunakan  dapat  mengalami  deformasi.  Deformasi  pada  pipa  merupakan
perubahan  luas  penampang  pipa  yang  disebabkan  karena  potensial  dari  aliran fluida. Adapun asumsi yang digunakan dalam proses aliran menggunakan kondisi
seperti di bawah ini. 1.
Fluida sejati. Pada  fenomena  yang  terjadi  seperti  mengalirnya  air  di  sungai  serta
mengalirnya  lava  dari  puncak  gunung  berapi,  zat  yang  mengalir  tersebut mempunyai  gaya  gesek-gaya  gesek  yang  terjadi  karena  adanya
kekentalanviskositas.  Fluida  yang  memiliki  viskositas  merupakan  fluida sejati, sedangkan asumsi yang biasa digunakan pada penelitian adalah fluida
ideal.  Pada  tugas  akhir  ini  digunakan  asumsi  bahwa  fluida  yang  dianalisa merupakan fluida sejati tidak fluida ideal.
2. Fluida yang digunakan adalah fluida homogen.
Fluida homogen merupakan fluida yang tidak berasal dari campuran beberapa zat,  sehingga  fluida  yang  digunakan  tidak  memiliki  konsentrasi  tetapi
memiliki massa jenis. 3.
Fluida selalu mengisi penuh seluruh bagian pipa secara terus-menerus. Aliran  fluida  yang  digunakan  tidak  pernah  berhenti,  selalu  mengalir  dan
mengisi penuh seluruh bagian pipa secara terus-menerus.
55
4. Aliran fluida merupakan aliran laminar atau aliran lurus.
Aliran  laminar  yaitu  aliran  dari  seluruh  partikel  fluida  bergerak  lurus sepanjang  garis  yang  sejajar  dengah  arah  aliran  atau  sejajar  dengan  garis
tengah  pipa,  jika  fluida  mengalir  di  dalam  pipa.  Pada  pengamatan  aliran sungai, air yang mengalir lurus dan tidak terjadi aliran yang melingkar aliran
tidak turbulen. 5.
Aliran fluida hanya mengalir searah absis positif. Aliran fluida mengalir ke arah absis positif dan tidak mengalir ke arah absis
negatif maupun mengalir searah dengan ordinat. Pada aliran sungai dan aliran lava  yang  diamati,  aliran  yang  mengalir  hanya  berasal  pada  satu  sumber
kemudian  mengalir  ke  arah  lain,  tidak  ada  aliran  lain  yang  mengalir berlawanan arah dengan arah aliran yang berasal dari sumber tersebut.
Gambar 3. 1 Ilustrasi Aliran Laminar dan Searah Absis Positif
6. Viskositas kekentalan fluida konstan.
Viskositas  atau  kekentalan  pada  fluida  konstan  sehubungan  dengan  fluida yang digunakan merupakan fluida homogen.
7. Batas volume kendali yang dipilih dapat berubah-ubah.
56
Untuk menganalisa aliran fluida, dapat dipilih sebarang volume kendali yang diamati.  Akan  tetapi,  batas  volume  kendali  yang  dipilih  dapat  berubah-ubah
sehingga  batas  tersebut  merupakan  suatu  fungsi  atas  waktu.  Hal  ini sehubungan  dengan  aliran  sungai  dan  aliran  lava  yang  mengalir  pada  suatu
wilayah mempunyai batas wilayah aliran yang berubah-ubah.
Gambar 3. 2 Aliran Fluida pada Pipa
Gambar 3.3 Ilustrasi Pengamatan Volume Kendali [a,b] untuk Persamaan
Kontinuitas Fluida
�
S
b a
x y
z
Aliran Masuk
Aliran Keluar
Volume V Massa Jenis
ρ Massa Aliran M
57
Persamaan  kontinuitas  merupakan  pengembangan  dari  hukum  kekekalan massa yaitu massa aliran fluida yang masuk sama dengan massa aliran fluida yang
keluar.  Oleh  karena  itu,  diperlukan  massa  aliran  fluida  pada  pipa  untuk memperoleh persamaan kontinuitas fluida. Untuk menganalisa massa aliran fluida
secara  matematis,  fluida  dianalisa  dari  partikel-partikel  kecil  yang  terdapat  pada fluida.  Massa  aliran  fluida  diperoleh  dengan  cara  menjumlahkan  massa-massa
setiap partisi atau partikel-partikel kecil pada fluida. Gambar  3.2  di  atas  merupakan  ilustrasi  fluida  yang  mengalir  pada  pipa.
Dipilih  interval  [a,b]  sebagai  volume  kendali  untuk  mencari  massa  aliran  fluida yang mengalir pada pipa, dengan a dan b merupakan  fungsi  atas waktu  t. Pada
interval  [a,b]  dipartisi  menjadi  n  partisi,  sehingga  diperoleh  bagian  partisi  yaitu dengan                  dan
. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada Gambar 3.4 di bawah ini.
Gambar 3. 4 Partisi Fluida pada Pipa di [a,b]
Massa  aliran  fluida merupakan  jumlahan  dari  massa  m  daerah  ke-
hingga daerah ke- +  . Massa merupakan perkalian dari kepadatan fluida    dan
volume  V.  Untuk  menganalisa  volume  dari  partisi  fluida,  digunakan  asumsi bahwa  partisi  fluida  tersebut  mempunyai  volume  yang  sama  dengan  volume
tabung. Dalam hal ini, volume partisi sepanjang adalah       dengan S adalah
a=
=
� �
� �
58
luas penampang pipa. Kepadatan fluida , volume V dan luas penampang pipa
S  tidak  konstan  pada  setiap  titik  dalam  fluida.  Misalkan , maka
massa pada interval dapat dinyatakan sebagai berikut.
x t
x S
t x
t m
i i
i
 
 .
, ,
 3.1
Persamaan 3. 1 merupakan massa pada daerah ke- hingga daerah ke-  +
Dari Persamaan 3.1 diperoleh pendekatan nilai massa aliran fluida M sebagai berikut.
n i
i
t m
t M
1
3.2
Persamaan 3.1 disubstitusikan ke Persamaan 3.2, sehingga
 
n i
i i
x t
x S
t x
t M
1
. ,
,
 3.3
Nilai  M  pada  Persamaan  3.3  merupakan  pendekatan  dari  nilai  massa  aliran fluida  M.  Untuk  mendapatkan  nilai  M  yang  sebenarnya,  dapat  digunakan  nilai
limit dengan n menuju tak hingga mengingat adanya n partisi pada interval adalah dengan
menuju tak hingga. Oleh karena itu, diperoleh nilai M sebagai berikut.
 
 
 
n i
i i
n
x t
x S
t x
t M
1
, ,
lim
 3.4
Menurut  definisi  dari  integral  tentu  integral  Riemann  yang  menyatakan  bahwa misalkan M merupakan suatu fungsi yang didefinisikan pada selang tertutup [a,b],
59
sedemikian  sehingga  nilai  M  ada,  dan  M  terintegral  pada  selang  [a,b],  sehingga Persamaan 3.4 menjadi
 
b a
dx t
x S
t x
t M
, ,
3.5
dengan dan   merupakan fungsi atas waktu t.
Persamaan  kontinuitas  merupakan  pengembangan  dari  hukum  kekekalan massa yaitu massa aliran fluida yang masuk sama dengan massa aliran fluida yang
keluar,  sehingga  dapat  dikatakan  jika  perubahan  massa  aliran  fluida  terhadap waktu sama dengan nol.
 dt
t dM
3.6 Persamaan 3.5 disubstitusikan ke Persamaan 3.6, sehingga diperoleh
, ,
 
b a
dx t
x S
t x
dt d
 3.7
Batas  integral dan     merupakan  fungsi  atas  t,  dengan  menggunakan  aturan
Leibniz Teorema 2.12, Persamaan 3.7 dapat diuraikan menjadi sebagai berikut
dt da
t x
S t
x dt
db t
x S
t x
dx t
x S
t x
t dx
t x
S t
x dt
d
a b
b a
b a
, ,
, ,
] ,
, [
, ,
 
 
 
 
 
 
 
Untuk kasus volume media cairan, nilai dari dan       sama dengan nilai
kecepatan pada saat b dan a. Oleh karena itu,
60
a b
b a
b a
t x
S t
x v
t x
t x
S t
x v
t x
dx t
x S
t x
t dx
t x
S t
x dt
d ,
, ,
, ,
, ]
, ,
[ ,
, 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.8
Berdasarkan Teorema Dasar Kalkulus I, diperoleh bahwa dx
t x
S t
x v
t x
x t
x S
t x
v t
x t
x S
t x
v t
x
b a
a b
] ,
, ,
[ ,
, ,
, ,
, 
 
 
 
 
 
 sehingga Persamaan 3.8 menjadi
dx t
x S
t x
v t
x x
dx t
x S
t x
t dx
t x
S t
x dt
d
b a
b a
b a
] ,
, ,
[ ]
, ,
[ ,
, 
 
 
 
 
 
 
 3.9
Persamaan  3.9  disederhanakan  dengan  menggunakan  definisi  total  derivatif, sehingga diperoleh
dx x
vS t
S Sdx
dt d
b a
b a
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.10
Berdasarkan persamaan 3.7 dan Persamaan 3.10 dapat diperoleh bahwa 
 
 
 
 
 
dx x
vS t
S
b a
 
3.11
Menurut  Teorema  Integral,  jika  integral  suatu  fungsi  sama  dengan  nol  dan ,  maka  fungsi  tersebut  merupakan  fungsi  nol,  sehingga  Persamaan
3.11 menjadi
 
 
 
x vS
t S
 
3.12
Persamaan 3.12 disebut dengan Persamaan Kontinuitas Fluida pada Pipa.
61
B. PENURUNAN PERSAMAAN MOMENTUM GERAK FLUIDA