1
Konduktivitas Termal Kevin Devalentino, Devi Eka , Umi Maslakah Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak— Telah dilakukan percobaan konduktivitas termal yang bertujuan untuk mengetahui nilai kelajuan kalor Q suatu bahan dan faktor yang mempengaruhinya. Percobaan dimulai dengan mengukur massa bahan dengan timbangan digital. Lalu bahan dipanaskan dengan kompor selama 10 menit. Setelah itu diukur suhu pada bagian bawah dan bagian atas permukaan bahan. Nilai yang didapatkan dari percobaan adalah luas alas, tinggi bahan, nilai konduktivitas bahan, dan suhu. Lalu dihitung dengan persamaan 1 untuk menentukan nilai kelajuan kalor. Berdasarkan percobaan konduktivitas termal yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa didapatkan hasil kelajuan kalor (Q) dipengaruhi oleh luas alas, nilai konduktivits termal, dan waktu.
Kata Kunci— kelajuan kalor, konduksi, sifat termal
atas sampai udara bersinggungan lagi dengan pipa evaporator [3]. c. Radiasi - Perpindahan kalor secara pancaran atau radiasi adalah perpindahan kalor suatu benda ke benda yang lain melalui gelombang elektromagnetik tanpa medium perantara. Bila pancaran kalor menimpa suatu bidang, sebagian dari kalor pancaran yang diterima benda tersebut akan dipancarkan kembali (re-radiated), dipantulkan (reflected) dan sebagian dari kalor akan diserap [1]. Setiap zat baik berbentuk padat, cair maupun gas tersusun dari partikel-partikel. Yang mempunyai kecenderungan selalu bergetar. Sifat bergetar partikel- partikel zat tergantung pada jarak partikel pada zat sangat berbeda dari ketiga jenis zat seperti yang telah disebutkan di atas. Jarak antar partikel pada zat padat sangat dekat; jarak partikel pada zat fluida lebih jauh dibandingkan dengan jarak antar partikel pada zat padat; sedangkan pada gas, jarak antar partikel berjauhan. Karena itu gerak partikel-partikel pada zat padat sangat terbatas, dan hanya bergetar pada tempat tertentu [3].
I. PENDAHULUAN Bila dalam suatu sistem terdapat gradien temperatur, atau bila ada dua sistem yang temperaturnya berbeda bersinggungan, maka akan terjadi perpindahan kalor. Proses dimana sesuatu yang dipindahkan diantara sebuah sistem dan sekelilingnya akibat perbedaan temperatur ini berlangsung disebut kalor [3].
Konduktivitas panas suatu bahan adalah ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas (termal) [2]. Berlaku untuk sebuah bahan berbentuk balok dengan penampang lintang A, energi yang dipindahkan persatuan waktu antara dua permukaan berjarak l, sehingga diperoleh dari persamaan
Perpindahan kalor pada umumnya terjadi dengan tiga cara yaitu : konduksi (conduction); konveksi (convection); serta radiasi (radiation). a. Konduksi - Perpindahan kalor secara perambatan atau konduksi adalah perpindahan kalor dari suatu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadi persinggungan fisik atau menempel tanpa terjadinya perpindahan molekul- molekul dari benda padat itu sendiri. b. Konveksi - Perpindahan kalor secara aliran atau konveksi adalah perpindahan kalor yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair atau gas). Molekulmolekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang kesanakemari membawa sejumlah kalor [1]. Konveksi adalah perpindahan panas melalui media gas atau cairan seperti udara di dalam es dan air yang dipanaskan di dalam ceret. Udara bersinggungan dengan pipa-pipa Evaporator yang dingin di dalam lemari. Udara mengambil panas, udara akan merenggang dan menjadi ringan, kemudian mengalir lagi ke
(1)
Dengan λ merupakan konduktivitas termal, T 1 dan T2 merupakan temperatur permukaan.
2 Sebelumnya dilakukan perhitungan nilai konduktivitas termal k setiap bahan namun hasil perhitungan yang dihasilkan jauh terhadap nilai konduktivitas termal k yang terdapat di referensi. Maka, digunakan nilai k yang terdapat di referensi.
. Tabel 1. Koefisien Konduktivitas Termal beberapa Jenis Bahan
Persamaan (1) akan berlaku dengan anggapan bahwa permukaan yang berhadapan itu sejajar dan dengan asumsi tidak ada panas yang hilang melalui sisi balok. Satuan SI untuk konduktivitas termal adalah J s-1 m-1 K-1. Kebalikan dari konduktivitas termal sebuah disebut resistivitas. Dalam satuan SI, konduktivitas listrik diukur dalam siemens per meter. Tulisan ini u n t u k mengetahui nilai kelajuan kalor Q suatu bahan dan faktor yang mempengaruhinya.
II.METODE Langkah awal dalam praktikum ini adalah menyiapkan alat dan bahan yang diperlukan yaitu pemanas 600 W, laser Raynger, timbangan digital, stopwatch, dua buah aluminium, dua buah kuningan, satu buah stainless steel, dan satu buah lempeng kuningan. Setelah menyiapkan semua alat dan bahan tersebut sesuai dengan petunjuk asisten, selanjutnya mengukur massa bahan dengan timbangan digital. Lalu bahan dipanaskan dengan kompor selama 10 menit. Setelah itu diukur suhu pada bagian bawah dan bagian atas permukaan bahan. Nilai yang didapatkan dari percobaan adalah luas alas, tinggi bahan, nilai konduktivitas bahan, dan suhu. Lalu dihitung dengan persamaan 1 untuk menentukan nilai kelajuan kalor.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan percobaan konduktivitas termal yang telah dilakukan maka didapatkan data hasil percobaan sebagai berikut. Jenis Bahan T2 (K) T3 (K) Aluminium 312.15 309.15 A Aluminium 317.15 315.15 B
delta t (s) T (K)
A (m2)
L (m)
K
Q 3179.25
3
600 0.000707
0.08
200
2
600 0.000707
0.05
200
Kuningan A 318.15 317.15
1
600 0.000804
0.053
109
Kuningan B 311.15 310.15
1
600 0.000380
0.05
109
340.15 334.15
6
600 0.000345 0.0001
330.15 318.15
12
600 0.000261 0.0001 109
Stainless Steel Lempeng Kuningan
Tabel 2. Hasil Percobaan Konduktivitas Termal
15
Energi termal dihantarkan dalam zat padat melalui getaran kisi atau melalui electron bebas. Muatan electron pada suhu tinggi akan membawa energy termal dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Maka, pada umumnya perpindahan energi baik selalu merupakan penghantar kalor yang baik seperti halnya aluminium. Konduktivitas panas merupakan property dari suatu material yang menunjukkan kemampuan suatu benda menghantarkan panas. Setiap materi memiliki lebar batasan dari konduktivitas panas. Dapat terlihat dari tabel 1, aluminium merupakan penghantar panas yang baik. Sementara stainless steel memiliki konduktivitas panas rendah yang merupakan isolator yang baik. Koefisien konduktivitas termal k didefinisikan sebagai laju panas pada suatu benda dengan suatu gradient temperature. Dengan kata lain konduktivitas termal menyatakan kemampuan bahan menghantarkan kalor. Bila nilai koefisien panas yang besar maka benda tersebut termasuk penghantar panas yang baik. Dan sebaliknya bila nilai koefisien konduktivitas termal kecil maka benda tersebut merupakan penghantar panas yang tidak baik. Berdasarkan percobaan, aluminium memiliki kemampuan hantar arus yang tinggi. Aluminium tahan terhadap pemuluran dimana pemuluran yang terjadi dapat menyebabkan kapasitas hantar arusnya berkurang dan menimbulkan paans berlebih. Perpindahan panas secara konduksi juga terlihat dari factor koefisien daya hantar panas benda tersebut. Dimana naiknya suhu yang tinggi terhadap suatu bahan akan mengakibatkan perubahan atom yang mengiringi pencairan dan pengaturan kembali susunan atom-atom yang diakibatkan suhu akan menyebabkan daya hantar panas teganggu. Faktor paling dominan yang menentukan dalam proses pemanasan (pematangan) adalah deformasi termal yang berhubungan dengan ukuran rata-rata pori (porous) yang dipengaruhi oleh distribusi ukuran partikel, bentuk partikel dan struktur tanah. Secara garis besar, makin kecil ukuran partikel, makin kecil pula ukuran pori menandakan bahan tersebut mempunyai konduktivitas sangat tinggi.
Berdasarkan hasil percobaan, semakin kecil ukuran suatu benda maka suhu semakin cepat naik. Hal ini sangat mungkin 991.91 disebabkan oleh ruang rongga sampel yang semakin kecil 496.96 sehingga panas yang keluar makin kecil dan transfer panas hanya melalui konduksi pada benda tersebut. Perlakuan 186300.00 penekanan terhadap ketebalan mengakibatkan konduktivitas 2048328.00termal bahan insulasi berkecenderungan makin turun. Hal itu disebabkan oleh makin rapatnya suatu bahan, jarak antarpartikel semakin kecil (porositasnya makin kecil), sehingga proses hantaran termal di dalam insulasi lebih besar. 3391.20
3 Berdasarkan hasil perhitungan yang dilakukan, didapatkan nilai kelajuan kalor Q pada tiap bahan dengan ukuran yang berbeda. Aluminium A memiliki nilai Q sebesar 3179,29 J. Aluminium B memiliki nilai Q sebesar 3391,28 J. Kuningan A memiliki nilai Q sebesar 991,91 J. Kuningan B memiliki nilai Q sebesar 496,96 J. Stainless steel memiliki nilai Q sebesar 186.300 J. Dan, lempeng kuningan memiliki nilai Q sebesar 2.048.328 J. Nilai konduktivitas termal secara langsung dapat menentukan sifat penghnatar dari bahan. Lalu, kategori bahan yang digunakan berdasarkan sifat-sifat konduktor dan isolator juga akan mennetukan sifat penghantar bahan. Dari hasil percobaan yang didapat bahwa semua bahan termasuk konduktor. Dalam percobaan dan referensi sumber didapat nilai konduktivitas termal yang tidak sesuai. Hal ini disebabkan pengaruh dari bahan yang sudah terpakai pada percobaan sebelumnya, pengukuran massa yang tidak baik, pengukuran suhu dengan laser yang tidak tepat karena nilai suhu yang tidak tetap dan pengukuran yang tidak tepat 10 menit.
IV. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan konduktivitas termal yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa didapatkan hasil kelajuan kalor (Q) dipengaruhi oleh luas alas, nilai konduktivits termal, dan waktu.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium konduktivitas termal dalam membimbing praktikum. DAFTAR PUSTAKA [1] Incropera, FP and Witt, P., Fundamental of Heat Transfer, John Wiley and Sons, New York, 1981. [2] Isaacs, Alan., Kamus Lengkap FISIKA, 1994, Erlangga. [3] Zeemansky, W, Mark., Kalor dan Termodinamika, Edisi Keenam, Terjemahan dari Heat and Thermodynamics oleh The How Liong, 1986, ITB, Bandung.
