Chapter 9. Thermal (Ekspansi, Konduktivitas, in Situ Test) [PDF]

Citation preview

9. Thermal  Ekspansi, Konduktivitas, In Situ Test (Thermal Mekanis)



Disusun oleh: Jofanka Aviliani Septin



171910101079



Gusranda Rachman



171910101082



Mohammad Thoha Khoirul Amin Basyir



171910101086



1



Chapter



9



Thermal  Ekspansi, Konduktivitas, In Situ Test (Thermal Mekanis)



Karakterisasi secara termal atau yang lebih dikenal dengan istilah analisa termal merupakan suatu metode untuk mengkarakterisasi sifat bahan yang diuji baik sifat fisik maupun sifat kimia, berdasarkan respon bahan tersebut terhadap suhu. Hal ini dilakukan dengan cara memberikan inputan berupa kalor terhadap bahan yang akan dikarakterisasi. Analisa termal ini digunakan untuk mengetahui sifat-sifat spesifik dari bahan yang diuji. Misalnya entalpi, kapasitas panas, panas jenis, koefisien ekspansi termal maupun konduktivitas termalnya. Dengan menggunakan alat karakterisasi modern, sejumlah sifat dari bahan dapat dipelajari dengan menggunakan analisa termal. Penggunaannya sampai saat ini, telah demikian bervariasi, mencakup dekomposisi termal suatu bahan, transisi fasa dan penentuan diagram fasanya. Misalnya, ekspansi termal sambungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini yang harus disertakan dalam bangunan, jalan raya beton, rel kereta api, dinding bata, dan jembatan untuk mengkompensasi perubahan dimensi yang terjadi karena perubahan suhu.



2



9.1 Ekspansi Ekspansi termal adalah perubahan dimensi suatu material akibat dari perubahan suhu pada material tersebut, efek ini diamati juga dari segi atomnya. Perhitungan untuk mengetahui koefisien ekspansi termal dilakukan dengan mengamati perubahan panjang sampel akibat kenaikan temperatur yang terjadi. Koefisien ekspansi termal adalah fraksi peningkatan volume zat per derajat peningkatan suhu. Hukum Charles memperlihatkan bahwa koefisien ini sama untuk gas dan besarnya yaitu 1/273,15 (0C)-1 pada 00C. dengan demikian peningkatan suhu sebesar 10C menyebabkan gas berekspansi sebesar 1/273,15 atau 0,366 % dari volume asalnya pada 00C, asalkan tekanannya tetap. Sedangkan koefisien ekspansi padatan dan cairan jauh lebih kecil. Koefisien ekspansi termal padatan umumnya kurang dari 0,02 % per derajat celcius. (almond, joseph F. dan james H. pielert.2006. Significance of tests and properties of concrete & concrete making material. West conhohocken : ASTM International). (oxtoby, davcid M. 2005. dkk. Prinsip prinsip kimia modern. Jakarta: erlangga). Besarnya koefisien ekspansi termal dipengaruhi oleh pori pada suatu material (Iskandar, Soetyono. 2014. Perpindahan panas. Yogyakarta: Deepublish) Koefisien ekspansi termal adalah fraksi peningkatan volume zat per derajat peningkatan suhu. Suhu 450 ℃ ditahan selama 10 menit / 10 mm tebal material. ∝=



∆𝐿/∆𝐿𝑖 ∆𝑇



Dengan, ∆𝐿 = Panjang Awal ∆𝐿𝑖 = Panjang Akhir ∆𝑇 = Perbedaan suhu



Beberapa macam koefisien ekspansi: 



Koefisien ekspansi linier Adalah suatu perubahan panjang material akibat perlakuan panas yang diberikan menjadi bertambah. 3



Eksperimen : perubahan panjang ΔL berbanding lursdengan perubahan temperatur ΔT



L  Lo T -1



 : kontanta ekspansi linier (C) Persamaan di atas dapat ditulis



L  Lo1+T)







Koefisien ekspansi luas Adalah suatu perubahan panjang dan lebar material akibat perlakuan panas yang diberikan menjadi bertambah.



4







Koefisien ekspansi volumetric 



Pemuaian dalam tiga dimensi adalah pemuaian kubik atau volume.



Pemuaian volume pada suatu bendayang mengalami perubahan suhu berbanding lurus dengan volume mula-mula berbanding lurus dengan perubahan suhu T dan berbanding lurus dengan koefisien muai volume (). Secara sistematis dapat dinyatakan dengan:



V   Vo T : koefisien muai volume



5



Hubungan  dengan  



= (1/V) (dV/dT) = (1/L3) {(3L2)(dL/dT) = (3/L) (dL/dT) =3



Jika terdapat bangun ruang dengan volume V, maka koefisen muai volumenya adalah  = (V / VOT) Koefisen muai volume tergantung pada jenis zat dan temperatur juga. Jika terdapat suatu benda dengan bentuk ruang yang dipanaskan, maka terjadi perubahan volume pada benda tersebut sebesar: V = VO + V V = VO + VOT Sehingga V = VO(1 + T) Dimana V = Volume benda setelah mengalami perubahan suhu (m3) VO = Volume benda mula-mula (m3)  = Koefisein muai volume (/oC) V = Pertambahan volume (m3) Tabel Ekspansi



6



9.2 Konduktivitas Konduktivitas atau keterhantaran termal, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Konduksi termal adalah suatu fenomena transport dimana perbedaan temperatur menyebabakan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang di transfer dari satu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduktivitas termal merupakan persamaan laju aliran panas dikali jarak persatuan luas dan perbedaan suhu.



𝐾=



𝑄 𝐿 × 𝑡 𝐴 × ∆𝑇



Dimana : Q = panas A = luas permukaan ∆T = perbedaan temperatur ∆t = waktu selama panas terjadi L = ketebalan dari material k = konduktivitas termal dari material. 7



Konduksi termal merupakan 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: 1. 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. 2. Konveksi terjadi karena gerakan massa molekul dari satu tempat ke tempat lain. Konveksi terjadi perpindahan molekul dalam jarak yang jauh. 3. Radiasi adalah perpindahan panas tanpa memerlukan medium. 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



= 𝑘𝐴



∆𝑇 ∆𝑥



Dalam kasus perubahan temperatur sebagai akibat perubahan posisi yang sangat kecil di mana Δx



0, maka berlaku:



(𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑑𝑇 = 𝑑𝑥 𝑥 Bila garis dari aliran panas adalah paralel , maka gradien temperature (kuantitas fisik yang menggambarkan ke arah mana dan berapa tingkatsuhu perubahan yang paling cepat di seluruh lokasi tertentu) pada setiap penampang adalah sama. Untuk kondisi ini jumlah panas yang dikonduksikan persatuan waktu dapat dituliskan dalam bentuk :



(𝑇2 − 𝑇1 ) ∆𝑄 = 𝑘𝐴 ∆𝑡 ℎ 8



Dimana : ∆Q = energi panas total yang dikonduksikan A = luas dimana konduksi mengambil tempat ∆T = perbedaan temperatur dua sisi dari material ∆t = waktu selama konduksi terjadi H = ketebalan dari material K = konduktivitas termal dari material. 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. Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 ℃ :



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 9



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 tabel.Sebagai contoh, nilai untuk wol kaca(glass wol) ialah 0.038W/m ℃ dan untuk kaca jendela 0.78 W/m ℃ . Pada suhu tinggi , perpindahan energi 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.Karena itu nilai dari konduktivitas termal menjadi penting untuk dibahas. Nilai konduktivitas termal suatu material dapat ditentukan melalui pengukuran tak langsung.Dalam teknik pengukuran konduktivitas termal, suatu plat material yang akan diuji di jepitkan di antara satu ruang uap (stem chamber) dengan mempertahankan temperatur konstan sekitar 100 ℃ dan satu blok es yang di pertahankan pada temperature. 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). Dalam sistem CGS



kalor lebur es adalah 80 kal/gram. Karena itu



konduktivitas termal dari suatu material dapat ditentukan menggunakan persamaan:



𝐾=



𝑀𝑒𝑠 𝐾 𝐴 ∆𝑇 ∆𝑡



9.2.1 Sifat Termal Bahan Sejumlah energi bisa ditambahkan ke dalam material melalui pemanasan, medan listrik, medan magnet, bahkan gelombang cahaya seperti pada peristwa photo listrik yang telah kita kenal. Tanggapan padatan terhadap macam-macam tambahan energi tersebut tentulah berbeda.Pada penambahan energi melalui pemanasan misalnya, tanggapan padatan termanifestasikan mulai dari kenaikan temperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besar energi yang masuk. 10



Pada peristiwa photolistrik tanggapan tersebut termanifestasikan sebagai emisi elektron dari permukaan metal tergantung dari frekuensi cahaya yang kita berikan, yang tidak lain adalah besar energi yang sampai ke permukaan metal. Dalam mempelajari sifat non-listrik material, kita akan mulai dengan sifat thermal, yaitu tanggapan material terhadap penambahan energi secara thermal (pemanasan). Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal; yang pertama adalah penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom atau ion di sekitar posisi keseimbangannya, dan yang kedua berupa energi kinetik yang dikandung oleh electron bebas.Ditinjau secara makroskopis, jika suatu padatan menyerap panas maka energi internal yang ada dalam padatan meningkat yang diindikasikan oleh kenaikan temperaturnya.Koefisien daya hantar berlainan dengan koefisien muai panas, walaupun keduanya dipengaruhi oleh suhu. Naiknya suhu suatu bahan atau material, maka akan mengakibatkan perubahan susunan atom yang mengiringi pencairan dan pengaturan kembali susunan atom yang diakibatkan perubahan suhu, yang pada akhirnya akan mengganggu daya hantar panas bahan tersebut. Sifat termal merupakan sifat yang menunjukkan respon material terhadap panas yang diterima suatu bahan atau material.Untuk mengetahui sifat termal suatu bahan, maka perlu dibefakan antar temperature dengan kandungan kalor. Temperatur atau suhu adalah tinggi rendahnya (level )thermal dari suatu aktivitas, sedangkan kandungan kalor adalah besarnya energi thermal. Suatu benda dapat mengalami muai panas (Thermal Expansion), yaitu pemuaian yang dialami bahan ketika mengalami perlakuan termal.Besarnya pemuaian bahan / material ditentukan oleh jenis benda, ukuran benda mula-mula, dan besarnya kalor yang diberikan.Pemuaian ini dapat mengakibatkan pertambahan panjang (∆l) dan juga pertambahan volume.Daya hantar panas(Thermal Conductivity) merupakan kemampuansuatu material atau bahan dalam meneruskan panas, yang biasanya terjadi pada benda padat, dan biasanya terjadi secara konduksi.Jadi perubahan energi pada atom-atom dan electron bebas menentukan sifat-sifat thermal padatan. Sifat-sifat thermal yang akan kita bahas adalah kapasitas panas, panas spesifik, pemuaian, dan konduktivitas panas. 9.2.2 Panas Spesifik Panas spesifik (specific heat) adalah kapasitas panas per satuan massa per derajat K, yang juga sering dinyatakan sebagai kapasitas panas per mole per derajat K. Untuk



11



membedakan dengan kapasitas panas yang ditulis dengan huruf besar (Cv dan Cp), maka panas spesifik dituliskan dengan huruf kecil (cv dan cp). 9.2.3 Faktor Konduktivitas Termal a. Suhu, konduksi termal akan meningkat seiring dengan kenaikan suhu b. Kandungan uap air, konduksi termal akan meningkat seiring meningkanta kandungan kelembaman.Bila nilai (k) besar maka merupakan pengalir yg baik,tetapi bila nilai (k) kecil maka bukan pengalir yg baik. c. Berat jenis, nilai konduktifitas termal akan berubah bila berat jenisnya berubah. Semakin tinggi berat jenis makan semakin baik pengalir konduktifitas tersebut. d. Keadaan pori-pori bahan, bila semakin besar rongga maka akan semakin buruk konduktifitas termalnya. 9.2.4 Mekanisme Konduktivitas Termal Panas diangkut dalam bahan padat oleh kedua gelombang getaran kisi (fonon) dan elektron bebas. Konduktivitas termal berhubungan dengan masingmasing mekanisme ini dan konduktivitas total jumlah kontribusi keduanya.Dimana k1 mewakili getaran kisi dan konduktivitas termal elektron.energi termal yang terkait dengan fonon atau gelombang kisi diangkut dalam arah gerak mereka. Hasil kontribusi k1 dari gerakan bersih fonon dari tinggi ke suhu rendah dari tubuh dalam gradiens suhu. Elektron bebas dapat berpartisipasi dalam konduksi termal elektronik, dengan elektron bebas di daerah spesimen panas



smapai mendapatkan keuntungan energi



kinetik.kemudian bermigrasi ke daerah dingin, di mana beberapa energi kinetika akan dipindahkan ke atom sendiri (sebagai energi getaran) sebagai akibat tumbukan dengan fonon atau ketidaksempurnaan lain dalam kristal. Kontribusi relatif ke, untuk meningkatkan total konduktivitas termal dengan meningkatnya konsentrasi elektron bebas, karena lebih banyak elektron yang tersedia untuk berpartisipasi dalam proses transferrence panas. 9.2.5 Koefisien Muai Linier Peristiwa yang mengikuti penambahan temperatur pada bahan adalah perubahan ukuran dan keadaannya. Gaya antar atom dipandang sebagai kumpulan pegas yang menjadi penghubung antar atom bahan. Pada setiap temperatur atom padatan tersebut akan bergetar. Kenaikan temperatur akan mengakibatkan penambahan jarak rata-rata atar atom bahan. Hal 12



ini mengakibatkan terjadinya pemuaian (ekspansi) pada seluruh komponen padatan tersebut.Perubahan ukuran pada dimensi linier disebut sebagai muai linier. Jika panjang dimensi linier bahan adalah l, maka perubahan panjang akibat perubahan temperatur ∆T adalah sebesar ∆l. Untuk perubahan temperatur yang kecil, maka pertambahan panjang pada temperatur tertentu (lt)



akan sebanding dengan perubahan



temperatur dan panjang mula-mula (l0 ).α adalah koefisien muai linier yang memiliki nilai berbeda untuk masing-masing bahan. 9.2.6 Aplikasi Pengukuran Konduktivitas Pengukuran konduktivitas dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu larutan kimia atau elektrolit seperti larutan NaCl, HCl, H2SO4, dan NaOH. Pengukuran konduktivitas secara luas digunakan dalam industri pengolahan air. Pengolahan air limbah industri untuk menentukan tingkat kontaminasi air dan lain-lain. 9.2.7 Satuan Konduktivitas Hantaran listrik merupakan kebalikan dari tahanan (resistanse) bila tahanan mempunyai satuan dasar ohm maka satuan dasar hantaran adalah “ohm” atau biasa ditulis “Siemen/cm”, pada pengukuran konduktivitas air dan larutanlarutan kimia umumnya digunakan satuan Volt atau mV. 9.2.8 Alat Ukur Konduktivitas Pengukuran konduktivitas dapat dilakukan dengan menggunakan arus listrik yang dialirkan pada dua elektroda yang dicelupkan kedalam air atau larutan kimia, dan mengukur tegangan yang dihasilkan. Selama proses ini ,kation berpindah ke elektroda negative dan anion berpindah ke elektroda positif , larutan bertindak sebagai penghantar listrik. Beberapa jenis khusus konduktivimeter menggunakan arus listrik bolakbalik (AC). Pada frekwensi optimal dengan dua elektroda aktif dan mengukur beda tegangan yang dihasilkan suatu larutan. Kuat arus dan beda tegangan digunakan untuk menghiutng hantaran listrik (Conductance). Conductance = I/V.Konduktivitimeter kemudian menggunakan konduktance dan cell konstan untuk menampilkan nilai konduktivitas. Nilai konduktivitas merupakan ukuran terhadap konsentrasi total elektrolit di dalam air.Kandungan elektrolit yang pada prinsipnya merupakan garam-garam yang terlarut dalam



13



air, berkaitandengan kemampuan air di dalam menghantarkan arus listrik.Semakin banyak garam-garam yang terlarut semakin baik daya hantar listrik air tersebut. Air suling yang tidak mengandung garam-garam terlarut dengan demikian bukan merupakan penghantar listrik yang baik. Selain dipengaruhi oleh jumlah garam-garam terlarut, konduktivitas juga di pengaruhi oleh temperatur.



9.3 In Situ Test Biasanya mengacu pada metode pengumpulan data atau manipulasi sampel tanpa terkena lingkungan eksternal. Misalnya, rekonstruksi permukaan Si (111) 7x7 terlihat menggunakan mikroskop tunneling pemindaian saat disiapkan dan dianalisis secara in situ. Ada beberapa perlakuan panas, anatara lain: annealing, quenching, dan tempering. Contoh adalah annealing merupakan proses pemanasan bahan yang ditahan pada suhu tertentu, kemudian didinginkan secara pelan-pelan sampai suhu kamar. Jika pada bahan dilakukan annealing, dimungkinkan struktur intern logam akan berubah secara permanen. Oleh karenanya dimungkinkan bahan yang diannealing akan mengalami perubahan sifat mekaniknya. Menyediakan: - data desain alternatif - properti in-situ tempat pengambilan sampel tidak terganggu itu tidak mungkin - Volume material yang besar



Metode: - Tes Penetrasi Standar (SPT) - Cone Penetration Test (CPT) - Tes Pressuremeter - Tes dilatometer - Metode lain (geser baling-baling, permeabilitas, dll.)



14



Contoh Soal Sebatang baja bersuhu 20 ℃ memiliki panjang 40 cm. Koefisien muai panjang baja 105 ℃-1. Pertambahan panjang baja dan panjang akhir baja pada suhu 70 ℃ adalah... Jawab Pertambahan panjang (ΔL) ΔL = α L1 ΔT ΔL = (10-5 ℃-1)(40 cm)(50 ℃) ΔL = (10-5)(2 x 103) cm ΔL = 2 x 10-2 cm ΔL = 2 / 102 cm ΔL = 2 / 100 cm ΔL = 0,02 cm Panjang akhir (L2) L2 = L1 +ΔL L2 = 40 cm + 0,02 cm L2 = 40,02 cm



Suatu logam mengalami perubahan suhu dari 30℃ menjadi 80℃. Jika panjang akhir logam adalah 115 cm dan koefisien muai panjang logam 3.10-3 ℃-1, maka panjang awal logam dan pertambahan panjang logam adalah….. Jawab Pertambahan suhu (ΔT) = 80℃ – 30℃ = 50℃ Panjang akhir (L2) = 115 cm Koefisien muai panjang logam (a) = 3.10-3 ℃-1 Ditanya : Panjang awal (L1) dan pertambahan panjang (ΔL) Panjang awal (L1) Rumus pertambahan panjang : ΔL = α L1 ΔT Rumus panjang akhir : L2 = L1 +ΔL L2 = L1 + α L1 ΔT L2 = L1 (1 + α ΔT) 115 cm = L1 (1 + (3.10-3 ℃-1)(50℃) 15



115 cm = L1 (1 + 150.10-3) 115 cm = L1 (1 + 0,15) 115 cm = L1 (1,15) L1 = 115 cm / 1,15 L1 = 100 cm Pertambahan panjang (ΔL) ΔL = L2 – L1 ΔL = 115 cm – 100 cm ΔL = 15 cm



16



DAFTAR PUSTAKA LF, Teguh. 2018. Thermal. https://www.scribd.com/document/374029459/Thermal (diakses 5 Mei 2019) Taqiani, Ahmad. 2014. Ekpsansi Termal zat padat dan cair. http://softonezero.blogspot.com/2014/01/ekspansi-termal-zat-padat-dan-zat-cair.html (diakses 5 Mei 2019) Miyantini. 2018. Koefisien Ekspansi Termal. https://www.scribd.com/document/392762982/KOEFISIEN-EKSPANSI-TERMAL (diakses 5 Mei 2019) Yuwono, Lanny. 2018. Konduktivitas Termal. https://docplayer.info/72559567Konduktivitas-termal.html (diakses 6 Mei 2019) Alim, Muhammad Istajirul, dkk. 2017. https://istajarul.weebly.com/uploads/7/3/2/6/.../laporan_konduktivitas_termal.pdf (diakses 6 Mei 2019) Zebua. Edo. 2018. Konduktivitas termal. https://www.academia.edu/11755065/Konduktivitas_termal (diakses 5 Mei 2019) Ratno, Dwi. 2018. Berikut ini nilai konduktivitas termal beberapa benda. https://www.coursehero.com/file/p4o9tp8/Berikut-ini-nilai-konduktivitas-termal-beberapabenda-yang-diperoleh/ (diakses 5 Mei 2019)



17