Konduktivitas Thermal Bahan [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Kalor merupakan energi termal yang dimiliki oleh suatu zat yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Energi termal dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain dengan cara konduksi, konveksi maupun radiasi. Konduksi merupakan proses berpindahan kalor tanpa materinya ikut berpindah. Pada zat padat, Untuk mendapatkan nilai dan harga konduktivitas suatu bahan dapat diselesaikan dengan persamaanpersamaan yang merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas thermal. Berdasarkan rumusan itu maka dapat dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan konduktivitas thermal bagi bahan. kemampuan



suatu



bahan



untuk



menghantarkan



kalor



disebut



konduktivitas termal.



Dalam kegiatan praktikum menentukan konduktivitas bahan termal



logam, umumnya dilakukan dengan cara menggunakan



memanaskan batang logam dengan panas uap air dari ketel air yang dipanaskan. Kemudian diukur suhunya dengan menggunakan termometer raksa. Akan menjadi cukup berbahaya jika uap air yang panas mengenai tubuh yang bisa menyebabkan rasa terbakar. Alat ukur yang digunakan kurang presisi karena respon termometer raksa kurang baik. Bila tabung kacanya pecah, raksa bisa berbahaya bila terkena kulit atau bagian tubuh.



1.2 Tujuan Percobaan 1. Untuk menentukan konduktivitas termal bahan. 2. Untuk mengetahui karakteristik dan fenomena yang terjadi pada mekanisme perpindahan panas secara konduksi. 3. Untuk mengetahui karakteristik dari alat uji konduktivitas termal.



BAB II TINJAUAN PUSTAKA



2.1 Teori Dasar Konduktivitas termal adalah ilmu untuk mengetahui perpindahan energi karena perbedaan suhu diantara benda atau material, dan juga menunjukan baik buruknya suatu material. Material yang dapat menghantarkan panas dengan baik disebut konduktor sedangkan yang kurang baik disebut isolator. Konduktivitas termal merupakan fungsi suhu dan akan berubah atau bertambah sedikit kalau suhu naik, akan tetapi variasinya kecil dan sering dapat diabaikan. Nilai konduktivitas bahan 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=



Keterangan :



K



= Konduktivitas termal



Ro = Laju pencairan es L



= Kalor lebur es



A



= Luas permukaan



∆T = Perpindahan suhu



RoLH AT



Konduktivitas termal merupakan fenomena transport dimana perpedaan temperature menyebabkan transfer energy termal dari suatu daerah panas ke daerah lain yang lebih rendah suhunya hingga terjadi keseimbangan termal. Keseimbangan panas terjadi apabila panas sama dengan jumlah panas benda yang dipanaskan dengan panas yang disebarkan oleh benda tersebut ke medium sekitarnya.



Dalam penyelidikan konduktivitas termal, jumlah panas yang dikonduksikan melalui material per satuan waktu, di rumuskan dengan: ∆Q/∆T = K A (∆T/∆x) H = K A (∆T/∆x) Keterangan : H: laju aliran panas K: nilai konduktivitas termal A: luas penampang ∆T: perubahan panas ∆x: panjang material



Perpindahan



panas



pada



umumnya



mengenal



tiga



cara



perpindahan panas yaitu konduksi (conduction, juga dikenal dengan istilah hantaran), konveksi (convection, juga dikenal dengan istilah aliran), radiasi (radiartion).



2.2



Perpindahan Panas Dengan Cara Konduksi Yang dimaksud dengan konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi antara medium padat (solid). Jika salah satu ujung sebuah batang.



Gambar 2.1 Perpindahan Energi Panas Isolasi adalah metode atau proses yang digunakan untuk mengurangi perpindahan panas (kalor). Bahan yang digunakan untuk mengurang laju perpindahan itu disebut isolator. Energi panas (kalor) dapat ditransfer secara konduksi, konveksi, da radiasi. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupnya, tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.



Isolator thermal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh agar lebih lama hangat dari sewajarnya. Tetapi itu tidak mencegah hasil akhir yaitu masuknya dingin dan keluarnya panas (kalor).



Diletakkan dalam nyala api sedangkan ujung yang satu lagi dipegang bagian batang yang dipegang ini akan terpaksa terasa makin lama makin panas, walaupun tidak kontak langsung dengan nyala api. Dalam hal ini dikatakan bahwa panas sampai di ujung batang yang lebih dingin dengan cara konduksi (hantaran) sepanjang atau melalui bahan itu.



Konduksi panas hanya dapatterjadi dalam suatu benda apabila ada bagian - bagian benda - benda itu berada pada suhu yang tidak sama, dan arah aliranya selalu dari titik yang suhunya lebih tinggi ke titik yang suhunya lebih rendah.



2.3



Perpindahan Panas Dengan Cara Konveksi



Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik. Perpindahan kalor secara konduksi biasanya terjadi pada benda padat atau benda padat ke benda cair (benda cair ke benda padat) atau benda padat ke benda gas (benda gas ke benda padat). Sedangkan perpindahan kalor secara konveksi biasanya terjadi pada benda cair (misalnya air) dan benda gas (misalnya udara).



Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan benda. Agar lebih memahami perpindahan kalor secara konveksi, ditinjau sebuah kasus, misalnya air yang dipanaskan menggunakan api. Ketika air di dalam sebuah wadah dipanaskan dengan api, kalor berpindah dari api (suhu tinggi) ke wadah (suhu rendah) secara konduksi dan radiasi. Contoh perpindahan panas secara konveksi:



2.4



•



Gerakan naik turunnya air yang sedang mendidih saat direbus



•



Gerakan naik turunnya kacang hijau, beras, kedelai saat direbus



•



Terjadinya angin darat dan laut



•



Gerakan balon udara



•



Asap pada cerobong asap bergerak naik



Perpindahan Panas Dengan Cara Radiasi Bila kita menempelkan tangan pada permukanan radiator air panas atau radiator uap, panas akan sampai ketangan kita karena konduksi lewat dinding radiator. Jika tangan ditempatkan diatas radiator tapi tidak menyinggungnya, panas - panas itu akan sampai ditangan kita karena arus konveksi udara panas ke atas. Jika didekatkan pada samping radioator, tangan masih tetap terasa panas, walaupun konduksi lewat udara kecil sekali dan tangan tidak berada di jalan arus arus konveksi .dalam hal ini energi mapan mencapai tangan karena radiasi.



Istilah radiasi maksudnya ialah pancaran (emisi) energi terus menerus dari permukaan suatu benda . energi ini dinamakan energi radian dalam bentuk gelombang elektro magnet, gelombang ini bergerak secepat kecepatan cahaya dan dapat melewati ruang hamapa, persatuan waktu dan per satuan luas bergantung sifat permukaan yang bersangkutan dan pada suhunya, pada suhu rendah banyaknya radiasi kecil dan panjang gelombangnya relatif panjang. Jika suhu naik banyaknya radiasi bertambah dengan cepat, sebanding dengan suhu mutlak pangkat empat.



Perpindahan panas merupakan perpindahan energi akibat adanya perbedaan temperatur (T), dimana energi tersebut berpindah karena adanya interaksi sistem terhadap lingkungan sekelilingnya. Secara umum laju perpindahan panas yang terjadi akan sebanding dengan perubahan temperatur, jika perubahan temperatur yang terjadi cukup besar, maka laju perpindahan panas yang terjadi juga besar dan begitu juga sebaliknya.



Mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada pengujian ini adalah secara konduksi dan konveksi, tetapi pada percobaan ini fenomena yang diperhatikan adalah mekanisme perpindahan panas secara konduksi. 2.5



Konduktivitas Termal Konduktivitas Termal (h) adalah properti intrinsik dari suatu material yang berkaitan kemampuannya untuk melakukan panas. Perpindahan panas secara konduksi melibatkan transfer energi dalam material tanpa gerak materi secara keseluruhan. Konduksi terjadi ketika gradien suhu ada dalam media padat ( stasioner cairan). Aliran panas konduktif terjadi di arah penurunan suhu karena suhu yang lebih tinggi setara dengan energi molekul yang lebih tinggi atau gerakan molekul lebih. Energi yang ditransfer dari lebih energi ke molekul kurang energik.



Konduktivitas termal didefinisikan sebagai jumlah panas (Q) ditularkan melalui ketebalan unit (L) dalam arah normal ke permukaan satuan luas (A) karena suhu gradien unit (Δ T) dalam kondisi steady state dan pada saat perpindahan panas hanya tergantung pada gradien suhu. Dalam bentuk persamaan ini menjadi sebagai berikut: Konduktivitas termal = panas × jarak / (luas × gradien suhu)



λ = Q × L / (A x ΔT)



Panas atau kalor adalah salah satu bentuk energi, yaitu energi panas. Jika suatu benda melepaskan kalor pada benda lain maka kalor yang diterima benda lain sama dengan kalor yang dilepas benda itu. Pernyataan ini disebut juga sebagai asas black, yaitu jumlah kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima. Perpindahan Kalor adalah bentuk kalor yang dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Sedangkan kalor ini merupakan suatu bentuk energy atau dapat juga didefinisikan sebagai jumlah panas yang ada dalam suatu benda. Panas dapat berpindah melalui radiasi, konveksi dan konduksi. Media yang digunakan dalam perpindahan panas bisa berupa zat padat, cair maupun udara (gas). Perpindahan panas dalam bentuk kalor dapat terjadi diberbagai tipe proses baik secara kimia maupun fisika. Perpindahan panas sering terjadi dalam berbagai unit operasi. Seperti lumber of foods, alcohol distillation, burning of fuel, dan evaporation.



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, dimana terdapat elektron bebas yang bergerak dalam stuktur kisi bahan –



bahan , maka elektron di samping dapat mengangkut muatan muatan listrik, dapat pula membawa energy termal .



Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya. Dengan demikian, umpamanya seorang tukang hembus kaca dapat memegang suatu barang kaca, yang beberapa cm lebih jauh dari tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya dapat berubah.



Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi termal. Apabila nilai koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil. Konduksi termal adalah suatu fenomena transport di mana perbedaan temperatur menyebabkan transfer energy termal dari suatu 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.



Konduktivitas thermal dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya yaitu suhu, kepadatan dan porositas, serta kandungan uap air. Pengaruh suhu terhadap konduktivitas thermal kecil. Namun secara keseluruhan 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.



Proses transfer energi oleh kalor juga dapat disebut konduksi atau konduksi termal. Dalam proses ini, transfer dapat diwakili pada skala atom sebagai pertukaran energi kinetik antara partikel mikroskopismolekul, atom, dan elektron bebas di mana partikel kurang energik mendapatkan energi dalam tumbukan dengan partikel yang lebih energik. Misalnya, jika Anda memegang salah satu ujung batang logam panjang dan masukkan ujung lainnya ke api, anda akan menemukan bahwa suhu logam di tangan anda segera meningkat. Partikel-partikel ini, pada gilirannya, bertabrakan dengan tetangganya dan mentransfer sebagian energinya dalam tumbukan. Perlahan-lahan, amplitudo getaran atom-atom logam dan elektron-elektron jauh dan jauh dari peningkatan api sampai akhirnya atom dan elektron berada pada logam di dekat tangan Anda yang terpengaruh. Saluran pengeluaran medium pemanas ada dua macam tergantung rangkaian pelat yang digunakan,baik itu seri maupun parallel. Pada rangkaian seri produk yang masuk akan melewati ports pada bagian fronts head yang sama. Sedangkan pada rangkaian parallel produk dan medium pemanas akan masuk dan keluar melalui bagian yang berbeda, yaitu masuk pada bagian fronts head keluar yang melalui poros pada bagian belakangnya.



Bahan yang tidak dapat dapat menghantarkan panas disebut isolator panas. Beda yang termasuk bahan isolator panas terbuat dari kayu dan plastic.



Gambar 2.2 konduktivitas thermal



Tingkat konduksi termal tergantung pada sifat bahan yang dipanaskan. Sebagai contoh, adalah mungkin untuk memegang sepotong asbes dalam nyala api tanpa batas, yang menyiratkan bahwa sangat sedikit energi yangdikonduksikan melalui asbes. Secara umum, logam merupakan konduktor termal yang baik dan bahan-bahan seperti asbes, gabus, kertas, dan fiberglass adalah konduktor yang buruk.



Gas juga adalah konduktor yang buruk karena jarak pemisah antara partikel begitu besar. Logam merupakan konduktor termal yang baik karena mengandung sejumlah besar elektron yang relatif bebas bergerak melalui logam sehingga dapat mengangkut energi dalam jarak yang panjang. Oleh karena itu, dalam konduktor yang baik seperti tembaga, konduksi terjadi melalui kedua getaran atom dan gerakan elektron bebas. Konduksi hanya terjadi jika ada perbedaan suhu antara dua bagian dari media konduksi. Pertimbangkan lempengan bahan dengan ketebalan ∆x dan luas penampang melintang A. Satu sisi slab adalah pusat pada suhu Tc, dan sisi lain berada pada temperatur ThTc (Gambar 2.2). Secara eksperimen, ditemukan bahwa energi Q mentransfer dalam interval waktu ∆t dari bagianyang panas ke bagian yang dingin. Tingkat P = Q/∆t di mana transfer energi terjadi ditemukan sebanding dengan luas permukaan dan perbedaan suhu ∆T = Th - Tc dan berbanding terbalik dengan ketebalannya:



P = Q/∆t ∞ A (∆T/∆t) Perhatikan bahwa P memiliki satuan watt ketika Q dalam joule dan ∆t dalam detik. Itu tidak mengherankan karena P adalah Daya, laju perpindahan energi Kalor. Untuk lempengan sangat kecil ketebalan dx dan perbedaan temperatur dT, kita dapat menulis kanhukum konduksi termal:



Zat-zat yang merupakan konduktor termal yang baik memiliki nilai konduktivitas termal besar, sedangkan isolator termal yang baik memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah. Daftar konduktivitas termal untuk berbagai zat. Perhatikan bahwa logam umumnya merupakan konduktor termal lebih baik daripada non logam.



Berdasarkan formulanya, konduktivitas termal suatu bahan ditentukan oleh tingginya tingkatan nilai suhu benda, yang juga menunjukkan laju perpindahan energi benda tersebut. Dari struktur atau komposisi material juga dapat menentukan nilai konduktivitas termal bahan. Adapun kategori bahan dapat dikelompokkan bersifat konduktor adalah : 1) Konduktivitasnya cukup baik. 2) Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi. 3) Koefisien muai panjangnya kecil. 4) Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar.



Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain: 1) Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.



2) Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanisnya. 3) Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).



Sedangkan untuk bahan isolator memiliki sifat-sifat bahan sebagai berikut : 1. Sifat Kelistrikan Bahan penyekat mempunyai tahanan listrik yang besar. Penyekat listrik ditujukan untuk mencegah terjadinya kebocoran arus listrik antara kedua penghantar yang berbeda potensial.



2. Sifat Mekanis Mengingat luasnya pemakaiannya pemakaian bahan penyekat, maka dipertimbangkan kekuatan struktur bahannya. Dengan demikian, maka kita harus menggunakan bahan dari kain daripada kertas. Bahan kain lebih kuat terhadap tarikan daripada bahan kertas.



3. Sifat Termis Panas yang ditimbulkan dari dalam oleh arus listrik atau oleh arus gaya magnet, berpengaruh terhadap kekuatan konduktivitas bahan sampel. Demikian panas yang berasal dari luar (alam sekitar).



4. Sifat Kimia Panas yang tinggi yang diterima oleh bahan penyekat dapat mengakibatkan perubahan susunan kimia bahan. Demikian juga pengaruh adanya kelembaban udara, basah yang ada di sekitar bahan sampel.



Adapun bahan yang tergolong kedalam bahan isolator adalah :



1) Bahan tambang (batu pualam, asbes, mika, dan sebagainya) 2) Bahan berserat (benang, kain, kertas, prespon, kayu, dan sebagainya) 3) Gelas dan keramik 4) Plastik 5) Karet, bakelit, ebonit, dan sebagainya 6) Bahan yang dipadatkan.



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, dimana 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 dalam daerah bersuhu rendah, sebagaimana halnya dalam gas. Bahkan elektron ini sering di sebut gas elektron (electron gas).



Energi dapat pula berpindah berbagai 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 halnya tembaga, alumunium dan perak. Sebaliknya isolator listrik yang baik merupakan isolator kalor pula.



Konduktivitas termal beberapa zat padat tertentu. Pada benda logam perpindahan panas melalui getaran kisi dan melalui electron bebas sedangkan pada benda non logam perpindahan panas hanya melalui getaran kisi saja, oleh karena itu perpindahan panas dalam pada logam lebih cepat daripada perpindahan panas pada benda non logam.



Proses pemanasan ini terjadi dengan adanya medium pemanas yang mengalir pada saluran dan pelat yang lainnya. Dimana pelat yang telah



tersusun ini akan secara bergantian mengalirkan produk dan medium pemanas. Pelat yang dialiri produk tidak akan dialiri oleh komponen lain.



Cairan panas yang melintasi bagian bawah head dialirkan ke atas melintasi diantara setiap plae genap sementara cairan dingin pada bagian puncak head dialirkan turun diantara plat-plat ganjil.Arah aliran produk dan medium pemanas di dalam pelat biasanya berbeda atau boleh dikatakan mengalir secara berlawanan.



Pada umumnya produk akan masuk melalui saluran



atas dan



mengalir kebawah melewati pelat, sehingga aliran keluaran produk akan berada dibawah, sedangkan medium pemanas akan masuk melalui saluran yang berkebalikan dari produk, yaitu masuk melalui saluran bawah dan mengalir ke atas melewati pelat, sehingga aliran pengeluaran medium pemanas akan berada diatas. Arah aliran yang berlawanan ini dimaksudkan agar proses pemanasan dapat lebih cepat berlangsung.



Saluran pengeluaran medium pemanasan dan produk ada dua macam tergantung dari rangkaian pelat yang digunakan, baik itu seri maupun paralel. Pada rangkaian seri produk yang masuk dan keluar akan melewati ports pada bagian front head yang sama. Sedangkan pada rangkaian paralel produk dan medium pemanas akan masuk dan keluar melewati bagian yang berbeda, yaitu masuk melewati ports pada bagian front head dan keluar melalui ports pada bagian belakangnya.



Produk yang mengalir pada suatu pelat akan terhimpit oleh medium pemanas dengan arah aliran yang berbeda, sehingga produk akan cepat memanas karena tertekan oleh pelat yang mengalirkan medium pemanas. Produk yang telah menjadi panas dan medium yang telah mengalir pada suatu pelat akan mengalir keluar pada suatu pelat.



BAB III METEDOLOGI PENGUJIAN



1. Solder



: Elemen pemanas



2. Spesimen



: Benda yang akan diuji



3. Pompa



: Untuk memompa air



4. Termokopel



: Sebagai sensor temperatur



5. Air



: Sebagai media pendingin



3.2 Alat dan Fungsinya



1. Spesimen



Gambar 3.2 Spesimen uji Berfungsi sebagai hantaran panas



2. Thermometer Digital



Gambar 3.3 Thermometer Digital Berfungsi sebagai alat pengukur panas yang dihubungkan dengan thermokopel. 3. Thermokopel



Gambar 3.4 Thermokopel Berfungsi sebagai sensor panas dari bahan yg diuji untuk dapat dihubungkan dengan thermometer.



3.3 Prosedur Percobaan



1. Memeriksa semua peralatan atau rangkaian apakah sudah terpasang dengan baik dan benar serta pastikan untuk siap melakukan pengujian. 2. Spesimen yang akan diuji diletakkan diantara bahan standar dan pastikan pemasangannya baik. 3. Menghubungkan termokopel dengan termometer digital pada tiap titik pengukuran. 4. Menghidupkan pompa sehingga air dapat bersikulasi pada bahan standar. 5. Menghidupkan elemen pemanas dan mengatur temperartur bahan standar sesuai dengan keperluan pengujian. 6. Mencatat temperatur pada tiap titik pengujian. 7. Untuk pengujian sample berikutnya tukar spesimen yang akan diuji, kemudian bandingkan bahan standar. Mengulangi prosedur dari awal.



3.4 Parameter Pengujian



1. Beda temperatur rata-rata TR =



T1.2 + T2.3 + T7.8 + T8.9 6



2. Pada temperatur rata-rata (Tx) spesimen : Tx =



T4.5 + T5.6 2



3. Nilai konduktivitas bahan spesimen :



Kx =



TR . Lx . Kr Tx . LR