Sifat Termal pada Material Oleh : Triapani Mukti Gilang Anugrah Triapani 1127030069
Tujuan T ujuan em!elajaran em!elajaran •
•
•
•
•
•
1 "apat mende#ni$ikan kapa$ita$ pana$ dan pana$ $pe$i#k% 2 &atatan mekani$me utama dimana termal energi !era$imila$i dalam !ahan padat% 3 Menentukan k'e#$ien linear ek$pan$i termal (ang di!erikan peru!ahan panjang (ang men(ertai peru!ahan $uhu tertentu% )% Menjela$kan Menjela$kan $e*ara $ingkat $ingkat fen'mena ek$pan$i ek$pan$i termal termal dari per$pektif at'm menggunakan 'ten$i energi+,er$u$+ interat'mik pemi$ahan l't% -% Mende#ni$ikan k'ndukti,ita$ termal% 6 Mengetahui dua mekani$me utama pana$ k'nduk$i dalam padatan. dan mem!andingkan !e$ar relatif k'ntri!u$i ter$e!ut untuk ma$ing+ma$ing l'gam. keramik. dan !ahan p'limer%
&ek lagi pptn(a . $'aln(a !an(ak (ang haru$ di r'm!ak ///
endahuluan ada aaln(a $etiap material memiliki $ifatn(a ma$ing+ma$ing % ada kali ini akan di!aha$ mengenai $ifat termal . dimana $etiap material (ang !erujud padat akan memiliki $ifat termaln(a ma$ing+ma$ing % Sifat termal ter$e!ut akan dimiliki 'leh $etiap meterial $eperti pada 'gam . eramik. dan 'limer%
apa$ita$ Termalan a$4
Tegangan Termal
Sifat Termal pada Material
'ndukti,it a$ Termal
5k$pan$i Termal
apa$ita$ Termal •
•
•
•
ila $e!uah material padatan dipana$kan . maka material ter$e!ut akan mengalami peningkatan $uhu % al ini menandakan !aha terdapat !e!erapa energi telah di$erap% apa$ita$ pana$ adalah $ifat $uatu material (ang !er$ifat indikatif dimana material ter$e!ut dapat men(erap pana$ dari lingkungan luar. (ang merupakan jumlah energi (ang di!utuhkan untuk mengha$ilkan $uatu kenaikan temperatur kapa$ita$ pana$ ini dapat diukur . $e$uai dengan k'ndi$i (ang men(ertai perpindahan pana$ % ertama . kapa$ita$ pana$ k'n$tan tetap menjaga agar ,'lume k'n$tan & ,% 8ang lainn(a ialah dengan menjaga tekanan luar k'n$tan & p% amun &p hampir $elalu !e$ar dari & , %
•
Getaran apa$ita$ ana$
ada material padat $aat men(erap pana$ maka at'm+at'm pen(u$unn(a akan !ergetar $uatu frekuen$i (ang tinggi . hal ini men(e!a!kan pergerakan at'm . $ehingga ikatan antar at'm dapat lepa$ . maka $aat padatan di!eri $uhu (ang tinggi dan !erlang$ung $e*ara teru$ meneru$ men(e!a!kan pelelehan pada material ter$e!ut am!uran termal elektr'n !e!a$ $elama k'nduk$i elektr'nik !erparti$ipa$i dalam tran$p'rta$i energi $elama k'nduk$i termal
ergerakan at'm pada material padat $aat di!eri $uhu tinggi
•
e!ergantungan Suhu dari apa$ta$ ana$
Saat material diperi pana$ maka. !enda ter$e!ut menerima pana$ dalam k'ndi$i ,'lume k'n$tan % Maka kapa$ita$ pana$ dalam ,'lume k'n$tan di lam!angkan dengan & , . dengan &, : •
Ketergantungan suhu dari kapasitas panas pada volume konstan adalah suhu Debye.
•
'ntri!u$i apa$ita$ ana$
Mekani$me energi $erap lain juga ada (ang dapat menam!ah kapa$ita$ pana$ t'tal padatan% Terdapat k'ntri!u$i elektr'nik !aha elektr'n men(erap energi dengan meningkatkan energi kinetik mereka% amun. ini han(a mungkin untuk elektr'n !e!a$ mereka (ang telah terek$ita$i dari keadaan tingkat da$ar hingga kulit ke+n 5nergi ;ermi % "alam l'gam. han(a elektr'n di keadaan da$ar . energi ;ermi mampu !ertran$i$i dan ini han(a meakili $e!agian ke*il dari jumlah t'tal elektr'n% Se!uah pr'p'r$i (ang le!ih ke*il dari elektr'n (ang terek$ita$i ha$il i$'la$i dari !ahan $emi k'ndukt'r% "alam !e!erapa !ahan pr'$e$+energi $erap lainn(a terjadi pada $uhu tertentu mi$aln(a. penga*akan elektr'n !erputar dalam !ahan ferr'magneti* $eperti (ang dipana$kan melalui $uhu &urie n(a%
5k$pan$i Termal e!an(akan !ahan padat memperlua$ pemana$an dan k'ntrak ketika didinginkan% eru!ahan panjang dengan $uhu untuk !ahan padat dapat din(atakan $e!agai !erikut : •
Atau emana$an atau pendinginan dipengaruhi 'leh $emua dimen$i (ang ada pada ruang % Olehkaena itu peru!ahan <'lume dan temperatur dapat diketahui $e!agai !erikut :
ilai ek$pan$i termal pada !e!erapa jeni$ material
•
5k$pan$i Termal pada 'gam
Seperti ter*antum dalam Ta!el 19%1. k'e#$ien linier ek$pan$i termal untuk !e!erapa l'gam !ia$a !erki$ar antara $ekitar -=10+6 dan 2-=10+6 0&4+1 nilai+nilai ini antara !e$arn(a antara mereka untuk !ahan keramik dan p'limer% Se!agai ahan !erikut $ep't'ng entingn(a menjela$kan. !e!erapa ek$pan$i rendah dan terkendali paduan l'gam ek$pan$i telah dikem!angkan. (ang digunakan dalam aplika$i (ang memerlukan $ta!ilita$ dimen$i dengan ,aria$i $uhu%
•
5k$pan$i Termal pada eramik
ekuatan ikatan interat'mik relatif kuat ditemukan dalam !an(ak !ahan keramik (ang ter*ermin dari k'e#$ien (ang relatif rendah ek$pan$i termal. nilai+nilai !ia$an(a !erki$ar antara $ekitar 0%- = 10+6 dan 1- = 10 +6 0 &4+1 $erta untuk keramik !entuk n'n+kri$talin dan juga mereka (ang memiliki $truktur kri$tal ku!ik. adalah i$'tr'pik% >ika tidak. itu adalah ani$'tr'pik. dan. pada ken(ataann(a. !e!erapa !ahan keramik. $etelah pemana$an. k'ntrak dalam !e!erapa arah kri$tal'gra# $ementara memperlua$ pada 'rang lain% ?ntuk gela$ an'rganik. k'e#$ien ek$pan$i tergantung pada k'mp'$i$i% e!uran $ilika SiO2 tinggi kemurnian ka*a4 memiliki k'e#$ien ek$pan$i ke*il. 0%) =10+60&4+1 al ini dijela$kan 'leh kepadatan rendah kema$an at'm $ehingga ek$pan$i interat'mik mengha$ilkan relatif peru!ahan dimen$i makr'$k'pik ke*il% ahan keramik (ang akan mengalami peru!ahan $uhu haru$ memiliki k'e#$ien ek$pan$i termal (ang relatif rendah. dan di $amping itu. i$'tr'pik%
•
5k$pan$i Termal pada 'limer
e!erapa !ahan p'limer mengalami ek$pan$i termal (ang $angat !e$ar pada pemana$an $eperti (ang ditunjukkan 'leh k'e#$ien (ang !erki$ar dari kira+kira -0 = 10+6 hingga )00= 10+6 0 &4+1 dengan ilai tertinggi @ l ditemukan di linear dan p'limer !er*a!ang karena ikatan antarm'lekul $ekunder lemah. dan ada minimum dari minimal $ilang % "engan meningkat $ilang. (ang !e$arn(a k'e#$ien ek$pan$i !erkurang. k'e#$ien terendah ditemukan di p'limer jaringan therm'$etting $eperti fen'l+f'rmaldehida. di mana ikatan hampir $eluruhn(a k',alen%
'ndukti,ita$ Termal 'nduk$i termal adalah fen'mena dimana pana$ (ang diangkut dari tinggi ke daerah $uhu rendah dari at% Sifat (ang men*irikan kemampuan dari !ahan untuk mentran$fer pana$ adalah k'ndukti,ita$ termal% "alam per$amaan matematika dituli$ : •
er$amaan diata$ han(a !erlaku untuk k'ndi$i mapan aliran+(ang pana$. untuk $itua$i di mana Buk$ pana$ tidak !eru!ah dengan aktu% >uga. tanda minu$ di diata$ menunjukkan !aha arah aliran pana$ dari pana$ ke dingin. atau !aah gradien $uhu%
•
Mekani$me 'nduk$i ana$
ana$ diangkut dalam !ahan padat 'leh kedua gel'm!ang getaran ki$i f'n'n4 dan elektr'n !e!a$% Se!uah k'ndukti,ita$ termal dikaitkan dengan ma$ing+ma$ing mekani$me ini. dan t'tal k'ndukti,ita$ adalah jumlah dari dua k'ntri!u$i. atau : •
5nergi pana$ (ang terkaitdengan f'n'n atau gel'm!ang ki$i diangkut dalam arah gerakan mereka%a$il k'ntri!u$i dari gerakan !er$ih f'n'n dari tinggi ke rendah+daerah $uhu tu!uh di mana gradien $uhu terdapat%
5lektr'n !e!a$ !erparti$ipa$i dalam k'nduk$i termal elektr'nik %?ntuk elektr'n !e!a$ di daerah pana$ $pe$imen di$ampaikan keuntungan energi kinetik% Mereka kemudian !ermigra$i ke daerah dingin. dimana $e!agian energi kinetik ini ditran$fer ke at'm $endiri $e!agai energi getaran4 $e!agai k'n$ekuen$i dari ta!rakan dengan f'n'n atau ketidak$empurnaan lainn(a dalam kri$tal% 'ntri!u$i relatif untuk t'tal meningkat k'ndukti,ita$ termal dengan meningkatn(a k'n$entra$i elektr'n !e!a$. karena le!ih !an(ak elektr'n (ang ter$edia untuk !erparti$ipa$i dalam pr'$e$ ini tran$feren$i pana$% •
•
Mekani$me 'nduk$i ana$
'gam "alam l'gam kemurnian tinggi. mekani$me elektr'n tran$p'rta$i pana$ jauh le!ih e#$ien daripada k'ntri!u$i ph'n'n karena elektr'n tidak mudah ter$e!ar $e!agai f'n'n dan memiliki ke*epatan %agipula l'gam adalah k'ndukt'r (ang $angat !aik pana$ karena jumlah relatif !e$ar dari elektr'n !e!a$ ada (ang !erparti$ipa$i dalam k'nduk$i pana$ arena elektr'n !e!a$ !ertanggung jaa! untuk kedua k'nduk$i li$trik dan termal dalam l'gam murni. peraatan te'riti$ menunjukkan !aha dua k'ndukti,ita$ haru$ terkait $e$uai dengan hukum Ciedemann+;ran: •
•
Mekani$me 'nduk$i ana$
eramik
ahan !ukan l'gam adalah i$'lat'r termal $ejauh mereka tidak $ejumlah !e$ar elektr'n !e!a$% >adi f'n'n terutama !ertanggung jaa! untuk k'nduk$i termal: jauh le!ih ke*il daripada Sekali lagi. f'n'n tidak $eefektif grati$ elektr'n dalam tran$p'rta$i energi pana$ $e!agai aki!at dari $angat e#$ien ph'n'n ham!uran 'leh ketidak$empurnaan ki$i% am!uran getaran ki$i menjadi le!ih jela$ dengan meningkatn(a $uhu. maka. k'ndukti,ita$ termal !ahan keramik (ang paling n'rmal !erkurang dengan meningkatn(a $uhu. $etidakn(a pada $uhu relatif rendah%Se!agai Gam!ar menunjukkan. k'ndukti,ita$ mulai meningkat pada $uhu tinggi. (ang karena perpindahan pana$ radia$i: jumlah (ang $igni#kan inframerah pana$ radia$i dapat diangkut melalui !ahan keramik tran$paran% 5#$ien$i dari pr'$e$ ini meningkat dengan $uhu%
•
Mekani$me 'nduk$i ana$
'limer
Seperti ter*antum dalam Ta!el. k'ndukti,ita$ termal untuk $e!agian !e$ar p'limer !erada di urutan 0.3 C D m% ?ntuk !ahan+!ahan ini. perpindahan energi dilakukan dengan getaran dan r'ta$i dari m'lekul rantai% e$arn(a k'ndukti,ita$ termal tergantung pada derajat kri$talinita$. $e!uah p'limer dengan $truktur (ang $angat kri$tal dan memerintahkan akan memiliki k'ndukti,ita$ le!ih !e$ar dari !ahan am'rf $etara% Eni adalah duet' getaran terk''rdina$i le!ih efektif dari rantai m'lekul untuk negara kri$tal% 'limer $ering digunakan $e!agai i$'lat'r termal karena k'ndukti,ita$ termal (ang rendah% Seperti keramik. $ifat i$'lat'r mereka dapat le!ih ditingkatkan 'leh pengenalan p'ri+p'ri ke*il. (ang !ia$an(a diperkenalkan 'leh !er!u$a $elama p'limeri$a$i
Tegangan Termal Tegangan termal adalah tegangan (ang diinduk$i dalam tu!uh $e!agai aki!at dari peru!ahan $uhu% emahaman tentang a$al+u$ul dan $ifat tegangan termal penting karena tekanan ini dapat men(e!a!kan fraktur atau tidak diinginkan def'rma$i pla$tik e$arn(a F $tre$ (ang di$e!a!kan 'leh peru!ahan $uhu dari T f ke T0 : •
•
Tekanan a$il dari Gradien Suhu
etika $uatu !enda padat dipana$kan atau didinginkan. di$tri!u$i temperatur internal (ang akan tergantung pada ukuran dan !entuk. k'ndukti,ita$ termal material. dan laju peru!ahan temperatur% Tegangan termal dapat didirikan $e!agai ha$il dari gradien $uhu di $eluruh tu!uh. (ang $ering di$e!a!kan 'leh pemana$an *epat atau pendinginan. dalam $uhu peru!ahan luar le!ih *epat dari interi'r peru!ahan dimen$i !erfung$i untuk menahan ek$pan$i !e!a$ atau k'ntrak$i elemen ,'lume (ang !erdekatan dalam p't'ngan% Mi$aln(a. pada $aat pemana$an. ek$teri'r $pe$imen le!ih pana$ dan. karena itu. akan diperlua$ le!ih dari daerah interi'r% Oleh karena itu. tegangan permukaan tekan diinduk$i dan $k'r $eim!ang dengan $epuluh $ile interi'r menekankan% 'ndi$i $tre$ interi'r ek$teri'r di!alik untuk pendinginan *epat $ehingga permukaan dima$ukkan ke dalam keadaan ketegangan%
•
Sh'*k termal dari !ahan (ang rapuh
?ntuk l'gam ulet dan p'limer. pengenta$an tegangan termal di$e!a!kan mungkin dilakukan dengan def'rma$i % agaimanapun keuletan n'n pla$tik $e!agian !e$ar keramik meningkatkan kemungkinan patah geta$ dari tekanan ter$e!ut% endinginan *epat dari tu!uh rapuh le!ih mungkin untuk menim!ulkan thermal $h'*k $eperti dari pemana$an. karena tegangan permukaan diinduk$i adalah tarik% &ra*k pem!entukan dan pr'paga$i dari permukaan kekurangan le!ih mungkin ketika tegangan (ang di!erikan adalah tarik % apa$ita$ material untuk menahan $ema*am ini di$e!ut kegagalan (ang termal mengejutkan perlaanan% ?ntuk !adan keramik (ang didinginkan dengan *epat. ketahanan terhadap thermal $h'*k tidak han(a tergantung pada !e$arn(a peru!ahan $uhu. tetapi juga pada $ifat mekanik dan termal material%etahanan thermal $h'*k (ang ter!aik untuk keramik (ang memiliki kekuatan tinggi fraktur @ f 4 dan k'ndukti,ita$ termal (ang tinggi. $erta m'dulu$ ela$ti$ita$ (ang rendah dan k'e#$ien rendah mantan termal pan$i'n
am!atan dari !an(ak !ahan untuk jeni$ kegagalan dapat didekati dengan re$i$ten$i $h'*k parameter TSH termal: •
Thermal $h'*k dapat di*egah dengan mengu!ah k'ndi$i ek$ternal untuk tingkat !aha tingkat pendinginan atau pemana$an !erkurang dan gradien $uhu di $eluruh tu!uh diminimalkan% M'di#ka$i karakteri$tik termal dan D atau mekani$ dalam er$amaan diata$ juga dapat meningkatkan ketahanan thermal $h'*k material% "ari parameter ini. k'e#$ien ek$pan$i termal mungkin paling mudah diu!ah dan dikendalikan
