Konduktivitas 1.Tujuan
• Menentukan konduktivitas termal material yang berbeda.
• Menentukan tipe material yang digunakan apakah konduktor atau isolator.
• Menentukan emisivitas suatu logam
• Menentukan konduktivitas isolator
• Menentukan besar kalor yang mengalir dalam suatu logam
• Menentukan laju kalor
2.Alat dan bahan
• Voltmeter
• Amperemeter
• 4 buah termometer
• Stopwatch
• Besi Konduktor
• Isolator
3.Teori Dasar
Definisi konduktivitas
Konduktivitas adalah kemampuan suatu bahan (larutan, gas, atau logam) untuk menghantarkan arus listrik. Dalam suatu larutan, larutan arus listik dibawa oleh kation-kation dan anion-anion, sedangkan dalam logam arus listrik dibawa oleh electron- elektron. Konduktivitas suatu larutan dipengaruhi oleh beberapa faktor :
• Konsentrasi
• Pergerakan ion-ion
• Valensi ion
• Suhu
Konduksi adalah perpindahan panas antara dua substansi dari sustansi yang bersuhu tinggi ke sustansi yang bersuhu rendah dengan adanya kontak kedua sustansi secara langsung. Ketika tangan kamu memegang gelas panas, maka telapak tangan kamu akan menerima panas dari
gelas tersebut. Konduksi disebut juga perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel karena adanya selisih suhu. Sebuah benda padat panjang dipanaskan pada salah satu ujungnya, akan menyebabkan pada ujung tersebut partikel-partikelnya akan bergetar lebih cepat karena suhunya naik. Partikel yang energi kinetiknya lebih besar akan memberikan energinya kepada pertikel tetangganya melalui tumbukan. Misalnya sendok dingin dimasukkan ke sup yang panas, maka ujung sendok yang lain akan panas. Dan logam, kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebasnya. Elektron bebas adalah elektron yang dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom lain. Di tempat yang dipanaskan, energi elektron bertambah besar dan dapat diberikan dengan tumbukan elektron disekitarnya dengan panas lebih cepat.
Perpindahan ka1or dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran ka1or, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan ja1an pemasukan atau pengeluaran ka1or.
Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara kimia, keadaan ini dapat juga merupakan pengerjaan secara a1ami. Dengan demikian. Pada pengembunan dan penghabluran (krista1isasi) ka1or harus dikeluarkan. Pada penguapan dan ada umumnya juga pada pelarutan, ka1or harus dimasukkan. Ada1ah hukum a1am bahwa ka1or itu suatu bentuk energi.
Sama seperti bentuk lain dari energi, jumlah ka1or juga dinyatakan da1am suatu gaya kali suatu jarak yaitu Newton ka1i meter atau Nm. 1 Nm dinamakan 1 Joule. Untuk pemberikan sedikit gambaran mengenai besarnya energi 1 Joule tersebut, bisa diperhatikan dari hal berikut: Untuk penguapan 1 kg air, diperlukan cukup banyak energi yaitu perubahan zat cair ke dalam uap ini kira-kira membutuhkan energi 2.225.000 Joule = 2,25 MJ. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin.
Konduktivitas berbagai bahan pada ºC
bahan Konduktivitas termal(k)
W/m.ºc Bt u / h.ft.ºF
Logam
Perak(murni) 410 237
Tembaga(murni) 385 223
Aluminium(murni )
202 117
Nikel(murni) 93 54
Besi(murni) 93 54
Baja Karbon,1%
C
73 42
Timbal (murni) 43 25
Bukan Logam
Magnesit 4,15 24
Marmar 2,08-2,94 1,2-1,7
Batu pasir 1,83 1,06
Kayu 0,17 0,096
Zat Cair
Raksa 8,21 4.74
Air 0,556 0,327
Amonia 0,540 0,321
Freon 12,
CC2F2
0,073 0,042
Gas
Hidrogen 0,175 0,101
Helium 0,141 0,081
Karbondioksida 0,0146 0,00844
Uap air(jenuh) 0,0206 0,0119
Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal. Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu:
1. Konduksi.
2. Konveksi.
3. Radiasi.
Dalam prakteknya ketiga proses perpindahan panas tersebut sering terjadi secara bersama–
sama.
\
Konduksi
Yang dimaksud dengan konduksi ialah pengangkutan kalor melalui satu jenis zat.
Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya Sistem Pengukuran..., terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomic merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi.
Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang.
Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atomdan elektron bergetar dengan amplitudi 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. Berdasarkan penampang dan cara perambatan bendanya ada beberapa kasus untuk perpindahan panas secara konduksi, diantaranya :
Penampang Bidang Datar
Gambar 2.4 Konduksi menggunakan bidang datar
Benda / kotak A yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih tinggi dan T1 dan T2 adalah suhu yang terukur pada perpindahan panas pada batang logam. Sedangkan benda / kotak B yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih rendah dan T4 dan T3
adalah suhu air masuk dan suhu air keluar. Karena adanya perbedaan suhu pada kotak A dan kotak B maka kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kiri menuju benda B). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).
Berdasarkan hasil percobaan, jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T1 – T2 /T4 – T3), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda (jarak T1 dan T2). Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :
k
(
T1−T2)
Ad =
mc
(
T4−T3)
t
dengan nilai (Q/t) : Q
t =mc
(
T4−T3)
Keterangan : Q = kalor (j) t = waktu (s)
Q/t = ;aju aliran kalor (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt A = luas penampang benda (m2)
T1 – T2= perbedaan suhu pada batang logam (0C) T4 – T3= perbedaan suhu pada air (0C)
d = jarak sensor (T1 dan T2) T1 – T2 /d = gradient suhu (0C/m)
K = konduktivitas termal benda (J/s m 0C)
Konduktivitas panas ialah tingkat kemudahan untuk mengalirkan panas yang dimiliki suatu benda. Setiap benda memiliki konduktivitas yang berbeda. Logam mempunyai konduktivitas panas yang tinggi, sedangkan hewan memiliki konduktivitas panas yang rendah. Berarti hewan merupakan penahan panas (insulator) yang baik. Rambut dan bulu merupakan contoh isulator yang baik. Oleh karena itu, mamalia dan aves hanya akan melepaskan sejumlah kecil panas dari tubuhnya ke benda lain yang bersentuhan dengannya.
Dengan menggunakan persamaan 2.1 kita dapat mendapatkan nilai konduktivitas (k) suatu benda, sebagai berikut :
k = m
c
c
(
T4−T3)
(
T1−T2)
d A
Laju Perpindahan Panas
Konduksi adalah proses perpindahan panas dari suatu bagian benda padat atau material ke bagian lainnya. Perpindahan panas secara konduksi dapat berlangsung pada benda padat, umumnya logam. Jika salah satu ujung sebuah batang logam diletakkan di atas nyala api, sedangkan ujung yang satu lagi dipegang, bagian batang yang dipegang ini suhunya akan naik, walaupun tidak kontak secara langsung dengan nyala api.
Pada perpindahan panas secara konduksi tidak ada bahan dari logam yang berpindah.
Yang terjadi adalah molekul-molekul logam yang diletakkan di atas nyala api membentur molekul-molekul yang berada di dekatnya dan memberikan sebagian panasnya. Molekul- molekul terdekat kembali membentur molekulmolekul terdekat lainnya dan memberikan sebagian panasnya, dan begitu seterusnya di sepanjang bahan sehingga suhu logam naik. Jika pada suatu logam terdapat perbedaan suhu, maka pada pada logam tersebut akan terjadi perpindahan panas dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Besarnya laju perpindahan panas (q) berbanding lurus dengan luas bidang (A) dan perbedaan suhu
(
∂T∂ x)
pada logam tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2-1. Secara matematis dinyatakan sebagai :q ≈ A∂ T
∂ x
Dengan memasukkan konstanta kesetaraan yang disebut konduktivitas thermal didapatkan persamaan berikut yang disebut juga dengan hukum Fourier tentang konduksi:
q=−kA∂ T
∂ x
Dimana : q = laju perpindahan panas (W) k = konduktivitas termal (W/m0C) A = luas penampang (m2)
(
∂T∂ x)
=¿ gradien suhu,yaitu laju perubahan suhu T dalam arah aliran x (0C/m)Tanda minus (-) menunjukkan arah perpindahan panas terjadi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah. Nilai kondukitivitas thermal suatu bahan menunjukkan laju perpindahan panas yang mengalir dalam suatu bahan. Konduktivitas thermal kebanyakan bahan merupakan fungsi suhu, dan bertambah sedikit kalau suhu naik, akan tetapi variasinya kecil dan sering kali diabaikan. Jika nilai konduktivitas thermal suatu bahan makin besar, maka makin besar juga panas yang mengalir melalui benda tersebut.
Karena itu, bahan yang harga k-nya besar adalah penghantar panas yang baik, sedangkan bila k-nya kecil bahan itu kurang menghantar atau merupakan isolator
Konveksi
Yang dimaksud dengan konveksi ialah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan ka1or secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang utama. Besarnya konveksi tergantung pada :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida ( ∆ T).
c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
• viscositas fluida
• kecepatan fluida
• perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
• kapasitas panas fluida
• rapat massa fluida
• bentuk permukaan kontak
Gambar perpindahan panas konveksi dari suatu plat
Mekanisme fisis perpindahan panas konveksi berhubungan dengan proses konduksi.
Guna menyatakan pengaruh konduksi secara mnyeluruh digunakan hukum Newton tentang pendinginan:
H=h x A x ∆ T
Dimana Q = laju perpindahan panas (W)
h = koefisien perpindahan panas konveksi
[
mW2°C]
A = luas permukaan (m2)
∆ T = perubahan suhu (0C)
Apabila fluida tidak bergerak (atau tanpa sumber penggerak) maka perpindahan panas tetap ada karena adanya pergerakan fluida akibat perbedaan massa jenis fluida. Peristiwa ini disebut dengan konveksi alami (natural convection) atau konveksi bebas (free convection).
Lawan dari konveksi ini adalah konveksi paksa (Forced convection) yang terjadi apabila fluida dengan sengaja dialirkan (dengan suatu penggerak) di atas plat.
Radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas tanpa memerlukan zat perantara (medium) tetapi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Sebagai contoh, perpindahan panas dari matahari ke bumi. Panas dari matahari tidak dapat mengalir melalui atmosfer bumi secara konduksi karena antara bumi dan matahari adalah hampa udara. Panas matahari tidak dapat sampai ke bumi melalui proses konveksi karena konveksi juga harus melalui pemanasan bumi terlebih dahulu. Selain itu,konduksi dan konveksi memerlukan medium sebagai perantara untuk membawa panas. Jadi walaupun antara bumi dan matahari merupakan ruang hampa, panas matahari tetap akan sampai ke bumi melalui perpindahan panas secara radiasi. Selanjutnya juga penting untuk diketahui bahwa :
1. Kalor radiasi merambat lurus.
2. Untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas)
1. Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :
E=eσ T4
Dimana σ : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10−8 W m 2 K 4 e : emitansi (0 ≤ e ≤1 )
besar nya laju perpindahan panas secara radiasi adalah :
T14−T2 4
Q=eσ A¿ )
Dimana : Q = laju perpindahan panas (W)
e = Emisivitas benda yang terkena radiasi (0 ¿e<1¿
σ=¿ konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2K4 T1 = suhu benda (0K)
T2 = suhu lingkungan (0K)
Emisivitas benda adalah besaran yang bergantung pada sifat permukaan benda. Benda hitam sempurna (black body) memiliki harga emisivitas (e = 1). Benda ini merupakan pemancar dan penyerap yang paling baik. Permukaan pemantul sempurna memilki nilai e = 0.
