Analisa Nilai Konduktivitas Thermal pada Beberapa Jenis Material Padatan

Bab I. Pendahuluan

A. Latar Belakang

Setiap Material pasti mengalami proses perpindahan panas. Namun proses ini tidak bisa diamati tetapi pengaruhnya bisa dirasakan dan diukur. Perpindahan panas meliputi konduksi, konveksi dan radiasi, dimana proses-proses perpindahan panas ini banyak ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai contohnya yaitu saat memanaskan air. Proses perpindahan panas yang terjadi saat memanaskan air ini yaitu proses konveksi. Konveksi merupakan proses perpindahan panas yang pada umunya terjadi pada zat cair. Perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang diikuti pergerakan media perambatannya.

Perpindahan panas adalah perpindahan energi yang terjadi pada benda atau material yang bersuhu tinggi menuju ke suhu yang lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan panas. Kesetimbangan panas terjadi jika panas dari sumber panas sama dengan jumlah panas benda yang dipanaskan dengan panas yang disebarkan oleh benda tersebut ke medium sekitarnya. Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

Konduksi adalah perpindahan panas atau kalor melalui satu jenis zat sehingga konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah. Perpindahan panas konduksi umumnya terjadi pada zat padat. Proses perpindahan panas konduksi terjadi dengan tanpa diikuti media penghantarnya. Contoh perpindahan panas secara konduksi dalam kehidupan sehari-hari yaitu saat mengaduk kopi dengan sendok, ujung pegangan sendok juga akan terasa panas walaupun tidak tercelup ke dalam kopi yang panas.

Proses perpindahan kalor secara konduksi dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas.

Jumlah panas yang dikonduksikan melalui material persatuan waktu dituliskan oleh persamaan:

\frac{\Delta Q}{\Delta t}=kA\frac{\Delta T}{\Delta L}

ΔQ / ΔT = Laju aliran konduksi termal
k = Konstanta konduktivtas material (W/m^oC)
A = Luas Permukaan Bahan (m²)
L = Ketebalan Material
ΔT = Perbedaan temperatur dua sisi dari material (^oC)

Konveksi adalah perpindahan panas atau kalor dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan. Besarnya konveksi tergantung pada luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A), perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (deltaT), koefisien konveksi (h). Konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir, maka bentuk pengangkutan kalor ini hanya terdapat pada zat cair dan gas.

Pada pemanasan zat ini terjadi aliran, karena massa yang akan dipanaskan tidak sekaligus dibawa ke suhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau yang pertama dipanaskan memperoleh massa jenis yang lebih kecil daripada bagian massa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi, sehingga kalor akhirnya tersebar pada seluruh zat. Perpindahan panas konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi dengan diikuti oleh pergerakan media perambatannya.

Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena pancaran radiasi gelombang elektromagnetik. Perpindahan pans radiasi berlangsung elektromagnetik dengan panjang gelombang pada interval tertentu. Jadi perpindahan pans radiasi tidak memerlukan media, sehingga panas dapat berlangsung dalam ruangan hampa udara. Benda yang dapat memancarkan pans dengan sempurna disebut radiator yang sempurna dan dikenal sebagai benda hitam. Sedangkan benda yang ttidak dapat memancarkan panas dengan sempurna disebut benda abu-abu.

Daya hantar panas atau konduktivitas termal adalah sifat bahan yang menunjukkan berap cepat bahan itu dapat menghantarkan panas konduksi. Koefiesien konduksi (k) adalah jumlah panas yang mengalir tiap satuan waktu melalui tebal dinding 1 ft yang luasnya 1 ft² apabila diberi beda suhu 1°C. Daya hantar pans dapat diukur berdasarkan hokum Fourier. Pada umumnya daya hantar panas suatu bahan harus diukur denagn mengadaan percobaan.

Daya hantar panas biasa dipengaruhi oleh suhu. Koefisien konduktivitas termal k didefinisikan sebagai laju panas pada suatu benda dengan suatu gradien temperature. Dengan kata lain konduktivitas termal menyatakan kemampuan bahan menghantarkan kalor. Koefisien konduktivitas termal (k) merupakan formulasi laju panas pada suatu benda dengan suatu gradien temperature. Nilai konduktivitas termal sangat berperan penting untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu konduksi yang baik atau buruk.

Bahan yang mempunyai konduktivitas yang baik disebut dengan konduktor, misalnya logam. Sedangkan bahna yang mempunyai konduktivitas jelek disebut isolator, misalnya asbes, wol, dsb. Suatu bahan dikatakan konduktor apabila bahan tersebut mempunyai nilai k yang besar yaitu > 4.15 W/m°C, biasanya bahan tersebut terbuat dari logam.

Sedangkan untuk isolator mempunyai nilai k < 4.01 W/m°C, biasanya bahan tersebut terbuat dari bahan bukan logam.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 isolator) untuk nilai koefisien panas yang kecil^[4].

Tabel 1 Nilai konduktivitas termal berbagai bahan pada 0℃

Konduktivitas termal dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah suhu, kepadatan dan porositas dan kandungan uap air. Suhu memiliki pengaruh yang sangat kecil, namun tetap saja dikatakan bahwa suhu memiliki pengaruh terhadap konduktivitas. Karena semakin bertambahnya suhu, konduktivitas bahan tertentu juga akan meningkat.

Kepadatan dan porositas suatu benda berpengaruh pada konduktivitas suatu benda, semakin banyak rongga pada benda tersebut maka semakin besar persentasi porositasnya. Dan semakin besar porositas menyebabkan nilai konduktivitas semakin menurun.. Kandungan uap air juga mempengaruhi konduktivitas thermal. Konduksi termal akan meningkat seiring meningkatnya kandungan kelembaman suatu benda.

Gambar 1. Contoh proses konduksi dengan dirangkai seri

Bab III. Metode Praktikum

A. Alat dan Bahan

Percobaan konduktivitas termal ini digunakan alat yang meliputi satu set kompor listrik beserta kasa sebagai pemanas, pyrometer sebagai alat pengukur suhu, penjepit untuk mengambil sampel dari kompor. Kemudian bahan yang digunakan yakni tiga jenis sampel material padatan yakni lempung dengan d=2 cm dan t=1,7 cm; batu bricon dengan d=2,7 cm dan t=2 cm; dan kayu dengan d= 2,2 cm dan t=1,5 cm. Dua buah besi dengan d=2,3cm dan t=1,7cm sebagai media penghantar panas, serta air sebagai pendingin besi. Berikut merupakan ketiga sampel dan besi yang digunakan pada percobaan ini

Gambar 2. Tiga buah sampel yang digunakan saat praktikum

Gambar 3. Rangakaian Seri Percobaan

Langkah kerja

Percobaan ini dilakukan dengan ketiga sampel yang telah ditentukan. Pertama setelah semua alat dan bahan disiapkan dan telah dipastikan alat dalam kondisi yang baik, kompor dinyalakan kemudian sampel disusun secara seri dengan kedua buah besi. Dimana sampel material padatan berada diantara dua buah besi tersebut.

Pemanasan ini dilakukan selama 5 menit. Setelah dipanaskan selama 10 menit diukur besar suhu tiap ujung besi dengan pyrometer. Sehingga didapatkan T1, T2, T3 dan T4 dalam 3 kali pengulangan. Kemudian besi tersebut didinginkan hingga kembali pada suhu awal. Selanjutnya dilakukan pengulangan untuk jenis sampel material padatan yang lain. Secara sistematis langkah kerja percobaan digambarkan sebagai berikut

Gambar 4. Flowchart

Bab IV. Hasil dan Pembahasan

A. Analisa Data

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan data seperti pada tabel 1 berikut, dengan sampel yang digunakan yaitu lempung, batu bricon dan kayu serta dua buah besi sebagai penghantar.

Tabel 2. Data hasil praktikum dengan sampel lempung

Tabel 3. Data hasil praktikum dengan sampel batu bricon

Tabel 4. Data hasil praktikum dengan sampel kayu

B. Perhitungan

Berdasarkan data yang telah diperoleh dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai konduktivitas termal untuk masing-masing sampel (lempung, batu bricon dan kayu) menggunakan persamaan 1. Berikut merupakan contoh perhitungan konduktivitas termal kayu

Setelah dilakukan perhitungan nilai konduktivitas termal masing-masing sampel, berikut hasil yang diperoleh

Tabel 5. Data hasil perhitungan nilai konduktivitas sampel

C. Pembahasan

Percobaan konduktivitas termal ini bertujuan untuk mengetahu nilai konduktivitas termal untuk masing-masing sampe yang digunakan (lempung, batu bricon dan kayu). Percobaan ini juga untuk mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal beberapa material padatan.

Percobaan ini dilakukan dengan sampel material padatan dan dua buah besi sebagai penghatar panas disusun secara seri dengan sampel diletakkan diantara dua besi besi. susunan seri ini menyebabkan kalor yang merambat pada besi bawah, sampel dan juga besi atas adalah sama. kalor pada msing-masing material juga sama dengan kalor totalnya.

Berdasarkan percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan didapatkan nilai konduktivitas termal untuk masing-masing sampel yaitu, lempung 16,3379 W/m⁰C, batu bricon 7,0362 W/m⁰C dan kayu 4,4968 W/m⁰C. Besar nilai konduktivitas antara bahan logam dan non logam berbeda. perbedaan ini dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti perbedaan ikatan yang terjadi pada masing-masing material, kalor jenis benda, luas penampang material, dan juga waktu pemanasan material.

Keberadaan elektron dalam bahan mempengaruhi proses konduksi yang terjadi dalam bahan tersebut. pada material bahan logam, terdapat banyak elektron bebas didalamnya. Sehingga ketika suatu benda bahan logam diberikan kalo pada salah satu ujung atau permukaannya, maka elektron-elektron bebas tersebut akan memiliki energi yang cukup bergera denagn cepat dan menumbuk elektron-elektron bebas lainnya. adanya tumbukan-tumbukan yang terjadi antar electron-elektron bebas di dalam material logam ini menyebabkan laju perpindahan panas yang cepat. Karena adanya pergerakan elektron bebas di dalam struktur kisi bahan, disamping elektron tersebut mengangkut muatan-muatan listrik, dapat pula membawa energi termal dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Energi dapat berpindah sebagai energi getaran dalam struktur kisi bahan. Karena itu, penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar kalor yang baik pula.

Sedangkan untuk bahan non logam, jumlah elektron bebas sangat sedikit. karena jumlah elektron bebas yang sedikit, hal ini menyebabkan proses perpindahan panas pada bahan non logam tidak terjadi melalui proses pengangkutan elektron melainkan melalui energi kisi. Perpindahan panas melalui geraran energi kisi tidaklah sebanyak atau sebaik perpindahan panas malalui pengangkutan elektron. Hal ini berakibat pada besar nilai konduktivitas termal bahan non logam yang lebih kecil dibandingkan dengan bahan logam.

Luas penampang juga mempengaruhi nilai konduktivitas termal suatu material. Dimana semakin besar luas penampang suatu material maka konduktivitas termalnya akan semakin kecil dikarenakan kalor harus mengisi pada semua bagian luasan material dengan sama besar. hal ini menyebabkan laju kalornya semakin kecil. Sedangkan semakin sempit luas penampang maka konduktivitas panas akan semakin besar. Oleh karena itu semakin besar konduktivitas bahan yang digunakan maka semakin besar pula laju kalor yang terjadi. nilai konduktivitas yang lebih besar mengartikan bahwa semakin besar panas yang dapat diterima oleh bahan tersebut sehingga bisa disebut konduktor panas yang baik, begitu pula sebaliknya semakin kecil nilai konduktivitas panas maka semakin sedikit panas yang dapat diterima benda tersebut.

Bab V. Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa:

1. Nilai konduktivitas termal lempung 16,3379 W/m^oC, batu bricon 7,0362 W/m^oC dan kayu 4,4968 W/m^oC.
2. Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas suatu material padatan yaitu ikatan yang terjadi pada masing- masing material, kalor jenis benda, luas penampang material, dan juga waktu pemanasan material.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten percobaan konduktivitas termal yaitu Deril Ristiani dan Nulailyah Isnaini yang telah membimbing kami selama praktikum berlangsung dan juga penulis mengucapkan terima kasih kepada teman- teman sekelompok praktikum konduktivitas termal atas kerjasama dalam melakukan percobaan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Buchori, Luqman. 2004.”Buku Ajar Perpindahan Panas”.Semarang: Universitas Diponegoro.

[2] Estuhono dkk. 2010. “Makalah Praktikum Eksperimen FisikaPengukuran konduktivitas termal”. Padang: Universitas     

      Negeri Padang.

[3] http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/19803/4/Chapter%20II.pdf

[4] Incropera, Frank P. Dewitt, David P. 2002. “Fundamentals Of Heat and Mass Transfer 5th edition”. Singapore: John 

      Wiley & Sons, Inc.