KONDUKTIVITAS TERMAL
KONDUKTIVITAS TERMAL
Ko
Kondunduktiktivitvitas as ataatau u keteketerharhantantaran ran termtermal, al, adaadalah lah suasuatutu besaran besaran intensif intensif
bahan
bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panasmenghantarkan panas. Konduksi. Konduksi te
termrmal al adadalalah ah susuatatu u fefenonomemena na trtrananspsporort t didimamana na peperbrbededaaaan n tetempmpereratatur ur menyebabakan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang menyebabakan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang di
sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang di transfetransfer dari r dari satu titik kesatu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. titik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Ko
Kondndukuktitivitvitas as tetermrmal al memerurupapakakan n pepersarsamamaan an lalaju ju alialiran ran papananas s didikakali li jarjarak ak persatuan luas dan perbedaan suhu.
persatuan luas dan perbedaan suhu.
D
Diimmaanna a : : QQ = = ppaannaass A
A = = lluuaas s ppeerrmmuukkaaaann
∆
∆ T T = perbedaan temperatur= perbedaan temperatur ∆
∆ t t = aktu selama panas terjadi= aktu selama panas terjadi
!
! = = keketetebbalalan an dadari ri mmatatereriaiall k
k = k= kononduduktktivivititas as tetermrmal dal darari mi matatereriaial.l.
Konduksi termal merupakan suatu fenomena transport di mana perbedaan Konduksi termal merupakan suatu fenomena transport di mana perbedaan temperatur menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke temperatur menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang
daerah yang lain dari lain dari benda yang benda yang sama pada sama pada temperatur temperatur yang lebih yang lebih rendah.Panasrendah.Panas yang ditransfer dari suatu titik ke titik yang lain melalui salah satu dari tiga yang ditransfer dari suatu titik ke titik yang lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu:
metoda yaitu: ".
". KondKonduksi adauksi adalah#illah#ila panas ya panas yang di tranang di transfer tidasfer tidak diikuk diikuti dengati dengan perpinn perpindahandahan ma
massa ssa dadari ri bebendnda. a. KoKondndukuksi si didiakakibibatkatkan an ololeh eh tutumbmbukukan an anantar tar momolelekukull penyusun
penyusun $at. $at. %jung %jung benda benda yang yang panas panas mengandung mengandung molekul molekul yang yang bergetar bergetar lebih &epat. Ketika molekul yang bergetar &epat tadi menumbuk molekul di lebih &epat. Ketika molekul yang bergetar &epat tadi menumbuk molekul di sek
disebelahnya sehingga getaran molekul yang semula lambat menjadi lebih &epat. 'olekul ini kemudian menumbuk molekul lambat di sebelahnya dengan disertai transfer energi. Demikian seterusnya sehingga pada akhirnya energi sampai pada ujung benda yang lainnya.
(. Konveksi terjadi karena gerakan massa molekul dari satu tempat ke tempat lain. Konveksi terjadi perpindahan molekul dalam jarak yang jauh.
). *adiasi adalah perpindahan panas tanpa memerlukan medium.
Penyelidikan terhadap konduktivitas termal adalah untuk menyelidiki laju dari konduksi termal melalui beberapa material. +umlah panas yang dikonduksikan melalui material persatuan aktu dilukiskan oleh persamaan:
Δ Q
Δ t = kA
Δ T Δ x
Dalam kasus perubahan temperatur sebagai akibat perubahan posisi yang sangat ke&il di mana - , maka berlaku:
dT dx =
(
T 2−
T 1)
x#ila garis dari aliran panas adalah paralel , maka gradien temperature /kuantitas fisik yang menggambarkan ke arah mana dan berapa tingkatsuhu perubahan yang paling &epat di seluruh lokasi tertentu0 pada setiap penampang adalah sama. %ntuk kondisi ini jumlah panas yang dikonduksikan persatuan aktu dapat dituliskan dalam bentuk :
Δ Q
Δ t = kA
(
T 2−
T 1)
hDimana : ∆ Q = energi panas total yang dikonduksikan A = luas dimana konduksi mengambil tempat
∆ T = perbedaan temperatur dua sisi dari material ∆ t = aktu selama konduksi terjadi
1 = 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. 2ilai konduktivitas termal penting untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu konduksi panas yang baik
/ good conductor 0 untuk nilai koefisien konduktivitas termal yang besar dan penghantar panas yang tidak baik / good insulator 0 untuk nilai koefisien panas
yang ke&il.
Konduktivitas termal berbagai bahanpada ℃ :
#A1A2 Konduktivitas termal/k0
34' ℃ !ogam Perak/murni0 5" 6embaga/murni0 )78 Alumunium /murni0 (( 2ikel/murni0 9) #esi/murni0 ) #aja karbon,"; ∁ 5) 6imbal /murni0 )8 #aja krom < nikel/"7;r,7;2i0 ">.) #ukan logam Kuarsa/sejajar sumbu0 5".> 'agnesit 5."8 'armar (.7<(.95 #atu pasir ".7) Ka&a, jendela .7 Kayu, maple atau ek ." ?erbuk gergaji .89
3ol ka&a .)7 Sumber:/j.P. 1olman,"99):><"0
@nergi termal dihantarkan dalam $at padat menurut salah satu dari dua modus berikut : melalui getaran kisi /lattice vibration0 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 membaa energy termal dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah, sebagaimana halnya dalam gas. #ahkan elektron ini sering di sebut gas elektron /electron gas0. @nergi dapat pula berpindah sebagai energi getaran dalam stuktur kisi bahan. 2amun, pada umumnya perpindahan energi melalui gataran ini tidaklah sebanyak dengan &ara angkutan elektron. Karena itu, penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar kalor yang baik pula, seperti halnay tembaga, alumunium dan perak.?ebaliknya isolator listrik yang baik merupakan isolator kalor pula.Konduktivitas termal beberapa $at padat tertentu.
Konduktivitas termal berbagai bahan isolator juga diberikan dalam tabel.?ebagai &ontoh, nilai untuk ol ka&a(glass wol 0 ialah .)734m ℃ dan untuk ka&a jendela .7 34m ℃ . Pada suhu tinggi , perpindahan energi pada bahan isolator berlangsung dalam beberapa &ara:konduksi melalui bahan berongga
atau padat, konduksi melalui udara yang terkurung dalam rongga<rongga dan jika suhu &ukup tinggi melalui radiasi.Karena itu nilai dari konduktivitas termal menjadi penting untuk dibahas.
2ilai 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 0 dengan mempertahankan temperatur konstan sekitar " ℃ dan satu blok es yang di pertahankan pada temperature. Konstan ℃ .#erarti perbedaan temperatur di antara dua permukaan dari material adalah " ℃ . Panas yang di transfer diukur dengan mengumpulkan air yang berasal dari es yang melebur . @s melebur pada suatu laju " gram per 7 kalori dari aliran panas /panas laten untuk peleburan es0. Dalam sistem B? kalor lebur es adalah 7 kal4gram. Karena itu konduktivitas termal dari suatu material dapat ditentukan menggunakan persamaan:
K=
M es K
1h
AΔT Δt
Sifat Termal Bahan
?ejumlah energi bisa ditambahkan ke dalam material melalui pemanasan, medan listrik, medan magnet, bahkan gelombang &ahaya seperti pada perista photo listrik yang telah kita kenal. 6anggapan padatan terhadap ma&am<ma&am 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 peristia photolistrik tanggapan tersebut termanifestasikan sebagai emisi elektron dari permukaan metal tergantung dari frekuensi &ahaya 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 se&ara thermal /pemanasan0. Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal C yang pertama adalah penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom atau ion di sekitar posisi keseimbangannya, dan yang kedua berupa energi kinetik yang dikandung oleh ele&tron bebas.Ditinjau se&ara 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, alaupun keduanya dipengaruhi oleh suhu. 2aiknya suhu suatu bahan atau material, maka akan mengakibatkan perubahan susunan atom yang mengiringi pen&airan dan pengaturan kembali susunan atom yang diakibatkan perubahan suhu, yang pada akhirnya akan mengganggu daya hantar panas bahan tersebut. ?ifat termal merupakan sifat yang menunjukkan respon material terhadap panas yang diterima suatu bahan atau material.%ntuk mengetahui sifat termal suatu bahan, maka perlu dibefakan antar temperature dengan kandungan kalor.
6emperatur atau suhu adala h tinggi rendahnya /level 0thermal dari sua tu aktivitas, sedangkan kandungan kalor adalah besarnya energi thermal .
?uatu benda dapat mengalami muai panas /Thermal Expansion0, yaitu pemuaian yang dialami bahan ketika mengalami perlakuan termal. #es ar nya pem uai an ba ha n 4 ma terial di ten tu kan ol eh jen is be nd a, uku ra n benda mula<mula, dan besarnya kalor yang diberikan.Pemuaian ini dapat mengakibatkan pertambahan panjang /l0 dan juga pertambahan volume.Daya hantar panas/ Thermal Conductivity0 merupakan kemampuansuatu material atau bahan dalam meneruskan panas, yang biasanya terjadi pada benda padat, dan biasanya terjadi se&ara konduksi.+adi perubahan energi pada atom<atom dan ele&tron bebas menentukan sifat<sifat thermal padatan. ?ifat<sifat thermal yang akan kita bahas adalah kapasitas panas, panas spesifik, pemuaian, dan konduktivitas panas.
Kapasitas anas
Kapasitas 6ermal adalah sifat yang mengindikasikan kemampuan materi untuk menyerap panas.Kapasitas panas /heat capacity0 adalah jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur padatan sebesar satu derajat K. Konsep mengenai kapasitas panas dinyatakan dengan dua &ara, yaitu
a. Kapasitas panas pada volume konstan, v.
dengan @ 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, p
dengan 1 adalah enthalpi. Pengertian enthalpi dimun&ulkan dalam thermodinamika karena sesungguhnya adalah amat sulit meningkatkan kandungan energi internal pada tekanan konstan. +ika kita masukkan energi panas ke sepotong logam, sesungguhnya energi yang kita masukkan tidak hanya meningkatkan energi internal melainkan juga untuk melakukan kerja pada aktu pemuaian terjadi. Pemuaian adalah perubahan volume, dan pada aktu volume berubah dibutuhkan energi
sebesar perubahan volume kali tekanan udara luar dan energi yang diperlukan ini diambil dari energi yang kita masukkan. Eleh karena itu didefinisikan enthalpi guna mempermudah analisis, yaitu1=@FPG, dengan P adalah tekanan dan G 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.
anas Spesifi!
Panas spesifik / specific heat 0 adalah kapasitas panas per satuan massa per derajat K, yang juga sering dinyatakan sebagai kapasitas panas per mole per derajat K. %ntuk membedakan dengan kapasitas panas yang ditulis dengan huruf besar /vdan p0, maka panas spesifik dituliskan dengan huruf ke&il /&v dan & p0.
"a!t#r K#n$u!ti%itas Termal
a. ?uhu, konduksi termal akan meningkat seiring dengan kenaikan suhu b. Kandungan uap air, konduksi termal akan meningkat seiring meningkanta
kandungan kelembaman.#ila nilai /k0 besar maka merupakan pengalir yg baik,tetapi bila nilai /k0 ke&il maka bukan pengalir yg baik.
&. #erat jenis, nilai konduktifitas termal akan berubah bila berat jenisnya berubah. ?emakin tinggi berat jenis makan semakin baik pengalir
konduktifitas tersebut.
d. Keadaan pori<pori bahan, bila semakin besar rongga maka akan semakin buruk konuktifitas termalnya.
Me!anisme K#n$u!ti%itas Termal
Panas diangkut dalam bahan padat oleh kedua gelombang getaran kisi /fonon0 dan elektron bebas. Konduktivitas termal berhubungan dengan masing< masing mekanisme ini dan konduktivitas total jumlah kontribusi keduanya.Dimana k" meakili getaran kisi dan konduktivitas termal elektron.energi termal yang terkait dengan fonon atau gelombang kisi diangkut dalam arah gerak mereka. 1asil kontribusi k" dari gerakan bersih fonon dari tinggi ke suhu rendah dari tubuh dalam gradiens suhu.
@lektron 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 getaran0 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 transferren&e panas.
K#efisien Muai Linier
Peristia yang mengikuti penambahan temperatur pada bahan adalah perubahan ukuran dan keadaannya. Baya 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. 1al ini mengakibatkan terjadinya pemuaian /ekspansi0 pada seluruh komponen padatan tersebut.Perubahan ukuran pada dimensi linier disebut sebagai muai linier.
+ika panjang dimensi linier bahan adalah l, maka perubahan panjang akibat perubahan temperatur 6 adalah sebesar l. %ntuk perubahan temperatur yang ke&il, maka pertambahan panjang pada temperatur tertentu /lt0 akan sebanding
dengan perubahan temperatur dan panjang mula<mula /l 0.H adalah koefisien
muai linier yang memiliki nilai berbeda untuk masing<masing bahan. anas &enis
+umlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu bahan bermassa m sebesar satu derajat dinamakan panas jenis dari bahan tersebut.
?ehingga, jika panas sejumlah Q ditambahkan ke suatu bahan bermassa m yang mempunyai panas jenis &, perubahan suhu seperti 6 = 6a<6ak . Di dalam system
'K?, satuan untuk panas adalah kilo kalori dan didefinisikan sedemikian hingga panas jenis air adalah satu yang bermakna baha satu kilo kalori panas diberikan
kepada satu kilogram air, maka suhu air akan naik sebesar satu derajat &el&ius. Apabila dua atau lebih $at dengan suhu yang berbeda<beda di&urkan, mereka akan setimbang termal setelah beberapa saat karena panas akan mengalir dari $at yang bersuhu lebih tinggi ke $at yang bersuhu rendah sampai semua $at mempunyai suhu yang sama. +ika 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 baha untuk suatu proses adiabatik jumlah seluruh perpindahan panas antara penyusun system arus sama dengan nol / jika panas ditambahkan kepada suatu sistem maka 6ak I 6a dan Q bernilai positif
dan sebaliknya 0.
Dua bentuk utama energi panas dalam padatan adalah vibrasi atom sekitar posisi kesembiangannya dan energi kinetik elektron bebas.Eleh 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. 1anya elektron di sekitar tingkat energi Jermi yang memiliki akses ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga kontribusi elektron pada kapasitas panas se&ara relatif tidaklah besar.
Pemuaian terjadi karena ketidak<simetrisan gaya ikat antar atom. Baya yang diperlukan untuk memperpanjang jarak atom adalah lebih ke&il dari gaya untuk memperpendek jarak. Eleh karena itu penyerapan energi thermal akan &enderung memperpanjang jarak atom. Konduksi panas dalam metal lebih diperankan oleh elektron dari pada phonon, alaupun 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 &. Konduktivitas termal, properti intensif bahan yang menandakan
kemampuannya untuk membuat panas
d. Konduktivitas *ayleigh,menjelaskan kelakuan apertur mengenai aliran &airan atau gas
e. Konduktivitas listrikadalah ukuran dari kemampuan suatu bahanuntuk menghantarkanarus listrik . +ika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung<ujung sebuah konduktor ,muatan<muatanbergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus listrik. Konduktivitas listrik didefinsikan
Apli!asi pen'u!uran !#n$u!ti%itas
Pengukuran konduktivitas dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu larutan kimia atau elektrolit seperti larutan 2al, 1l, 1(?E5, dan 2aE1. Pengukuran konduktivitas se&ara luas digunakan dalam industri pengolahan air. Pengolahan air limbah industri untuk menentukan tingkat kontaminasi air dan lain<lain.
Satuan !#n$u!ti%itas
1antaran listrik merupakan kebalikan dari tahanan /resistanse0 bila tahanan mempunyai satuan dasar ohm maka satuan dasar hantaran adalah ohmL atau biasa ditulis ?iemen4&mL, pada pengukuran konduktivitas air dan larutan< larutan kimia umumnya digunakan satuan Golt atau mG.
Alat u!ur !#n$u!ti%itas
Pengukuran konduktivitas dapat dilakukan dengan menggunakan arus listrik yang dialirkan pada dua elektroda yang di&elupkan kedalam air atau larutan kimia, dan mengukur tegangan yang dihasilkan. ?elama proses ini ,kation berpindah ke elektroda negative dan anion berpindah ke elektroda positif , larutan bertindak sebagai penghantar listrik.
#eberapa jenis khusus konduktivimeter menggunakan arus listrik bolak< balik /A0. Pada frekensi optimal dengan dua elektroda aktif dan mengukur beda tegangan yang dihasilkan suatu larutan. Kuat arus dan beda tegangan
digunakan untuk menghiutng hantaran listrik /Conductance0. ondu&tan&e = M4G.Konduktivitimeter kemudian menggunakan konduktan&e dan &ell konstan untuk menampilkan nilai konduktivitas.
2ilai 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.?emakin 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. ?elain
dipengaruhi oleh jumlah garam<garam terlarut, konduktivitas juga di pengaruhi oleh temperatur.
DAJ6A* P%?6AKA
Anonim.2012.
KonduktivitasTermal.http://id.wikipedia.org/wiki/Kon
duktivitas _termal ( diakses pada 20 September 201 !
Avven" #uhammad.2012.
Sifat Termal Bahan FisikaMaterial
.://muhammadavvenbela$ardesainweb.blogspot.%
om/2012/02/si&at'termal'bahan'sika'
material.html( diakses pada 20 September 201 !
)andi" *eri.201+.
Konduktivitas
.http://e&erius.blogspot.%om/201+/0,/konduk
tivitas.html( diakses pada 20 September 201 !
)-ad.201+.
Makalah KonduktitasTermal
