LABORATORIUM FENOMENA DASAR JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG PENGUJI PENGUJIAN AN
KONDUK KONDUKTIVI TIVITA TAS S
II.
T UJ UJ UA UA N P RA RA KT KT IK IK UM UM
Dalam praktikum ini para praktikan diharapkan mampu:
TERMAL TERMAL PADA PADA
.
MATERIAL PADAT SILINDER SATU DIMENSI
!emahami
peristiwa perpindahan
panas secara konduksi konduksi serta parameter"parameter parameter"parameter I.
PENDAHULUAN
Perp Perpin inda daha han n
yang mempengaruhinya.
pana panass
akan akan
terj terjad adii
apab apabil ilaa
ada ada
#.
perbedaan perbedaan temperatur antara dua bagian benda. Dalam $.
kond konduk uksi, si, pana panass akan akan berpin berpinda dah h tanpa tanpa dikuti dikuti aliran aliran
estafet dari satu partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Sala Salah h kondukti uktivi vita tass
satu atu
luas luas
term termaal,
jika jika
untuk
!embandingkan
hasil
pengujian
nilai konduktivitas termal dengan data literatur. III.
DASAR TEORI
$.. $..
Perp Perpin inda daha han n Pana Panass Kon Kondu duk ksi Perpindahan panas merupakan transmisi energi
karak arakte teri risstik tik
mater terial ial
yaitu aitu
sif sifat
bahan
adala dalah h yang
menunjukkan menunjukkan jumlah panas yang mengalir melintasi satu satu satuan an
pengujian
menentukan nilai konduktivitas termal material.
hal ini, energi berpindah secara konduksi. konduksi. Pada peristiwa
medium perpindahan panas. Panas akan berpindah secara
!elakukan
grad gradie ien n
temp temper erat atur urny nyaa
satu satu..
Konduktivitas termal juga dapat menunjukkan seberapa cepat cepat kalor kalor menga mengalir lir dalam dalam bahan bahan terten tertentu. tu. Sifat Sifat ini berguna berguna antara lain untuk rekayasa teknik, seperti dalam perencanaan, perencanaan, perhitungan perhitungan beban pendinginan pendinginan pada pada sistem refriger refrigerasi asi dan tata udara, udara, perenca perencanaan naan alat penukar penukar kalor, menentukan apakah sifat suatu bahan itu konduktor atau isolator listrik dan sebagainya. sebagainya.
dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari perbedaa perbedaan n temperat temperatur ur diantara diantara kedua kedua daerah daerah tersebut tersebut.. %liran %liran energi energi dalam dalam bentuk bentuk panas panas diatur diatur tidak tidak hanya hanya oleh oleh satu satu hukum hukum fisika, fisika, tetap tetapii oleh oleh kombinasi dari berbagai hukum fisika. Perpindahan panas secara konduksi konduksi yaitu perpindahan perpindahan panas dimana panas mengalir di dalam suatu benda &padat, cair, atau gas' yang bersinggungan secara langsung dari daerah yang yang bertemp bertemperatu eraturr tinggi tinggi ke daerah daerah yang yang bertem bertemper peratu aturr lebih lebih renda rendah h akiba akibatt adany adanyaa gradien gradien temperatu temperaturr pada benda tersebut tersebut.. (aju dan
perpindahan
panas
tidak
dapat
diukur
secara
$.#.
langsung tetapi hal tersebut dapat diamati dengan cara
melakukan
pengukuran
temperatur
yang
merupakan parameter dari laju aliran panas.
*ukum Dasar Konduksi Panas )ika
pada
suatu
benda
terdapat
gradien
temperatur, maka akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.
Perpindahan panas konduksi dapat terjadi satu,
Kalau energi berpindah secara konduksi maka
dua dan tiga dimensi. Konduksi satu dimensi terjadi
perpindahan energi tersebut berbanding dengan
jika suatu sistem dimana suhu dan aliran panas
gradien suhu normal.
hanya fungsi dari satu koordinat saja. Sedangkan untuk
konduksi dua
dan
tiga dimensi,
suhu
Konduktivitas termal (thermal conductivity) didefinisikan oleh persamaan +ourier :
merupakan fungsi dari dua atau bahkan mungkin tiga
q = − kA
koordinat. )ika kita tinjau dari proses aliran
∂T ∂ x
perpindahan panas terdapat dua proses yaitu kondisi
Dimana :
stedi (steady state) dan kondisi transient (transient)
- laju perpindahan kalor &tu/h atau 0'
atau tak"stedi (unsteady). Kondisi stedi yaitu jika
%
- luas bidang tempat berlangsungnya perpindahan kalor &ft1 atau m1'
laju aliran panas dalam suatu sistem tidak berubah dengan waktu atau bila laju tersebut konstan maka suhu dititik manapun tidak berubah dan kecepatan
&'
∂T ∂ x
- gradien atau landaian suhu &temperature
fluks masuk panas pada titik manapun dari system
gradient ' dalam arah arah perpindahan kalor
harus tepat sama dengan fluks keluar dan tidak dapat
&o+/ft atau o2/m'
terjadi perubahan energi dalam. %liran panas dalam suatu sistem transien jika suhu diberbagai titik dari suatu sistem tersebut berubah dengan waktu.
k
- konduktivitas termal &tu/h.ft.3+ atau 0/m.32' Sedangkan tanda negatif merupakan tanda
bahwa kalor mengalir ke suhu yang lebih rendah. #
$.$.
Persamaan Konduksi Panas Pada Keadaan Stedi"Satu Dimensi
=
K k
= Ak
Distribusi temperatur dalam sistem satu dimensi hanya dinyatakan dengan satu variabel saja, 4 pada
L
Rk
Ak
L
&$'
&8'
bidang datar dan r pada bentuk silindris dan bola. Pendekatan pada bentuk silindris satu dimensi terjadi bila panjang aksialnya sangat besar dibandingkan dengan jari"jarinya, selain itu pendekatan juga dapat dilakukan jika kondisi akhir pada bentuk silindris menghasilkan gradien temperatur yang seragam dalam arah r, φ, dan 5, hal ini dapat diperoleh kalau kedua ujung yaitu bagian atas dan bawah dari suatu silinder diisolasi sempurna.
9ambar .. Distribusi temperatur untuk konduksi steady-state melalui sebuah dinding datar
1) Dinding Datar
6ntuk kasus sederhana aliran panas steady"state yang melalui dinding datar, gradien temperatur dan aliran panas tidak tergantung pada waktu dan luas area sepanjang aliran panas adalah seragam. q=
Ak L
( T hot − T cold ) =
yang
berlubang merupakan soal konduksi satu dimensi. &#'
Dengan (/%k setara dengan tahanan termal &7k'. Sedangkan hantaran termal &Kk' yaitu:
%liran panas radial dengan cara konduksi melalui silinder berpenampang lingkaran
∆T L Ak
) Si!ind"r B"r!#$ang
2ontoh yang khas adalah konduksi melalui pipa dan melalui isolasi pipa. )ika silinder itu homogen dan cukup panjang sehingga pengaruh ujung"ujungnya dapat diabaikan $
dan suhu permukaan dalamnya konstan pada ; i
secara analitik, persamaan"persamaan yang mengatur
sedangklan suhu luarnya dipertahankan pada ; <.
laju perpindahan panas dalam dinding komposit
!aka persamaan laju panas konduksinya adalah:
dapat diperoleh dengan menggambarkan rangkaian
qk
=
T i − T < ln ( r < r i ) #π kl
termalnya. &'
9ambar .$. Struktur komposit dinding datar 9ambar .#. Sketsa yang melukiskan nomenklatur untuk konduksi melalui silinder berlubang.
Pada kondisi seperti gambar di atas, aliran panas adalah sama pada semua lapisan dinding dan sisi
%)
Dinding Datar &Str#'t#r K(*(+it Sat# Di"n+i)
Struktur komposit yaitu bila struktur tersebut
dengan temperatur yang tinggi ke sisi dengan temperatur yang lebih rendah. )ika luas dinding % sama untuk semua lapisan dinding maka berlaku:
terdiri dari lebih dari satu macam bahan yang dirangkapkan. Pemecahan persoalan panas konduksi di dalam strutur dinding komposit dapat dilakukan
q=
hi A
+
T i L k A
− T
<
+
L# k # A
+
h< A
&=' 8
dT = − k A dT dx A dx
q = −k A A
,) Si!ind"r &Pada Str#'t#r K(*(+it Sat#
&'
Di"n+i)
Suatu metode yang sangat sederhana untuk pengukuran konduktivitas termal logam ialah seperti yang digambarkan pada gambar 8. Sebuah batang logam % yang konduktivitas termalnya diketahui, dihubungkan
dengan
batang
logam
yang
konduktivitas termalnya akan diukur. Sebuah sumber kalor (heat source) dan comber kalor (heat sink) dihubungkan dengan ujung batang gabungan itu, dan rakitan itu dibalut dengan bahan isolasi untuk membuat kehilangan kalor ke lingkungan minimum dan menjaga agar aliran kalor melalui batangan itu
9ambar .8. Skema alat untuk pengujian
bersifat satu dimensi. Pada kedua bahan yang
konduktivitas termal
diketahui dan yang tidak diketahui, ditempelkan atau ditanamkan termokopel. )ika gradient suhu melalui bahan"bahan yang diketahui diukur, aliran kalor akan dapat ditentukan.
IV.
PERALATAN DAN BAHAN PENGUJIAN
8.#. ahan Pengujian .
%liran kalor ini selanjutnya digunakan untuk menghitung konduktivitas termal bahan yang tak
!aterial standar: kuningan &k - >?.@ 0/m.K',
∅ - # mm, l - $< mm #.
diketahui. )adi :
!aterial uji: baja, kuningan, nilon dengan dimensi ∅ - # mm, l - $< mm
$.
Silikon heat trans!er
8.
%ir
8.. Peralatan Pengujian V.
PROSEDUR PENGUJIAN
.. Persiapan Pengujian .
!emberi
silikon
heat
trans!er
pada
permukaan kontak antara silinder material standar &kuningan' dan permukaan silinder material uji #.
!emasukan material uji ke dalam alat uji
$.
!enempatkan isolator &kayu' pada rangka alat uji
8.
!erekatkan dan mengencangkan antara kedua bagian isolator &kayu' dengan memutar baut
9ambar .. agian"bagian alat uji konduktivitas termal
pengencang Keterangan gambar:
.
!emasang sensor temperatur &termokopel'
.
7angka/"upport dan Spesimen 6ji
pada titik"titik lubang yang telah disediakan
#.
$oltmeter
pada isolator.
%.
Amperemeter
8.
;ermokopel ;ipe ; &= buah'
dahulu dengan menggunakan jarum, kemudian
&.
'eater
membandingkannya dengan panjang termokopel
=.
;ermometer
yang akan dimasukan pada lubang alat uji.
@.
0adah/bak untuk sirkulasi air
=.
2ara: mengukur kedalaman lubang terlebih
=
@.
!enghubungkan selang aliran air pendingin
%.
!embaca dan memantau hasil pengukuran
pada pompa yang ditempatkan pada wadah/ bak
keenam
sensor
temperatur
hingga
dicapai
untuk sirkulasi aliran air.
pembacaan temperatur pada kondisi tunak (steady state)
.#. Pengukuran
8. !encatat data temperatur setiap < detik pada
.
!enghidupkan pompa untuk sirkulasi air
laporan sementara yang telah disediakan hingga
#.
!enghidupkan
kondisi steady
heater
dengan
mengatur
tegangan dan arus a'
. *entikan pengamatan ketika kondisi sudah
%luminum
mencapai steady atau sudah tidak ada perubahan
6ntuk mempercepat pada kondisi steady, dengan
memperbesar
daya
heater
dan
temperatur =. !atikan heater dan pompa
memantau temperatur hingga = o2. Kemudian
(akukan langkah"langkah mulai dari poin . hingga .#"
turunkan daya heater hingga 0.
= untuk material uji lainnya.
b'
aja 6ntuk mempercepat pada kondisi steady, dengan
dan
uat grafik dengan menggunakan fasilitas komputer,
memantau temperatur hingga 32. Kemudian
kemudian menganalisa dengan menggunakan rumus"
turunkan daya heater hingga 0.
rumus dasar teori.
c'
memperbesar
daya
heater
VI. DIAGRAM DAN ANALISA
Ailon
. Perolehan
6ntuk mempercepat pada kondisi steady, dengan
memperbesar
daya
heater
dan
memantau temperatur hingga >32. Kemudian turunkan daya heater hingga 0.
nilai
konduktivitas
termal
dengan
menggunakan persamaan #. 9alat (error) Ailai sejati &true value' - aproksimasi B galat 9alat & t'
- nilai sejati " aproksimasi @
ε t
=
+alat *ilai "e)ati
× <
σ
n = ∑ ( xi − x m ) n i=
#
#
Dimana : $. Ketidakpastian hasil pengukuran k u)i
=
k s ( T − T # )
4i - sampel ke i
( T − T ) $
4m - rata"rata sampel
8
∂ K ∂ K ∂ K ∂ K = ± u)i ( ,T ) + u)i ( ,T ) + u)i ( ,T ) + u)i ( ,T ) T T T ∂ ∂ ∂ ∂T #
, K u)i
n - jumlah sampel
#
#
#
#
#
#
#
#
$
$
8
8
Dimana :
∂ K u)i = k s ∂T T − T à
$
8
∂ K u)i = − k s ∂ ( T − T ) T à #
$
8
∂ K u)i ( − ) = − k s T T ∂T ( T − T ) à
#
#
$
$
8
∂ K u)i k s ( T − T ) = ∂T ( T − T ) à
#
#
8
$
8
à w; - - Deviasi Standar
9ambar .=. 2ontoh grafik hasil pengukuran
>
