PENGUKURAN KONDUKTIVITAS TERMAL A. TUJUAN 1. Mengukur konduktivitas termal pada isolator plastisin B. ALAT DAN BAHAN Peralatan yang digunakan dalam kegiatan pengukuran dapat diperhatikan pada gambar 1.
Gambar 1. Peralatan yang dibutuhkan pada percobaan
NO 1 2 3 4
NAMA PERALATAN Stand with insulating pad Generator uap Tabung 1 Tabung 2
KETERANGAN JUMLAH Tempat material es 1 Penghasil uap 1 Mengumpulkan es yang melebur 1 Mengumpulkan uap yang 1
5 6 7 8
Material berbeda Termometer Jangka sorong Stopwatch
terkondensasi Masonite,wood,lexan,sheetrock Pengukuran suhu Mengukur diameter es Pencatat waktu
1 set 1 1 1
C. TEORI DASAR Konduksi termal adalah suatu fenomena transport di mana perbedaan temperatur menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang lain dari benda yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang ditransfer dari suatu titik ke titik yang lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Bila panas yang di transfer tidak diikuti dengan perpindahan massa dari benda disebut dengan peristiwa konduksi. Penyelidikan terhadap konduktivitas termal adalah untuk menyelidiki laju dari konduksi termal melalui beberapa material. Jumlah panas yang dikonduksikan melalui material persatuan waktu dilukiskan oleh persamaan:
ΔQ Δt
ΔT = kA Δ x
Dalam kasus perubahan temperatur sebagai akibat perubahan posisi yang sangat kecil di mana Δx
0, maka berlaku: (T 2−T 1 ) dT dx = x
Bila garis dari aliran panas adalah parallel , maka gradien temperatur pada setiap penampang adalah sama. Untuk kondisi ini jumlah panas yang dikonduksikan persatuan waktu dapat dituliskan dalam bentuk : ΔQ Δt
= kA
(T 2−T 1 ) h
Dalam penampang ∆ Q konduksi mengambil tempat,
= energi panas total yang dikonduksikan , A= luas dimana ∆T
= perbedaan temperatur dua sisi dari material,
∆t
=
waktu selama konduksi terjadi , h= ketebalan dari material dan k= konduktivitas termal dari material. Koefisien konduktivitas termal k didefinisikan sebagai laju panas pada suatu benda dengan suatu gradien temperatur . Nilai konduktivitas termal penting untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu konduksi panas yang baik (good conductor) dan penghantar panas yang tidak baik(good insulator). Karena itu nilai dari konduktivitas termal menjadi penting untuk dibahas. Nilai konduktivitas termal suatu material dapat ditentukan melalui pengukuran tak langsung. Dengan melakukan pengukuran secara langsung terhadap beberapa besaran lain, maka nilai konduktivitas termal secara umum dapat ditentukan melalui persamaan: K=
∆Qh A ∆T ∆t
Dalam teknik pengukuran konduktivitas termal, suatu plat material yang akan diuji di jepitkan di antara satu ruang uap (stem chamber) dengan mempertahankan konstan sekitar 100 ℃
dan satu blok es yang di pertahankan pada temperatur
temperatur
Konstan 0 ℃ . Berarti perbedaan temperatur di antara dua permukaan dari material adalah 100 ℃
. Panas yang di transfer diukur dengan mengumpulkan air yang berasal
dari es yang melebur . Es melebur pada suatu laju 1 gram per 80 kalori dari aliran panas (panas laten untuk peleburan es). Karena itu konduktivitas termal dari suatu material dapat ditentukan menggunakan persamaan: M es K K= AΔT Δt 1h
Dalam system CGS kalor lebur es adalah 80 kal/gram(Tim eksperimen fisika,2009). Konduktivitas termal Konduktivitas termal adalah suatu fenomena transport dimana perbedaan temperatur menyebabkan transfer energi termal dari suatu daerah benda panas ke daerah yang lain dari benda yang sama pada temperatur rendah. Panas yang di transfer dari satu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi: atom-atom hanya bergetar acak di tempat , sambil saling bertumbukan . Konveksi: atom-atom pindah tempat sambil membawa energy kinetic / energy getar acak. Radiasi: atom-atom bergetar , menghasilkan gelombang elektromagnetik yang membawa energipotensial listrik magnet. Konduksi Yang menunjukan suatu batang logam yang pada keadaan kontak termal dengan sebuah reservoir panas(tandon kalor) dan sebuah reservoir dingin, suhu reservoir panas adalah Tpanas , sedangkan suhu reservoir dingin Tdingin. Batang logam dibalut dengan bahan yang tidak bisa menghantarkan panas(isolator). Molekul-molekul pada reservoir panas memiliki energy yang lebih besar , yang kemudian dipindahkan melalui tumbukan kepada atom-atom pada ujung batang logam hingga bersingungan Atom-atom pada batang logam kemudian mentransfer energi kepada atomatom disebelahnya. Proses ini terus berlanjut , hingga akhirnya energi kalor berpindah ke reservoir dingin, dan baru berhenti setelah mencapai kesetimbangan termal Perpindahan kalor dengan cara seperti ini disebut konduksi . Jadi konduksi adalah perpindahan kalor melalui sesuatu benda akibat interaksi molekuler. Kelajuan kalor berpindah secara konduksi ternyata
sebanding dengan luas penampang batang atau medianya, selisih suhu antara kedua benda(kedua reservoir misalnya), dan berbanding terbalik dengan panjang bidang batang. Terdapat konduktivitas termal menyatakan kemampuan bahan menghantarkan kalor.(Hasra, Amran:2008) Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 ℃ BAHAN
Konduktivitas termal(k) W/M ℃
Logam Perak(murni) Tembaga(murni) Alumunium (murni) Nikel(murni) Besi(murni) Baja karbon,1% ∁
410 385 202 93 73 43
Timbal (murni) Baja krom -
35 16.3
nikel(18%Cr,8%Ni) Bukan logam Kuarsa(sejajar sumbu) 41.6 Magnesit 4.15 Marmar 2.08-2.94 Batu pasir 1.83 Kaca, jendela 0.78 Kayu, maple atau ek 0.17 Serbuk gergaji 0.059 Wol kaca 0.038 Sumber (j.P. Holman,1993:6-10) Energi termal dihantarkan dalam zat padat menurut salah satu dari dua modus berikut : melalui getaran kisi (lattice vibration) atau dengan angkutan melalui elektron bebas. Dalam konduktor listrik yang baik, diman terdapat elektron bebas yang bergerak di dalam stuktur kisi bahan –bahan , maka elektron di samping dapat mengangkut muatan muatan listrik, dapat pula membawa energy termal dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah, sebagaimana halnya dalam gas. Bahkan elektron ini sering di sebut gas elektron (electron gas). Energi dapat pula berpindah sebagai energi getaran dalam stuktur kisi bahan. Namun , pada umumnya perpindahan energi melalui gataran ini tidaklah sebanyak dengan cara angkutan elektron. Karena itu, penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar
kalor yang baik pula, seperti halnay tembaga, alumunium dan perak. Sebaliknya isolator listrik yang baik merupakan isolator kalor pula. Konduktivitas termal beberapa zat padat tertentu. Konduktivitas termal berbagai bahan isolator juga diberikan dalam table.Sebagai contoh, nilai untuk wol kaca(glass wol) ialah 0.038W/m W/m ℃
℃
dan untuk kaca jendela 0.78
. Pada suhu tinggi , perpindahan energy pada bahan isolator berlangsung dalam
beberapa cara:konduksi melalui bahan berongga atau padat, konduksi melalui udara yang terkurung dalam rongga –rongga dan jika suhu cukup tinggi melalui radiasi.(j.P. Holman,1993:6-10)
D. PROSEDUR KERJA 1. Mengisi benjana es dengan air lalu bekukan dalam freezer . Pekerjaan ini dilakukan sebelum pelaksanaan kegiatan pratikum. 2. Mengukur ketebalan dari setiap material sampel yang digunakan dalam pratikum(h). 3. Memasang material sampel pada tabung ruang uap seperti yang ditunjukan pada gambar 2
Gambar 2. Susunan peralatan untuk konduktivitas termal
4. Mengukur diameter dari bloke s dan nilai ini dilambangkan dengan d 1. Tempatkan es tersebut di atas sampel. 5. Membiarkan es berada di atas sampel selama beberapa menit sehingga es mulai melebur dan terjadi kontak penuh antara es dengan permukaan material sampel. 6. Mentukan massa dari tabung kecil yang digunakan untuk menampung es yang melebur(Mt). 7. Mengumpulkan es yang melebur dalam tabung untuk suatu waktu pengukuran ta
Misalnya sekitar 3 menit, lakukan untuk 3 kali pengukuran. 8. Menentukan massa dari tabung yang berisi es yang melebur tadi(Mta) 9. Menentukan massa es yang melebur (Ma) dengan cara mengurangi Mta dengan Mt 10. Mengalirkan uap ke dalam ruang uap .biarkan uap mengalir untuk beberapa menit sampai temperature mencapai stabil sehingga aliran panas dalam keadaan mantap (steady), artinya temperature pada beberapa titik tidak berubah terhadap waktu. 11. Mengosongkan tabung yang digunakan untuk mengmpulkan es yang melebur. Ulangi langkah 6 sampai 9 tetapi pada waktu ini dengan uap dialirkan ke dalam ruang uap dalam suatu waktu tertentu tau(missal sekitar 3 menit). Ukurlah massa es yang melebur (M au). Lakukan lah untuk 3 kali pengukuran. 12. Melakukanlah pengukuran ulang diameter bloke s yang dinyatakan dengan d2. 13. Melakukanlah kegiatan yang sama untuk sampel material yang lainnya.
