FISIKA LABORATORIUM
1
Uji Konduktivitas Termal dengan Pyrometer pada Kayu, Karet, dan Arang Sulistiyawati Dewi K., Dina Mardiana, Anita Dwi A., Zainuri Jurusan Fisika, Fakultas Ilmu Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail:
[email protected] Abstrak— Percobaan Uji Konduktivitas Termal dengan Pyrometer pada Kayu, Karet, dan Arang memiliki tujuan untuk menentukan nilai konduktivitas termal beberapa material serta mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada beberapa meterial. Percobaan ini menggunakan prinsip perpindahan panas secara konduksi. Percobaan ini dilakukan dengan memanaskan kompor listrik dengan susunan bawah keatas yaitu besi -bahan-besi selama 10 menit. Pada percobaan ini didapatkan data diameter dan tinggi dari masing-masing bahan, serta temperature antar permukaan bahan (T1, T2, T3, T4). Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa factor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada bahan yang digunakan adalah adalah kandungan uap air, suhu, kepadatan, dan porositas. Pada percobaan ini didapatkan nilai konduktivitas termal untuk Berdasarkan hasil perhitungan, didapatkan nilai konduktivitas listrik dari kayu 230,48 W/moC, karet 233,78 W/moC, arang 246,34 WS/moC. Kata Kunci: Arang, karet, kayu, konduksi, Kondukstivitas termal.
I.
D
PENDAHULUAN
alam kehidupan sehari-hari tak pernah terlepas dari panas atau kalor, setiap material memiliki sifat termal yang berbeda-beda tergantung jenis material. Pada umumnya yang kita tahu material yang dapat menghantarkan panas hanyalah logam, namun sebenarnya material non logam juga dapat menghantarkan panas meskipun nilainya kecil. 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. Koefisien konduktivitas termal k didefinisikan sebagai laju panas pada suatu benda dengan suatu gradien temperatur . Dengan kata lain konduktivitas termal menyatakan kemampuan bahan menghantarkan kalor. Nilai konduktivitas termal penting untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu konduksi panas yang baik (good conductor) untuk nilai koefisien konduktivitas termal yang besar dan penghantar panas yang tidak baik (good insulator) untuk nilai koefisien panas yang kecil [1]. Konduktivitas thermal dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya yaitu suhu, kepadatan dan porositas, serta kandungan uap air. Pengaruh suhu terhadap konduktivitas thermal kecil. Namun secara umum dapat dikatakan bahwa konduktivitas thermal akan meningkat apabila suhu meningkat. Keadaan pori-pori bahan akan mempengaruhi konduktivitas thermal. Semakin besar rongga akan semakin buruk konduktivitasnya. Kandungan uap air juga mempengaruhi konduktivitas thermal. Berikut adalah tabel
nilai konduktivitas suatu bahanBerikut adalah tabel nilai konduktivitas suatu bahan [1]. Tabel 1. Nilai konduktivitas terman beberapa bahan
Bahan
Konduktivitas termal (k) W/m
Logam Perak(murni) 410 Tembaga(murni) 385 Alumunium (murni) 202 Nikel(murni) 93 Besi(murni) 73 Baja karbon,1% 43 Timbal (murni) 35 Baja krom - nikel(18%Cr,8%Ni) 16.3 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 Zat Cair Air Raksa 8.21 Air 0.556 Ammonia 0.540 Minyak Lumas, SAE 50 0.147 Freon 12 0.073 Gas Hidrogen 0.175 Helium 0.141 Udara 0.024 Uap air 0.0206 Karbon dioksida 0.0146 Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda (zat) bergantung pada 3 faktor yaitu: massa zat, jenis zat (kalor jenis), dan perubahan suhu [2]. Perpindahan kalor merupakan ilmu yang mempelajari tentang bagaimana kalor berpindah/mengalir dari tempat yang bertemperatur tinggi ke temperatur lebih rendah jadi panas
FISIKA LABORATORIUM
dapat berpindah karena adanya beda temperatur. Seperti yang kita ketahui bersama, bahwa yang namanya kalor itu adalah berupa suatu energi. Dimana berdasar hukum kekekalan energi, energi dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain dan dapat pula berubah bentuk, dari bentuk energi satu ke energi lain. Apabila ditinjau dari perpindahannya kalor dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu: konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi (pancaran) [2]. Konduksi adalah Bila panas yang di transfer tidak diikuti dengan perpindahan massa dari benda. Konduksi diakibatkan oleh tumbukan antar molekul penyusun zat. Ujung benda yang panas mengandung molekul yang bergetar lebih cepat. Ketika molekul yang bergetar cepat tadi menumbuk molekul di sekitarnya yang lebih lambat, maka terjadi transfer energi ke molekul disebelahnya sehingga getaran molekul yang semula lambat menjadi lebih cepat. Molekul ini kemudian menumbuk molekul lambat di sebelahnya dengan disertai transfer energi. Demikian seterusnya sehingga pada akhirnya energi sampai pada ujung benda yang lainnya. Untuk perpindahan panas konduksi ini digunakan Hukum Fourier, yang dinyatakan secara matematis sebagai berikut: q = - kA dimana q adalah laju perpindahan kalor konduksi (Watt), A adalah luas penampang (m2), k adalah konduktivitas bahan (W/moC). Konveksi terjadi karena gerakan massa molekul dari satu tempat ke tempat lain. Konveksi terjadi perpindahan molekul dalam jarak yang jauh. Radiasi adalah perpindahan panas tanpa memerlukan medium [3]. Pirometer adalah sebuah termometer yang sangat akurat yang mengukur suhu benda dengan jalan mengukur besarnya radiasi total atau radiasi pada salah satu panjang gelombang. Pirometer dapat mengukur suhu yang sangat tinggi (kira-kira 500oC – 3000oC). Secara teori, suatu benda yang panas akan memancarkan radiasi dan cahaya disekelilingnya, semakin tinggi suhu benda tersebut maka makin besar radiasi dan intensitas cahaya yang dipancarkan. Besarnya radiasi dan intensitas cahaya ini tergantung dari suhu benda dan dari warna atau panjang gelombang sinar yang dipancarkan. Dengan mengukur radiasi total atau radiasi pada salah satu panjang gelombang maka temperature benda akan dapat ditentukan tanpa menyentuh benda tersebut, bahkan jika Anda berdiri agak jauh dari benda tersebut [4]. Pirometer dibagi menjadi 2, yaitu: Pirometer Radiasi dan pirometer optik. Prinsip kerja pirometer radiasi yaitu dengan mengukur radiasi total yang dipancarkan oleh benda yang diukur. Pengukuran radiasinya dilakukan dengan menggunakan sensor panas seperti termokopel, radiasi yang datang diubah menjadi panas dan akan menaikkan temperature sensor atau sebuah sel peka cahaya mengubah energy cahaya menjadi besaran listrik. Sedangkan prinsip kerja pirometeroptik yaitu dengan mengukur radiasi pada salah satu warna (panjang gelombang). Pirometer optic bekerja berdasarkan pengukuran radiasi pada suatu panjang gelombang tertentu. Radiasi ini dinyatakan oleh terang benda tersebut pada warna yang sesuai dengan panjang gelombang. Pengukuran terang benda ini dilakukan dengan cara
2
Gambar 1. Prinsip kerja pyrometer
membandingkan dengan suatu lampu standard yang terangnya dapat diatur. Dengan mengatur arus yang melalui lampu, filamen dari lampu dapat dibuat sama terang dengan benda yang akan diukur suhunya. Bila terang filament dan benda telah sama maka keduanya akan terlihat baur menjadi satu. Bila suhu salah satu lebih tinggi maka akan terlihat berbeda. Besarnya arus yang melalui filamen lampu dapat langsung dikalibrasi menjadi temperature dari benda tersebut. Faktor yang mempengaruhi ketelitian pengukuran adalah jarak dan ukuran dari target area, penyerapan radiasi oleh media udara, lensa dan lain-lain, sensivitas dari mata dalam membedakan terang [5]. II.
METODOLOGI
Metodologi pada percobaan ini, yaitu: a. Alat dan bahan Pada percobaan ini alat dan bahan yang digunakan yaitu : satu buah kompor listrik sebagai sumber kalor, penggaris sebagai alat pengukur ketinggian dan diameter, penjepit bahan sebagai alat penjepit bahan ketika diukur temperaturnya, pyrometer sebagai alat pengukur suhu bahan, stopwatch sebagai penghitung mundur waktu pemanasan bahan yang diuji. Sedangkan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah dua buah aluminium sebagai objek percobaan, dan kayu, karet, arang sebagai objek percobaan. b. Skema Alat Skema alat pada percobaan ini dapat dilihat pada gambar 2 dibawah. c. Cara kerja Langkah kerja pertama yaitu alat dan bahan disiapkan, selanjutnya dipotong kayu, karet, arang dengan ketinggian 1.5cm. Diameter dan tinggi masing-masing bahan diukur menggunakan penggaris. Setiap bahan yang akan diuji diberi tanda permukaan atas dan permukaan bawahnya untuk menghindarai kesalahan peletakan saat percobaan selanjutnya. Setelah itu, kompor dinyalakan dan bahan disusun diatas kompor listrik dengan susunan aluminium-sampel-aluminium (gambar 2). Sampel dipanaskan diatas kompor tersebut selama 10menit. Setelah itu, diukur temperatur atas dari aluminium
FISIKA LABORATORIUM
3
START
T4 T3 T2 T1
Disiapkan Alat dan Bahan Kompor listrik dinyalakan
Disusun sampel seperti gambar 2 Dipanaskan sampel selama 10 menit Diukur suhu T1, T2, T3, T4 Gambar 2. Skema percobaan
atas (T4), temperatur bawah dari aluminium atas (T3), temperatur atas aluminium bawah (T2) dan temperature bawah aluminium bawah (T1) dengan menggunakan pyrometer sehingga diketahui nilai temperatur pada setiap sisi bahan. Lalu percobaan diulangi sebanyak tiga kali, dan diulangi menggunakan sampel yang lain. Data yang diperoleh pada percobaan ini antara lain panjang bahan, luas penampang bahan, temperatur sesudah pemanasan,dan waktu pemanasan. d. Rumus Adapun pada percobaan ini, digunakan rumus berikut: qaluminium = qsampel
e. Flowchart Adapun Flowchart pada percobaan ini dapat dilihat pada gambar 3. III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a.
Analisa Data Setelah dilakukan percobaan diperoleh data sebagai berikut: Tabel 2. Data Percobaan
Bahan Kayu
Karet
Arang
r (m) 0,019
t(m) 0,017
0,0189
rata rata 0,014
0,02
rata rata 0,016
ratarata
b. Hasil perhitungan
T1(oC) 71 75 79
T2(oC) 67 69 71
T3(oC) 37 40 41
T4(oC) 36 36 39
75 82 85 89
69 71 74 75
39,33 35 37 42
37 32 33 39
85,33 57 61 88
73,33 48 56 81
38 45 36 40
34,66 34 35 39
68,66
61,66
40,33
36
Dilakukan pengulangan sebanyak 3x
Sampel diganti
Variasi bahan sudah dipakai semua?
FINISH Gambar 3. Flowchart Percobaan
Dari data hasil percobaan, dapat dihitung nilai konduktivitas termal pada bahan seperti contoh berikut: Diketahui : Laluminium = 0.015 m Lkaret = 0.014 m K aluminium = 220 W/moC A aluminium = 0,00311 m2 A karet = 0,00311 m2 T1 = 85,33ºC T2 = 73,33ºC T3 = 38ºC T4 = 34,66ºC Ditanya : k (karet) ? Jawab: Untuk mengukur konduktivitas termal dari sempel digunakan persamaan di bawah ini : Q Aluminium = Q karer
= = -2303,796 = -9,8545 Kkaret Kkaret= 233,7811 W/moC Dengan menggunakan perhitungan seperti diatas, maka didapatkan nilai konduktivitas termal pada kayu, karet, arang seperti pada tabel 3 berikut ini: Tabel 3. Hasil perhitungan
FISIKA LABORATORIUM
Bahan
Kayu
r (m)
t(m) T 1 (C) T 2 (C) T 3 (C) T 4 (C)
0,019 0,017
rata - rata
Karet
0,019 0,014
rata - rata
Arang
0,02
rata-rata
C.
4
71
67
37
36
75
69
40
36
79
71
41
39
75
69
39,33
37
82
71
35
32
85
74
37
33
89
75
42
39
85,33 73,33
0,016
38
34,66
57
48
45
34
61
56
36
35
88
81
40
39
40,33
36
68,66 61,66
A (m2)k sampel (W/m C)
0,004295
230,48
0,003905
233,78
0,004522
246,34
Pembahasan
Percobaan Uji Konduktivitas Termal dengan Pyrometer pada Kayu, Karet, dan Arang memiliki tujuan untuk menentukan nilai konduktivitas termal beberapa material serta mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada beberapa meterial. Percobaan ini menggunakan prinsip perpindahan panas secara konduksi.. Percobaan dilakukan guna menentukan besar nilai konduktivitas termal dari suatu bahan yang nantinya akan dibandingkan dengan literaturnya. Metode singkat dari percobaan ini adaah dengan mengalirkan panas pada logam uji yang telah disusun. Kemudian suhu pada masing-masing persambungannya di ukur dengan menggunakan pyrometer. Percobaan dilakukan dengan melakukan pengambilan data T(C) pada persambungan masing-masing bahan. Seharusnya T4
karet dan kayu, tidak memiliki elektron bebas, jadi tak ada pergerakan elektron yang menumbuk. Namun pada percobaan yang telah dilakukan, nilai konduktivitas dari aluminium lebih kecil daripada kayu, karet, dan arang. Hal ini mungkin terjadi suatu kesalahan dalam peletakan T1, T2, T3, dan T4 selama percobaan. Berdasarkan teori yang ada konduktivitas termal dipengaruhi oleh kandungan uap air, suhu, kepadatan dan porositas. Konduktivitas termal air 25x konduktivitas udara tenang. Oleha karena itu apabila suatu benda berpori diiisi air maka akan berpengaruh terhadap konduktivitas termal. Konduktivitas termal yang rendah pada bahan insulasi adalah selaras dengan kandungan udara dalam bahan tersebut. Pengaruh suhu terhadap konduktivitas termal suatu bahan adalah kecil. Namun secara umum, dapat dikatakan bahwa konduktivitas termal bahan akan meningkat bila suhu meningkat. Konduktivitas termal juga berpengaruh terhadap pori-pori, apabila pori-pori semakin banyak, maka konduktivitas termal rendah. Perbedaan konduktivitas termal dengan kepadatan yang sama, akan tergantung kepada perbedaan struktur yang meliputi : ukuran, distribusi, hubungan pori/lubang. Berdasarkan hasil perhitungan, didapatkan nilai konduktivitas listrik dari kayu 230,48 W/moC, karet 233,78 W/moC, arang 246,34 WS/moC. IV. KESIMPULAN Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada bahan yang digunkan adalah dipengaruhi oleh kandungan uap air, suhu, kepadatan dan porositas. Dan pada percobaan ini didapatkan nilai konduktivitas termal untuk Berdasarkan hasil perhitungan, didapatkan nilai konduktivitas listrik dari kayu 230,48 W/moC, karet 233,78 W/moC, arang 246,34 WS/moC. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada Tuhan yang Maha Esa yang telah melancarkan pembuatan laporan ini. Tak lupa juga ucapan terima kasih kepada Dina Mardiana dan Anita Dwi A. selaku asisten praktikum ini dan teman-teman, yang telah membantu proses penyelesaian laporan ini.
DAFTAR PUSTAKA [1] Kreith,Frank dan Arko prijono.prinsip-prinsip perpindahan panas.Edisi ketiga. Erlangga:Jakarta.1997. [2] Holman, J.P., dan jasjfi. Perpindahan Kalor.Edisi keenam.Erlangga:Jakarta.1997 [3] Incropera, F.P., dan Dewitt, D.P., Fundamental of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, 2002. [4] Kern, D.Q., Process Heat Transfer, Mc Graw Hill, New York, 1950. [5] McCabe, Smith dan Harriots, Unit Operations in Chemical Engineering, Mc Graw Hill,1985.
