-44-
Analisis Konduktivitas Termal Material Logam Menggunakan Metode Searle
(1)*Stefenson Filiyanto Pangestu, (2)Ayong Hiendro, (3)Muhammad Taufiqurrahman
(1)Program Studi Teknik Mesin, Universitas Tanjungpura, Jl. Prof. Dr. H. Hadari Nawawi, Pontianak
(2) Program Studi/Jurusan, Universitas/Institusi, Alamat Institusi
*Email: [email protected]
ABSTRACT
Knowing the thermal conductivity of a material will help determine the suitable material for the desired function. However, in reality the available materials aren’t measured so if the material subjected to material engineering such as heat treatment, needed a method to estimate the thermal conductivity value of the material. Searle method are method that used for measure thermal conductivity values on metal materials. This research aims to anatomize measurement result of coefficient thermal conductivity values of metal also compared it with references used. This study uses study literature methods and experimental methods. The literature method used to anatomize and determine heat transfer reference values for metallic materials. While the experimental method is used to create experiments tools and trials to obtain data. From the research, thermal conductivity values of copper metal and stainless steel obtained respectively 361,7085 W/m.°C and 14,4662 W/m.°C. There is a difference value conductivity thermal from Searle with reference because it’s influenced by tool factor which isn’t in adiabatic state also the materials haven’t tested is it same with material on reference and deviation result from thermal conductivity copper and stainless steel with reference respectively 9.798
% and 4.329%. In the future, it is necessary to pay attention to the density level of the tool so that heat loss doesn’t occur during the experiment to gain more accurate results. It is also necessary to pay attention to the level of accuracy of the measuring instruments used in order to reduce the difference rate in obtaining data.
Keywords: thermal conductivity, searle, metals
ABSTRAK
Mengetahui konduktivitas termal suatu bahan akan membantu menentukan bahan yang sesuai untuk fungsi yang diinginkan. Namun pada kenyataannya bahan yang tersedia tidak dilakukan pengukuruan sehingga jika material tersebut akan dilakukan rekayasa material seperti heat treatment maka perlu suatu metode untuk memperkirakan nilai konduktivitas termal bahan. Metode Searle merupakan metode yang digunakan untuk mengukur nilai konduktivitas termal material logam.
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa hasil pengukuran nilai koefisien konduktivitas termal material logam serta membandingkan dengan nilai referensi yang digunakan. Penelitian ini menggunakan metode studi literatur dan metode eksperimen. Metode literatur digunakan untuk menganalisis dan mengetahui nilai acuan perpindahan panas bahan logam. Sedangkan metode eksperimen digunakan untuk membuat alat eksperimen dan uji coba agar memperoleh data. Dari hasil penelitian konduktivitas termal logam tembaga dan baja stainless diperoleh nilai sebesar 361,7085 W/m.°C dan 14,4662 W/m.°C. Terdapat perbedaan nilai konduktivitas termal dari metode Searle dengan nilai yang terdapat pada referensi karena dipengaruhi oleh faktor alat yang belum mencapai keadaan adiabatis serta bahan yang digunakan belum diuji apakah sama dengan bahan yang digunakan pada referensi yang digunakan dan selisih dari hasil nilai konduktivitas termal tembaga dan baja stainless terhadap referensi masing - masing sebesar 9,798 % dan 4,329 %. Kedepannya perlu diperhatikan kembali tingkat kerapatan alat agar tidak terjadi kehilangan kalor saat percobaan sehingga hasil percobaan lebih akurat. Serta perlu diperhatikan kembali tingkat keakuratan alat ukur yang digunakan agar mengurangi tingkat kesalahan dalam memperoleh data.
Kata Kunci : konduktivitas termal, searle, logam
-45- I. Pendahuluan
Material memiliki berbagai sifat, salah satunya adalah konduktivitas termal material.
Konduktivitas adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas (Cengel, 2010).
Konduktivitas termal sangat penting ketika menggunakan bahan di industri, terutama bahan berbasis logam. Mengetahui konduktivitas termal suatu bahan akan membantu menentukan bahan yang sesuai untuk fungsi yang diinginkan. Namun pada kenyataannya bahan yang tersedia tidak dilakukan pengukuruan sehingga jika material tersebut akan dilakukan rekayasa material seperti heat treatment maka perlu suatu metode untuk memperkirakan nilai konduktivitas termal bahan.
Nilai konduktivitas termal digunakan dalam dunia industri sebagai acuan untuk menentukan sifat yang diinginkan dari material yang digunakan untuk memperoleh sifat baru dari material tersebut. Dengan mengetahui nilai konduktivitas termal material maka dapat diketahui bagaimana perlakuan panas dan waktu yang diperlukan material untuk mencapai sifat yang diinginkan serta mengurangi kesalahan dalam proses perlakuan panas pada bahan. Beberapa contoh produksi industi yang memerlukan perlakuan panas khusus pada bahan untuk mendapatkan sifat yang diinginkan yaitu sirkulasi perpindahan panas pada kendaraan, produksi pembuatan peluru, pembuatan jembatan dan sebagainya. Berikut ini beberapa contoh nilai koefisien konduktivitas termal material logam yang digunakan.
Tabel 1 Nilai Koefisien Konduktivitas Termal Material Referensi
No Material Koefisien
Konduktivitas Termal (W/ m.K)
1 Aluminium Pure 237
2 Cooper Pure 401
3 Chromium 93,7
4 Cooper Pure 401
5 Carbon Steels AISI 1020
63,9 6 Stainless Steels
AISI 302
15,1
7 Titanium 21,9
8 Magnesium 156
9 Nobium 53,7
10 Nickel Pure 90,7
Sumber : (Cengel, 2010)
Salah satu cara untuk menentukan nilai konduktivitas termal bahan logam memerlukan eksperimen untuk memprediksi nilai konduktivitas termal bahan logam. Metode Searle digunakan untuk melakukan eksperimen untuk memprediksi nilai konduktivitas termal bahan logam. Metode Searle adalah metode standar untuk melakukan eksperimen untuk memprediksi nilai konduktivitas termal bahan logam. Metode Searle dapat memprediksi nilai konduktivitas termal suatu bahan dengan menghitung besarnya beda panas yang terjadi pada bahan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bahan yang diuji untuk mencapai keadaan tunak (Holman, 1995).
Kebutuhan akan hal ini terus berkembang seiring perkembangan teknologi, maka penelitian konduktivitas termal bahan hendaknya perlu dikembangkan. Perkembangan tersebut dapat dimulai pada Lembaga Pendidikan. Berawal dari kenyataan ini, maka perlu adanya suatu alat eksperimen untuk menguji konduktivitas termal suatu bahan menggunakan metode Searle. Penggunaan metode Searle hanya bisa digunakan pada bahan yang nilai koefisien konduktivitas termal yang tinggi. Pada penelitian sebelumnya masih terdapat kesalahan pada pengukuran sehingga menyebabkan nilai yang diperoleh tidak tepat.
Penelitian ini membahas bagaimana menganalisis konduktivitas termal material logam menggunakan metode Searle serta membahas faktor apa saja yang mempengaruhi kesalahan dalam pengambilan data serta membandingkan hasil pengukuran dari metode Searle dengan nilai yang terdapat pada referensi yang digunakan.
II. Bahan dan Metode
Percobaan eksperimen ini menggunakan 2 bahan yaitu tembaga dan baja stainless yang sudah ditentukan spesifikasinya dengan diameter 0,0254 m dan panjang 0,2 m.
Gambar 1. Alat Uji Konduktivitas Termal
-46- Metode yang digunakan yaitu literatur dan eksperimen. Literatur digunakan untuk menganalisis perpindahan panas bahan logam.
Sedangkan eksperimen digunakan untuk melakukan alat ekperimen dan uji coba untuk mendapatkan data (Haloho, 1999).
III. Hasil dan Pembahasan
Alat eksperimen metode Searle dihubungkan dengan boiler sebagai penghasil panas menggunakan selang uap. Pengambilan data dilakukan 15 menit setelah alat mencapai kondisi steady state dengan durasi pengambilan tiap data selama 2 menit.
Gambar 2. Rangkaian alat eksperimen metode Searle
1. Penulisan Persamaan Matematis
Menurut Sanchita dan Panchal (2015), jika data pada alat uji konduktivitas termal telah diambil, perlu dilakukan perhitungan untuk memperoleh nilai koefisien konduktivitas termal bahan. Adapun persamaan yang digunakan sebagai berikut :
• Koefisien Konduktivitas Termal
Menurut (Ushie dkk, 2016) koefisien konduktivitas termal merupakan sifat fisik bahan atau material.
k = C air𝐿
𝐴
∆𝑚
∆𝑡
∆Tair
∆Tbatang (1) yang mana :
k : koefisien konduktivitas termal batang (W/m.°C)
C air : panas jenis air (kg / m3) L : panjang batang (m) A : luas penampang batang (m2)
∆m : massa air yang terkumpul selama waktu t (kg)
∆T air : suhu air sebelum dan sesudah melewati batang (°C)
∆T batang : perbedaan suhu antara setiap ujung batang (°C)
∆t : waktu yang diperlukan (detik)
• Selisih antara hasil eksperimen dengan nilai referensi
Untuk mencari persentase selisih antara hasil eksperimen dengan nilai referensi dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑘𝑜𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑛𝑑𝑢𝑘𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 − 𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑏𝑎𝑎𝑛 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑘𝑜𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑛𝑑𝑢𝑘𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 x100% (2)
2. Perhitungan Akhir Potensi
Menurut (Auliansyah dkk., 2021), hasil pengujian koefisien konduktivitas termal di pengaruhi oleh tingkat keakuratan alat ukur dalam membaca suhu pada bahan uji. Berikut ini hasil percobaan metode Searle pada bahan tembaga dan baja stainless dapat dilihat pada tabel 2 dan 3.
Tabel 2. Percobaan Metode Searle Pada Tembaga
No
Pembacaan Termometer
∆m (kg)
∆t (detik)
k (W/m.°C) T 1
(°C)
T 2 (°C)
T 3 (°C)
T 4 (°C)
1 95,1 92,3 30,2 29,3 0,081 120 359,8574
2 95,1 92,3 30,2 29,3 0,163 240 362,0787
3 95,2 92,4 30,3 29,4 0,245 360 362,8192
4 95,2 92,4 30,3 29,4 0,327 480 363,1894
5 95,1 92,3 30,2 29,3 0,409 600 363,4116
6 95,1 92,3 30,2 29,3 0,491 720 363,5596
Rata – Rata nilai koefisien konduktivitas termal 361,7085
-47-
Tabel 3 Percobaan Metode Searle Pada Baja Stainless
No
Pembacaan Termometer
∆m (kg)
∆t (detik)
k (W/m.°C) T 1
(°C) T 2 (°C)
T 3 (°C)
T 4 (°C)
1 61,8 34,1 28,1 27,4 0,041 120 14,32066
2 61,8 34,1 28,1 27,4 0,083 240 14,4953
3 61,9 34,2 28,2 27,5 0,125 360 14,55352
4 61,9 34,2 28,2 27,5 0,167 480 14,58262
5 61,8 34,1 28,1 27,4 0,209 600 14,60009
6 61,8 34,1 28,1 27,4 0,251 720 14,61173
Rata – Rata nilai koefisien konduktivitas termal 14,4662
Setelah dilakukan perhitungan terdapat perbedaan antara nilai yang diperoleh dari percobaan metode Searle dengan nilai yang terdapat pada referensi. Adapun selisih dari percobaan metode Searle dengan nilai yang terdapat pada referensi yang terdapat pada buku Cengel dapat dilihat pada tabel 4 di bawah ini.
Tabel 4. Perbandingan Nilai Koefisien Konduktivitas Termal Material No Material Uji Nilai Koefisiein
Konduktivitas Termal (Referensi)
Nilai Koefisiein Konduktivitas Termal
(Experiment Searle)
Selisih
1 Tembaga 401 W/m.°C 361,7085 W/m.°C 9,798 %
2 Baja Stainless 15,1 W/m.°C 14,4662 W/m.°C 4,329 %
IV. Kesimpulan
Dari hasil penelitian konduktivitas termal logam tembaga dan baja stainless dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Nilai yang diperoleh dari hasil pengukuran alat ini pada material tembaga dan baja stainless masing – masing sebesar 361,7085 W/m.°C dan 14,4662 W/m.°C. Terdapat perbedaan nilai koefisien konduktivitas termal dari metode Searle dengan nilai yang terdapat pada referensi karena di pengaruhi oleh faktor ketelitian alat ukur suhu, bahan yang digunakan belum diuji apakah sama dengan bahan yang digunakan pada referensi yang digunakan serta ada kemungkinan kotak pengujian material belum mencapai keadaan adiabatis sehingga terdapat pengaruh perbedaan suhu dari lingkungan.
2. Adapun selisih yang diperoleh dari hasil nilai konduktivitas termal tembaga dan baja stainless terhadap referensi masing – masing sebesar 9,798 % dan 4,329 %. Peneliti juga menyarankan kepada pembaca agar kedepannya melakukan pengambilang data berulang – ulang agar data yang diperoleh lebih akurat. Selain itu, perlu memperhatikan tingkat kerapatan alat agar tidak terjadi kehilangan kalor serta
memperhatikan kembali tingkat keakuratan alat ukur sehingga mengurangi tingkat kesalahan dalam percobaan.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan sebesar-besarnya terimakasih kepada orangtua, teman teaman seperjuangan di teknik mesin 2016 yang sudah banyak membantu dan seluruh dosen teknik mesin yang sudah membimbing dengan baik sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian.
Daftar Pustaka
Auliansyah, M. G., Akbar, A., & Pramesti, Y.
S. (2021). Sistem Instrumentasi Alat Uji Konduktivitas Thermal Logam. 200–205.
Cengel, Y. (2010). Thermodinamics An Engineering Approach. McGraw-Hill Higher Education.
Haloho, L. (1999). Pengukuran Koefisien Konduktivitas Termal Tembaga dan Aluminium dengan Metode Searle.
Universitas Katolik Widya Mandala.
-48- Holman, J. P. (1995). Perpindahan Kalor.
Erlangga.
Sanchita, E. P. R. B., & Panchal, P. D. (2015).
Measure of Heat Conduction through
Copper. 0, 5046–5053.
https://doi.org/10.15662/ijareeie.2015.04 06021
Ushie, P. O., Osang, J. E., Ojar, J. U., Daniel, T., Ettah, E., & Alozie, S. I. (2016).
Determination of Thermal Conductivity of Some Materials Using Searle’s Bar and Ingen Houze Experimental Methods April 1
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
