KONDUKTIVITAS TERMAL
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.
Dimana : Q = panas
A = luas permukaan
∆ T = perbedaan temperatur
∆ t = waktu selama panas terjadi
L = ketebalan dari material
k = konduktivitas termal dari material.
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 adalahBila 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 ΔT Δ x
Dalam kasus perubahan temperatur sebagai akibat perubahan posisi yang sangat kecil di mana Δx 0, maka berlaku:
dT dx =
(T2−T1) 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 :
ΔQ
Δt = kA
(T2−T1)
h
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
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 bahanpada 0 ℃ :
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
Sumber:(j.P. Holman,1993:6-10)
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 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 K1 h AΔT Δt
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.
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.
Kapasitas Panas
Kapasitas Termal adalah sifat yang mengindikasikan kemampuan materi untuk menyerap panas.Kapasitas panas (heat capacity) adalah jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur padatan sebesar satu derajat K. Konsep mengenai kapasitas panas dinyatakan dengan dua cara, yaitu
a. Kapasitas panas pada volume konstan, Cv.
dengan E adalah energi internal padatan yaitu total energi yang ada dalam padatan baik dalam bentuk vibrasi atom maupun energi kinetik elektron bebas.
b. Kapasitas panas pada tekanan konstan, Cp
dengan H adalah enthalpi. Pengertian enthalpi dimunculkan dalam thermodinamika karena sesungguhnya adalah amat sulit meningkatkan kandungan energi internal pada tekanan konstan. Jika kita masukkan energi panas ke sepotong logam, sesungguhnya energi yang kita masukkan tidak hanya meningkatkan energi internal melainkan juga untuk melakukan kerja pada waktu pemuaian terjadi. Pemuaian adalah perubahan volume, dan pada waktu volume berubah dibutuhkan energi sebesar perubahan volume kali tekanan udara luar dan energi yang diperlukan ini diambil dari energi yang kita masukkan. Oleh karena itu didefinisikan enthalpi guna mempermudah analisis, yaituH=E+PV, dengan P adalah tekanan dan V adalah volume.Karena pada tekanan konstan, jika
perubahan volume juga bisa diabaikan makakapasitas panas pada tekanan konstan dapat dianggap sama dengan kapasitas panas pada volume konstan.
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 membedakan dengan kapasitas panas yang ditulis dengan huruf besar (Cv dan Cp), maka panas spesifik dituliskan dengan huruf kecil (cv dan cp).
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 konuktifitas termalnya.
Mekanisme Konduktivitas Termal
Panas diangkut dalam bahan padat oleh kedua gelombang getaran kisi (fonon) dan elektron bebas. Konduktivitas termal berhubungan dengan masing-masing 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.
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 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.
Panas Jenis
Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu bahan bermassa m sebesar satu derajat dinamakan panas jenis dari bahan tersebut. Sehingga, jika panas sejumlah Q ditambahkan ke suatu bahan bermassa m yang mempunyai panas jenis c, perubahan suhu seperti ΔT = Taw-Tak. Di dalam system MKS, satuan untuk panas adalah kilo kalori dan didefinisikan sedemikian hingga panas jenis air adalah satu yang bermakna bahwa satu kilo kalori panas diberikan kepada satu kilogram air, maka suhu air akan naik sebesar satu derajat celcius.
Apabila dua atau lebih zat dengan suhu yang berbeda-beda dicampurkan, mereka akan setimbang termal setelah beberapa saat karena panas akan mengalir dari zat yang bersuhu lebih tinggi ke zat yang bersuhu rendah sampai semua zat mempunyai suhu yang sama. Jika bahan-bahn penyusun system diisolasi sedemikian hingga tidak ada pertukaran panas dengan lingkungannya, proses tersebut dinamakan adiabatik. Karena panas merupakan satu bentuk energi,
hukum kekekalan energi mensyaratkan bahwa untuk suatu proses adiabatik jumlah seluruh perpindahan panas antara penyusun system arus sama dengan nol ( jika panas ditambahkan kepada suatu sistem maka Tak> Taw dan Q bernilai positif dan sebaliknya ).
Dua bentuk utama energi panas dalam padatan adalah vibrasi atom sekitar posisi kesembiangannya dan energi kinetik elektron bebas.Oleh karena itu sifat-sifat thermal padatan yang penting seperti kapasitas panas, pemuaian, dan konduktivitas thermal, tergantung dari perubahan-perubahan energi atom dan elektron bebas.Kenaikan kapasitas panas terkait dengan kemampuan phonon dan elektron untuk meningkatkan energinya. Prinsip eksklusi membatasi kebebasan elektron untuk menaikkan energinya karena kenaikan energi tergantung ketersediaan tingkat energi yang masih kosong. Hanya elektron di sekitar tingkat energi Fermi yang memiliki akses ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga kontribusi elektron pada kapasitas panas secara relatif tidaklah besar.
Pemuaian terjadi karena ketidak-simetrisan gaya ikat antar atom. Gaya yang diperlukan untuk memperpanjang jarak atom adalah lebih kecil dari gaya untuk memperpendek jarak. Oleh karena itu penyerapan energi thermal akan cenderung memperpanjang jarak atom. Konduksi panas dalam metal lebih diperankan oleh elektron dari pada phonon, walaupun dalam hal kapasitas panas phonon lebih berperan. Konduktivitas dapat merujuk pada:
a. Konduktivitas listrik , ukuran kemampuan bahan untuk membuat arus listrik
b. Konduktivitas hidrolik , properti kemampuan bahan untuk mengirim air c. Konduktivitas termal, properti intensif bahan yang menandakan
kemampuannya untuk membuat panas
d. Konduktivitas Rayleigh,menjelaskan kelakuan apertur mengenai aliran cairan atau gas
e. Konduktivitas listrikadalah ukuran dari kemampuan suatu bahanuntuk menghantarkanarus listrik . Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah konduktor ,muatan-muatanbergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus listrik. Konduktivitas listrik didefinsikan sebagai ratio dari rapat arus terhadap kuat medan listrik
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.
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 larutan-larutan kimia umumnya digunakan satuan Volt atau mV.
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 bolak-balik (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 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.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim.2012.KonduktivitasTermal.http://id.wikipedia.org/wiki/Kon duktivitas _termal ( diakses pada 20 September 2014 ) Avven, Muhammad.2012.Sifat Termal Bahan Fisika
Material.://muhammadavvenbelajardesainweb.blogspot.c
om/2012/02/sifat-termal-bahan-fisika-material.html( diakses pada 20 September 2014 ) Fandi, Jeri.2013.
Konduktivitas.http://eferius.blogspot.com/2013/07/konduk tivitas.html( diakses pada 20 September 2014 )
Fyad.2013. Makalah Konduktifitas
Nickhoppus.2011.KonduktivitasTermal.http://tironan.wordpress.co m/2011/04/05/konduktifitas-termal-2/( diakses pada 20 September 2014 )
