10.00 18.00 26.00 12.00 16.00 20.00 2 Study on plant oil capillarity in wick cook stove

Minyak Tanah dan Minyak Jarak Pagar Untuk campuran minyak tanah dan minyak jarak besarnya penurunan densitas terhadap suhu mengikuti persamaan  = -0,0001T + 0,875 dengan besarnya koefisien determinan 0,992 seperti tampak pada Gambar 18a. Sedangkan besarnya penurunan kekentalan campuran minyak jarak pagar dan minyak tanah mengikuti persamaan  = 0,04T 2 -2,771T + 78,30 dengan besarnya koefisien determinan 0,999 seperti tampak pada Gambar 18b. a b Gambar 18 Pengaruh suhu terhadap densitasa dan kekentalan b campuran minyak tanah dan minyak jarak pagar. Minyak Tanah dan Minyak Kacang Tanah Untuk campuran minyak tanah dan minyak kacang tanah besarnya penurunan densitas terhadap suhu mengikuti persamaan  = -0,02LnT + 0,960 dengan besarnya koefisien determinan 0,916 seperti tampak pada Gambar 19a. a b Gambar 19 Pengaruh suhu terhadap densitasa dan kekentalan b campuran minyak tanah dan minyak kacang tanah.  = -0,0001T + 0,875 R² = 0,992 0.860 0.862 0.864 0.866 0.868 0.870 20 30 40 50 60 70 80 d e n si tas, gm l suhu, o C = 0,04T 2 - 2,771T + 78,30 R² = 0,999 6.0 10.0 14.0 18.0 22.0 26.0 20 30 40 50 60 70 80 ke ke n talan, m m 2 s suhu, o C  = -0,02lnt + 0,960 R² = 0,916

0.87 0.88

0.89 0.90

20 40 60 80 d e n si tas, gm l suhu, o C = -0,374t + 32,64 R² = 0,972

6.00 10.00

14.00 18.00

22.00 26.00

20 40 60 80 ke ke n talan, m m 2s suhu , o C Sedangkan besarnya penurunan kekentalannya mengikuti persamaan  = 0,374T + 32,64 dengan besarnya koefisien determinan 0,972 seperti tampak pada Gambar 19b. Minyak Tanah dan Minyak Bintaro Pada campuran minyak tanah dengan minyak bintaro, densitas minyak campuran bernilai diantara kedua densitas minyak tersebut. Dengan bertambah tingginya suhu, densitas minyak campurannya mengalami penurunan seperti tampak pada Gambar 20a, mengikuti persamaan  = -0,01 lnT + 0,942 dengan besarnya koefisien determinan 0,960. Pada campuran minyak tanah dengan minyak bintaro, kekentalan minyak campuran mengalami penurunan yang cukup besar, yaitu hampir setengahnya dari angka kekentalan minyak bintaro. Kekentalan minyak campuran mengalami penurunan seperti tampak pada Gambar 20b, mengikuti persamaan  = -0,003T 2 + 0,064T + 23,54 dengan besarnya koefisien determinan 0,963. a b Gambar 20 Pengaruh suhu terhadap densitasa dan kekentalan b campuran minyak tanah dan minyak bintaro. Pengujian Tegangan Permukaan Hasil pengujian menunjukkan minyak kelapa mempunyai tegangan permukaan yang paling besar. Tegangan permukaan minyak dipengaruhi oleh = -0,01lnt + 0,942 R² = 0,960 0.880 0.882 0.884 0.886 0.888 0.890 0.892 0.894 0.896 20 40 60 80 d e n si tas, gm l suhu, o C = -0,003t 2 + 0,064t+ 23,54 R² = 0,963

10.00 12.00

14.00 16.00

18.00 20.00

22.00 24.00

20 40 60 80 kek en tal an, m m 2 s suhu, o C suhu, semakin tinggi suhu, tegangan permukaan minyak menjadi lebih kecil Gambar 21 . Gambar 21 Tegangan permukaan minyak nabati. Dari persamaan [16] terlihat jelas untuk setiap kenaikkan suhu, maka pada nilai T c dan V yang tetap, suku sebelah kanan menjadi lebih kecil dan akibatnya besarnya tegangan permukaan menjadi kecil. Gambar 22 Pengaruh suhu terhadap tegangan permukaan minyak. Besarnya penurunan angka tegangan permukaan dari minyak kelapa adalah  mk = - 5E-05T + 0,041 dengan nilai koefisien determinannya 0,997, untuk minyak jelantah  mj = -4E-05T + 0,037 dengan nlai koefisien determinannya 0,976, untuk

0.00 0.01

0.01 0.02

0.02 0.03

0.03 0.04

0.04 0.05

30 50 70 te g an g an p e rm u kaan , N m suhu, o C m kelapa m jelantah m kacang tanah m bintaro m jarak pagar m tanah  mt = -3E-05T + 0,029 R² = 0,987  mk = -5E-05T + 0,041 R² = 0,997  mj = -4E-05T+ 0,037 R² = 0,976  mb = -5E-05T + 0,036 R² = 0,981  mjp = -9E-05T+ 0,032 R² = 0,810 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 20 30 40 50 60 70 te g an g an p e rm u kaan , N m suhu, o C m tanah m kelapa m kacang tanah m jelantah m bintaro m jarak pagar minyak bintaro  mb = -5E-05T + 0,036 dengan nilai koefisien determinannya 0,981, untuk minyak jarak pagar  mjp = -9E-05T + 0,032 dengan nilai koefisien determinannya 0,810, dan untuk minyak tanah  mt = -3E-05T + 0,029 dengan nilai koefisien determinannya 0,987 Gambar 22. Nilai Kalor Minyak nabati mempunyai nilai kalor yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan minyak tanah. Untuk minyak kelapa, minyak jelantah dan minyak jarak pagar nilainya hanya berbeda sekitar 5000 angka lebih rendah berbeda dengan minyak kacang tanah dan bintaro yang hampir dua kali lipat lebih rendah dibandingkan dengan minyak tanah seperti ditampilkan pada Gambar 23. Gambar 23 Nilai kalor minyak Kesimpulan Dari hasil pengamatan, pengumpulan dan pengolah data, dapat disimpulkan bahwa minyak nabati memiliki densitas, kekentalan, dan tegangan permukaan yang sangat besar dibandingkan dengan minyak tanah. Pencampuran dengan minyak tanah menurunkan ketiga sifat fisika minyak tersebut. Baik densitas, kekentalan maupun tegangan permukaan untuk minyak nabati murni dan campuran minyak nabati dengan minyak tanah nilainya berbanding terbalik 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 m tanah m jarak pagar m kelapa m jelantah m bintaro m kacang tanah n il ai k alo

r, J g

dengan suhu, semakin tinggi suhu maka semaki kecil densitas, kekentalan minyak, dan tegangan permukaannya. Minyak bintaro memiliki densitas yang paling besar yaitu 0,9648 gml sedangkan untuk minyak kacang tanah, jelantah, kelapa, dan jarak pagar berturut- turut adalah 0,9615; 0,9588; 0,9468; dan 0,9156 gml. Minyak yang memiliki kekentalan terkecil adalah minyak jarak pagar yaitu 28,45 mm 2 s, disusul kemudian oleh minyak kelapa 39,84 mm 2 s, minyak jelantah 39,99 mm 2 s, minyak kacang tanah 43,19 mm 2 s dan minyak bintaro 49,15 mm 2 s . Sedangkan minyak yang memiliki tegangan permukaan terbesar adalah minyak kelapa yaitu 0,0399 Nm, disusul kemudian oleh minyak jelantah, kacang tanah, bintaro berturut-turut adalah 0,0359; 0,0356; 0,03502; dan jarak pagar 0,0294 Nm . Untuk campurannya dengan minyak tanah, minyak campuran yang memiliki densitas terkecil adalah campuran minyak jarak pagar dengan minyak tanah yaitu 0,8692 gml, yang memiliki kekentalan terkecil adalah campuran minyak kelapa dengan minyak tanah yaitu 14,9663 mm 2 s dan 0,0284 Nm untuk campuran minyak tanah dan minyak jarak pagar. Nilai kalor minyak tanah 41.789,04 Jg dan nilai kalor minyak minyak jarak pagar 39.056,11Jg, minyak kelapa 37.710,15 Jg, minyak jelantah 37.633,09 Jg, minyak bintaro 26.251,15 Jg, dan minyak kacang tanah adalah 25.051,28 Jg. 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 K apilarisasi 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. K apilarisasi 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 gz p    , 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 z 2 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] dimana m adalah berat fluida, v kecepatan fluida merambat, dan F adalah gaya kapilarisasi : [22] dengan  tegangan permukaan,  sudut kontak, dan r jari-jari kapiler. Dalam kapiler vertikal, dapat dinyatakan : [23] Dimana F  gaya friksi akibat rambatan fluida keatas,  viskositas fluida, v kecepatan fluida merambat naik sepanjang kapiler, dan z ketinggian yang dapat dicapai fluida. Sedangkan besarnya tekanan dinyatakan dengan : [24] dengan Fp is berat kolom, g adalah konstanta gravitasi, dan  densitas fluida. Secara umum, aliran atau rambatan fluida dalam benang adalah lambat dan gaya inersia fluida dapat diabaikan, maka suku sebelah kiri sama dengan nol. Dari pernyataan diatas, dengan memasukkan persamaan [22] sampai persamaan [24], maka persamaan [21] dapat dinyatakan dengan : [25] [26] Gambar 26 memperlihatkan aliran cairan pada peristiwa kapilarisasi cairan dalam media berpori. Cairan tidak mengalir tegak lurus melainkan bergerak mengikuti pola distribusi porositas yang ada. Demikian pula dengan aliran minyak sepanjang sumbu, sehingga panjang laluan minyak sepanjang sumbu tidak sama dengan panjang sumbu tersebut. Parameter perbandingan panjang laluan terhadap panjang sumbu dinyatakan sebagai tortuosity Scheidegger 1974. Gambar 26 Pergerakan cairan dalam media berpori. Selain adanya perbedaan panjang laluan dan panjang sumbu, terdapat ukuran pori yang berbeda. Pada media berpori seperti sumbu, ukuran jari-jari pori tergantung dari struktur sumbu Miller Linn 2005. Kedua parameter tersebut berpengaruh terhadap kecepatan kapilarisasi. Semakin besar angka tortuosity dan ukuran diameter pori maka semakin lambat kecepatan naiknya minyak sepanjang sumbu. Sehingga dengan memasukkan kedua parameter tersebut ke dalam persamaan [26] dan mengganti parametersimbol z dengan h, besarnya kecepatan kapilarisasi minyak nabati sepanjang sumbu kompor dapat dinyatakan sebagai   [27] dengan a1 = 8 h, a2 = rcos, a3 = gr 2 h serat sumbu cairan penyelesaian secara analitik persamaan [27] memberikan [28] dengan C sebagai konstanta. Tujuan Penelitian Tujuan khusus penelitian ini adalah 1. Mendapatkan data pengaruh suhu terhadap kecepatan naiknya minyak nabati sepanjang sumbu 2. Mendapatkan data pengaruh sumbu terhadap kecepatan naiknya minyak nabati sepanjang sumbu 3. Mendapatkan bentuk persamaan model matematika kapilarisasi minyak nabati pada sumbu Bahan dan Metode Waktu dan Tempat Pengujian kapilarisasi minyak nabati dan campurannya dengan minyak tanah pada kompor sumbu dilakukan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Departemen Teknik Pertanian IPB. Waktu penelitian dimulai bulan Mei 2007 sampai Agustus 2009. Bahan Bahan yang dipergunakan dalam percobaan ini adalah dua jenis sumbu kompor, minyak kelapa, minyak jelantah, minyak kacang tanah, minyak bintaro, dan minyak jarak pagar serta campuran minyak tersebut dengan minyak tanah, dan zat warna. Alat Peralatan yang dipergunakan untuk melakukan pengujian kapilarisasi adalah kolom kaca setinggi 15 cm yang dijepit pada tiang statif, pengukur waktu digital, penangas air yang dilengkapi dengan pengatur suhu, gelas kimia, alat pengukur jarak penggaris. Prosedur Percobaan Percobaan diawali dengan pengujian daya kapilarisasi dengan menggunakan sumbu kompor sepanjang 20 cm yang dimasukkan ke dalam kolom kaca yang dijepit pada tiang statif agar tetap tegak dan kuat. Ujung sumbu sepanjang 5 cm tercelup dalam 50 ml minyak yang diberi zat warna merah yang ditempatkan dalam gelas kimia berukuran 100 ml. Pemberian zat warna agar batas kenaikkan minyak lebih mudah terlihat. Kolom diberi ukuran atau skala dari 1 sampai 10 cm dan pencatatan waktu dilakukan untuk setiap kenaikkan minyak satu cm, seperti tampak pada Gambar 27. Percobaan dilakukan pada tiga titik suhu, yaitu 30, 50, dan 70 o C. Gambar 27 Skema pengukuran kapilarisasi. Hasil dan Pembahasan Pengaruh Suhu Terhadap Daya Kapilarisasi Sifat kapilaritas minyak dipengaruhi oleh angka kekentalan. Semakin besar kekentalan minyak maka akan semakin lambat minyak bergerak sepanjang sumbu. Gambar 28 memperlihatkan secara umum waktu yang diperlukan minyak sepanjang sumbu pada setiap kenaikkan satu cm. Minyak bintaro dengan kekentalan yang paling tinggi membutuhkan waktu yang paling lama untuk jarak atau ketinggian sumbu yang sama dibandingkan dengan minyak nabati lainnya. Gambar 28 Kapilarisasi minyak nabati. Minyak Tanah Dari Gambar 29 tampak bahwa suhu memberikan pengaruh yang signifikan terhadap kapilarisasi minyak tanah pada sumbu. Dengan bertambah tingginya suhu minyak kurva kapilarisasi semakin mendekat ke arah sumbu y. Ini menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu maka kecepatan naiknya minyak pada sumbu semakin cepat. Gambar 29 Pengaruh suhu pada kapilarisasi minyak tanah. 30 60