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 =
rcos, a3 =
gr
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