Laporan Konduktivitas Termal ( AWAS BACEM IKI NILAI NOL )

Analisis Konduktivitas Termal (k) Beberapa Jenis Kayu

Deril Ristiani, Setiawan A, Yovanita N, Kunti Nailazulfa Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: deril.risty@gmail.com

Abstrak—Telah dilakukan percobaan analisis konduktivitas termal (k) beberapa jenis kayu dengan tujuan mengetahui nilai konduktivitas termal beberapa jenis kayu dan faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada kayu. Percobaan ini menggunakan prinsip perpindahan panas tunak satu dimensi dimana diasumsikan bahwa perpindahan kalor hanya terjadi dalam satu arah saja. Percobaan ini dilakukan dengan memanaskan bahan yang akan diuji dengan sumber kalor kompor listrik dengan susunan seri aluminium-kayu-aluminium selama 10menit. Pada percobaan ini didapatkan data diameter dan panjang masing-masing bahan, serta temperature antar permukaan bahan (T₁, T₂, T₃, T₄). Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada kayu adalah struktur kayu (densitas, porositas) dan kandungan air pada kayu. Dan pada percobaan ini didapatkan nilai konduktivitas termal untuk kayu 1 sebesar 6.51W/m⁰C, kayu 2 sebesar 17.08W/m⁰C dan untuk kayu 3 sebesar 18.26W/m⁰C.

Kata Kunci : Konduktivitas termal, logam, tanah lempung

I.      PENDAHULUAN

S

 eiring perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini banyak ilmuwan menciptakan alat-alat teknologi yang sangat membantu dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu teknologi yang dikembangkan saat ini adalah tekonolgi dengan prinsip perpindahan panas. Contoh sederhana aplikasi prinsip perpindahan panas dalam kehidupan sehari-hari adalah termos dimana termos digunakan untuk menyimpan zat cair yang berada didalamnya agar tetap panas dalam jangka waktu tertentu. Sistem dinding bagian dalam termos dibuat sedemikan sehingga mencegah terjadinya perpindahan kalor secara konduksi, konveksi maupun radiasi. Oleh karena itu perlu mengetahui besar konduktivitas termal berbagai bahan agar dapat mengaplikasikan prinsip perpindahan panas sebagai alat tepat guna yang dapat membantu dalam kehidupan manusia.

Sifat termal merupakan sifat yang menunjukkan respon material terhadap panas yang diterima suatu bahan / material. Untuk mengetahui sifat termal suatu bahan, maka perlu dibedakan antar temperature / suhu dengan kandungan kalor. Kalor merupakan energy termal yang telah dimiliki oleh suatu zat yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Energi termal dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain dengan cara konduksi, konveksi, maupun radiasi.. Panas yang ditransfer dari suatu titik ke titik yang lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu:

1.     Konduksi adalah Bila 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^[1].

Konduksi termal adalah 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. 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 thermal dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya yaitu suhu, kepadatan dan porositas, serta kandungan uap air. Pengaruh suhu terhadap konduktivitas thermal kecil. Namun secara umum dapat dikatakan bahwa konduktivitas thermal akan meningkat apabila suhu meningkat. Keadaan pori-pori bahan akan mempengaruhi konduktivitas thermal. Semakin besar rongga akan semakin buruk konduktivitasnya. Kandungan uap air juga mempengaruhi konduktivitas thermal. Berikut adalah tabel nilai konduktivitas suatu bahan^[3].

Tabel 1.1 Konduktivitas suatu bahan ^[2].

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
Zat Cair
Air Raksa	8.21
Air	0.556
Ammonia	0.540
Minyak Lumas, SAE 50	0.147
Freon 12	0.073
Gas
Hidrogen	0.175
Helium	0.141
Udara	0.024
Uap air	0.0206
Karbon dioksida	0.0146

Berikut gambar konduktivitas termal beberapa zat padat terhadap suhu pemanasan.

                Gambar 1.1 Konduktivitas termal beberapa zat terhadap suhu pemanasan ^[2].

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, dimana 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 halnya tembaga, alumunium dan perak. Sebaliknya isolator listrik yang baik merupakan isolator kalor pula. Konduktivitas termal beberapa zat padat tertentu. Pada benda logam perpindahan panas melalui getaran kisi dan melalui electron bebas sedangkan pada benda non logam perpindahan panas hanya melalui getaran kisi saja, oleh karena itu perpindahan panas pada logam lebih cepat daripada perpindahan panas pada benda non logam^[4].

      Persamaan dasar dari konsep perpindahan panas konduksi adalah hukum Fourier. Hukum Fourier dinyatakan dengan:

........................................................................ (1.1)

      Dimana T= suhu (⁰C), x = jarak atau tebal dinding (m), A= luas dinding (m²), k = konduktivitas termal (W/m ⁰C), qk= laju perpindahan panas konduksi (W) dan qk/A= laju perpindahan panas persatuan luas (W/m ⁰C)/A^[2].

      Nilai konduktivitas termal suatu material dapat ditentukan melalui pengukuran tak langsung. Dengan melakukan pengukuran secara langsung terhadap beberapa besaran lain, maka nilai konduktivitas termal secara umum dapat ditentukan melalui persamaan:

................................................................................ (1.2)

Dimana : k=konduktivitas termal (W/m⁰C), Q = energi panas (J), A = luas permukaan yang dilewati panas (m²), = selisih temperatur antara dua permukaan (⁰C), L= panjang bahan (m)^[2].

II.    METODOLOGI

Percobaan analisis konduktivitas termal (k) beberapa jenis kayu bertujuan mengetahui nilai konduktivitas termal beberapa jenis kayu dan faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas pada kayu.

Adapun peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah satu buah kompor listrik sebagai sumber kalor, penggaris sebagai alat pengukur ketinggian dan diameter, penjepit bahan sebagai alat penjepit bahan ketika diukur temperaturnya, pyrometer sebagai alat pengukur suhu bahan, stopwatch sebagai penghitung mundur waktu pemanasan bahan yang diuji. Sedangkan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah dua buah aluminium sebagai objek percobaan, tiga buah kayu yang berbeda dengan tinggi 1,5cm sebagai objek percobaan.

Gambar 2.1 (a) Logam Aluminium dan kayu, (b) Skema percobaan

Langkah pertama, persiapan alat dan bahan, selanjutnya dipotong kayu dengan ketinggian 1.5cm dan dipastikan kayu memiliki diameter yang hampir sama dengan diameter aluminium. Diameter dan tinggi masing-masing bahan diukur menggunakan penggaris. Setiap bahan yang akan diuji diberi tanda permukaan atas dan permukaan bawahnya, hal ini dilakukan untuk menghindarai kesalahan peletakan saat percobaan selanjutnya. Kompor dinyalakan dan dibiarkan panas kompor merata terlebih dahulu kemudian bahan disusun diatas kompor listrik dengan susunan aluminium-kayu-aluminium (gambar 2.1b) dan dilakukan untuk semua bahan kayu yang diuji konduktivitas termalnya. Sampel dipanaskan diatas kompor tersebut selama 10menit. Setelah itu, diukur temperatur atas dari aluminium atas (T₄), temperatur bawah dari aluminium atas (T₃), temperatur atas aluminium bawah (T₂) dan temperature bawah aluminium bawah (T₁) dengan menggunakan alat pengukur suhu sehingga diketahui nilai temperatur pada setiap sisi bahan. Data yang diperoleh pada percobaan ini antara lain panjang bahan, luas penampang bahan, temperatur sesudah pemanasan,dan waktu pemanasan.

Gambar 2.2 Skema percobaan

Dengan menggunakan analisa gambar 2.2 maka dapat dilakukan perhitungan konduktivitas termal dengan prinsip bahwa laju kalor yang melewati benda 1 sama dengan laju kalor yang melalui benda 2 dan sama dengan laju kalor keseluruhan.

.................................................... (2.1)

Dalam percobaan ini dapat digunakan berbagai cara untuk mendapatkan nilai konduktivitas termal kayu, namun dapat juga dipilih salah satunya yaitu dengan penurunan persamaan sebagai berikut.

                                           (2.2)

Sehingga untuk mendapatkan konduktivitas termal kayu digunakan persamaan berikut.

                                                                (2.3)

Dimana k₂ adalah konduktivitas termal untuk kayu (W/m^oC), k adalah konduktivitas termal aluminium (202 W/m^oC), A₃ adalah luas permukaan aluminium (m²), A₂ adalah luas permukaan kayu (m²), L₂ adalah panjang kayu (m), L₃ adalah panjang aluminium (m).

III.  HASIL DAN PEMBAHASAN

         Dari serangkaian percobaan analisis konduktivitas termal (k) beberapa jenis kayu didapatkan data berupa panjang dan diameter masing-masing bahan (aluminium atas, aluminium bawah, kayu 1, kayu 2, kayu 3) serta suhu T₁, T₂, T₃, T₄ sebagai berikut.

Tabel 3.1 Data pengukuran diameter dan panjang bahan

Bahan	d (m)	l (m)
Aluminium atas	0,016	0,030
Aluminium bawah	0,016	0,031
Kayu 1	0,017	0,015
Kayu 2	0,016	0,015
Kayu 3	0.0155	0,015

Tabel 3.2 Data hasil percobaan setelah pemanasan

Bahan	T1 (ºC)	T2 (ºC)	T3 (ºC)	T4 (ºC)
Kayu 1	62	62	38	37
	61	55	38	37
	59	56	39	37
Kayu 2	61	59	42	38
	64	62	43	41
	65	54	42	44
Kayu 3	63	52	40	37
	62	54	40	39
	62	56	40	37

Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil percobaan, maka dapat dilakukan perhitungan, sehingga didapatkan nilai konduktivitas termal pada masing-masing kayu. Berikut contoh perhitungan konduktivitas termal pada kayu 1 pada pengulangan 1.

Contoh perhitungan:

Diketahui :

L_kayu1 = 0.015 m

L_{alumunium atas} = 0.03 m

r _kayu1 = 0,0085 m

r_alumunium = 0,008 cm

T₁ = 62ºC

T₂ = 62ºC

T₃ = 38ºC

T₄ = 37ºC

k (aluminium) = 202 W/mºC

Ditanya : k₂ (kayu 1) ?

Jawab:

Dalam percobaan ini dapat digunakan berbagai cara untuk mendapatkan nilai konduktivitas termal kayu, namun dapat juga dipilih salah satunya yaitu dengan penurunan persamaan sebagai berikut

Untuk data hasil perhitungan konduktivitas termal masing-masing kayu selengkapnya dapat dilihat pada tabel 3.3 berikut.

Tabel 3.3 Hasil perhitungan nilai konduktivitas termal masing-masing bahan

Bahan	Konduktivitas kayu k (W/m°C)	Konduktivitas rata-rata kayu  (W/m°C)
Kayu 1	3.73	6.51
	5.26
	10.53
Kayu 2	23.76	17.08
	10.63
	16.83
Kayu 3	26.91	18.26
	7.69
	20.18

Percobaan analisis konduktivitas termal (k) beberapa jenis kayu ini dilakukan untuk mengetahui nilai konduktivitas termal beberapa jenis kayu dan faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas pada kayu. Pada tabel 3.2 diatas didapatkan data temeperatur disetiap titik permukaan kayu dan aluminium yaitu  T₁, T₂, T₃, T₄ seperti pada gambar 2.2 dimana temperature pada setiap permukaan menunjukkan nilai yang berbeda dengan T₁>T₂>T₃>T₄. Ujung aluminium yang bersentuhan langsung dengan sumber panas memiliki temperature sangat tinggi (T₁) sedangkan ujung aluminium yang lain memiliki temperature lebih rendah (T₄). Adanya perbedaan temperature pada ujung-ujung batang inilah yang menyebabkan terjadinya konduksi termal atau terjadinya transfer energy termal dari ujung batang dengan temperature tinggi ke ujung batang yang lain dengan temperature yang lebih rendah. Konduksi termal ini terjadi karena adanya tumbukan antar molekul penyusun zat. Secara teori dapat dijelaskan bahwa ketika ujung aluminium dipanaskan maka electron dalam ujung aluminium akan mendapatkan energy lebih sehingga electron bergetar lebih cepat dengan energy kinetik tinggi. Electron yang bergetar cepat dengan energy kinetik tinggi tersebut akan menumbuk elektron-elektron  yang ada didekatnya yang bergetar lebih lambat dengan energy kinetik yang lebih rendah,  saat terjadi tumbukan tersebut maka terjadi transfer energy ke electron yang ditumbuknya dalam bentuk kalor sehingga electron  yang semula bergetar lambat dapat bergetar lebih cepat dan begitu seterusnya hingga kalor sampai pada ujung aluminium yang lain.

Proses perpindahan panas konduksi pada zat padat pada percobaan ini terjadi pada dua macam material yaitu aluminium dan kayu. Aluminium merupakan material logam yang terdiri dari ion-ion logam berupa bola-bola keras yang tersusun secara teratur, berulang dan disekitar ion-ion logam terdapat awan atau lautan elektron yang dibentuk dari elektron valensi dari logam aluminium yang bersifat mobil atau dapat bergerak. Dalam material logam aluminium energy termal dihantarkan (perpindahan panas) melalui dua media yaitu melalui gelombang getaran kisi (fonon) dan melalui elektron bebas. Dalam bahan logam aluminium ketika dipanaskan akan terjadi peningkatan energy getaran kisi (fonon) atom atom penyusun nya. Atom atom pada material logam aluminium secara konstan bergetar pada frekwensi tinggi dengan amplitudo yang relative kecil. Pergetaran atom atom ini seolah olah menciptakan bentuk gelombang kisi (fonon) yang berjalan sehingga energy termal dapat dihantarkan ke ujung logam lainnya melalui gelombang getaran kisi (fonon) ini. Selain itu dalam bahan logam aluminium, energy termal juga dihantarkan oleh electron bebas yang saling menumbuk electron-elektron didekatnya sehingga terjadi transfer energy dalam bentuk kalor hingga kalor mencapai ujung logam lainnya. Dapat disimpulkan bahwa konduktivitas termal pada bahan logam aluminium dalam percobaan ini merupakan kontribusi dari konduktivitas termal getaran kisi (fonon) dan konduktivitas termal electron bebas (k=k_fonon+k_elektron). Sedangkan kayu merupakan material non logam dimana biasanya ikatan yang terjadi pada bahan non logam adalah ikatan kovalen (ikatan kimia yang terjadi jika adanya penggunaan pasangan elektron secara bersama-sama oleh atom-atom yang berikatan). Dalam material non logam (kayu) tidak terdapat electron bebas sehingga dalam material non logam energy termal hanya dihantarkan melalui gelombang getaran kisi (fonon). Ketika kayu dipanaskan akan terjadi peningkatan energy getaran kisi (fonon) pada atom-atom penyusun kayu dengan frekuensi tinggi dan amplitude yang relative kecil. Pergetaran atom atom ini seolah olah menciptakan bentuk gelombang kisi (fonon) yang berjalan sehingga energy termal dapat dihantarkan ke ujung kayu lainnya melalui gelombang getaran kisi (fonon) ini. Dapat disimpulkan bahwa konduktivitas termal pada kayu dalam percobaan ini merupakan kontribusi dari konduktivitas termal getaran kisi (fonon) saja. Dari hasil perhitungan dan referensi didapat bahwa konduktivitas termal logam aluminium lebih besar daripada konduktivitas termal kayu, hal ini dikarena pada aluminium (material logam) konduktivitas termalnya merupakan kontribusi dari konduktivitas termal getaran kisi (fonon) dan konduktivitas termal electron bebas sedangkan pada kayu (material non logam) konduktivitas termal merupakan kontribusi konduktivitas termal getaran kisi (fonon) saja. Jika dibandingkan antara aluminium dengan kayu maka aluminium memiliki kemampuan menghantar panas yang lebih cepat daripada kayu karena dalam aluminium terdapat electron bebas.

      Pada percobaan ini didapat nilai konduktivitas termal rata-rata untuk masing-masing kayu yang diuji yaitu kayu 1 sebesar 6,51W/m^oC, kayu 2 sebesar 17,08W/m^oC, dan kayu 3 sebesar 18,26W/m^oC. Nilai konduktivitas termal masing-masing kayu berbeda-beda, hal ini dikarenakan setiap kayu memilki kondisi fisis yang berbeda dimana kayu 1 strukturnya padat kering sedangkan kayu 2 strukturya padat sedikit lembab sedangkan kayu 3 strukturnya padat berair. Dari hasil perhitungan konduktivitas termal dan pengamatan kondisi fisis kayu didapatkan hasil kayu 3 dengan kondisi padat berair nilai konduktivitas termalnya paling besar, diikuti dengan kayu 2 dengan kondisi padat lembab dan yang paling kecil yaitu kayu 1 dengan kondisi padat kering. Menurut teori, konduktivitas termal dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya yaitu kepadatan, porositas,dan kandungan uap air. Keadaan pori-pori kayu mempengaruhi konduktivitas termal dimana semakin besar pori-pori maka konduktivitas termal semakin kecil artinya kemampuan menghantar kalornya semakin jelek. Densitas kayu juga mempengaruhi konduktivitas termal diamana semakin rapat atau padat kayu tersebut maka kemampuan menghantar kalornya semakin baik. Kandungan uap air juga mempengaruhi konduktivitas termal kayu dimana dengan kandungan air yang semakin banyak maka kemampuan menghantar kalornya semakin baik. Hasil percobaan ini sesuai dengan teori dimana kayu 3 yang memiliki kandungan air yang lebih banyak nilai konduktivitas termalnya lebih besar sedangkan kayu 1 yang kering konduktivitas termalnya kecil.

IV.  KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan analisis konduktivitas termal (k) beberapa jenis kayu maka dapat disimpulkan bahwa faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal pada kayu adalah struktur kayu (densitas, porositas) dan kandungan air pada kayu. Dan pada percobaan ini didapatkan nilai konduktivitas termal untuk kayu 1 sebesar 6.51W/m⁰C, kayu 2 sebesar 17.08W/m⁰C dan untuk kayu 3 sebesar 18.26W/m⁰C.