Telah dilakukan
tentang konduktivitas listrik beberapa material padatan yang
bertujuan untuk mengetahui nilai konduktivitas beberapa material
padatan serta mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi nilai
konduktivitas material padatan. Prinsip
yang digunakan pada percobaan ini adalah perpindahan panas secara
konduksi. Dalam praktikum ini menggunakan tiga jenis sampel material
padatan, yakni lempung, batu bricon
dan kayu. Pada masing-masing
sampel material padatan dibentuk silinder.
Lalu ditumpuk diantara dua buah besi. Kemudian
dipanaskan selama 5 menit di
atas kompor. Dan didapatkan empat titik
temperatur yang digunakan untuk mencari nilai konduktivitas termal
pada sampel material padatan. berdasarkan percobaan
yang telah dilakukan didapatkan nilai konduktivitas thermal lempung
sebesar 16,3379 W/m0C,
batu bricon 7,0362 W/m0C
dan kayu 4,4968 W/m0C.
Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas suatu material
padatan yaitu ikatan yang terjadi pada masing-masing material, kalor
jenis benda, luas penampang material, dan juga waktu pemanasan
material.
I.
PENDAHULUAN
Setiap Material pasti mengalami proses perpindahan panas. Namun proses ini tidak bisa diamati tetapi pengaruhnya bisa dirasakan dan diukur. Perpindahan panas meliputi konduksi, konveksi dan radiasi, dimana proses-proses perpindahan panas ini banyak ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai contohnya yaitu saat memanaskan air. Proses perpindahan panas yang terjadi saat memanaskan air ini yaitu proses konveksi. Konveksi merupakan proses perpindahan panas yang pada umunya terjadi pada zat cair. Perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang diikuti pergerakan media perambatannya.
Perpindahan panas
adalah perpindahan energi yang terjadi pada benda atau material yang
bersuhu tinggi menuju ke suhu yang lebih rendah, hingga tercapainya
kesetimbangan panas. Kesetimbangan panas terjadi jika panas dari
sumber panas sama dengan jumlah panas benda yang dipanaskan dengan
panas yang disebarkan oleh benda tersebut ke medium sekitarnya.
Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme,
yaitu konduksi, konveksi dan radiasi[2].
Konduksi
adalah perpindahan panas atau
kalor melalui satu
jenis zat sehingga konduksi merupakan satu proses pendalaman karena
proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah
aliran energi kalor adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu
rendah. Perpindahan panas
konduksi umumnya terjadi pada zat padat. Proses perpindahan panas
konduksi terjadi dengan tanpa diikuti media penghantarnya. Contoh
perpindahan panas secara konduksi dalam kehidupan sehari-hari yaitu
saat mengaduk kopi dengan sendok, ujung pegangan sendok juga akan
terasa panas walaupun tidak tercelup ke dalam kopi yang panas[1].
Proses
perpindahan kalor secara konduksi dilihat secara atomik merupakan
pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang
energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan
energi yang lebih tinggi. Sebelum
dipanaskan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada
ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron
bergetar dengan amplitudo 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[4].
Jumlah panas yang
dikonduksikan melalui material persatuan waktu dituliskan oleh
persamaan:
Konveksi
adalah perpindahan panas atau
kalor dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan. Besarnya
konveksi tergantung pada luas permukaan benda yang bersinggungan
dengan fluida (A), perbedaan suhu antara permukaan benda dengan
fluida (deltaT), koefisien konveksi (h).
Konveksi hanya dapat terjadi
melalui zat yang mengalir, maka bentuk pengangkutan kalor ini hanya
terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat ini terjadi
aliran, karena massa yang akan dipanaskan tidak sekaligus dibawa ke
suhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau
yang pertama dipanaskan memperoleh massa jenis yang lebih kecil
daripada bagian massa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi
sirkulasi, sehingga kalor akhirnya tersebar pada seluruh zat.
Perpindahan panas konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi
dengan diikuti oleh pergerakan media perambatannya[1].
Perpindahan
panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena pancaran
radiasi gelombang elektromagnetik. Perpindahan pans radiasi
berlangsung elektromagnetik dengan panjang gelombang pada interval
tertentu. Jadi perpindahan pans radiasi tidak memerlukan media,
sehingga panas dapat berlangsung dalam ruangan hampa udara. Benda
yang dapat memancarkan pans dengan sempurna disebut radiator yang
sempurna dan dikenal sebagai benda hitam. Sedangkan benda yang ttidak
dapat memancarkan panas dengan sempurna disebut benda abu-abu[1].
Daya
hantar panas atau konduktivitas termal adalah sifat bahan yang
menunjukkan berap cepat bahan itu dapat menghantarkan panas konduksi.
Koefiesien konduksi (k) adalah jumlah panas yang mengalir tiap satuan
waktu melalui tebal dinding 1 ft yang luasnya 1 ft2
apabila diberi beda suhu 1°C. Daya
hantar pans dapat diukur berdasarkan hokum Fourier. Pada umumnya daya
hantar panas suatu bahan harus diukur denagn mengadaan percobaan.
Daya hantar panas biasa dipengaruhi oleh suhu. Koefisien
konduktivitas termal k didefinisikan sebagai laju panas pada suatu
benda dengan suatu gradien temperature. Dengan
kata lain konduktivitas termal menyatakan kemampuan bahan
menghantarkan kalor. Koefisien
konduktivitas termal (k) merupakan formulasi laju panas pada suatu
benda dengan suatu gradien temperature. Nilai
konduktivitas termal sangat berperan penting untuk menentukan jenis
dari penghantar yaitu konduksi yang baik atau buruk[3].
Bahan
yang mempunyai konduktivitas yang baik disebut dengan konduktor,
misalnya logam. Sedangkan bahna yang mempunyai konduktivitas jelek
disebut isolator, misalnya asbes, wol, dsb. Suatu bahan
dikatakan konduktor apabila bahan tersebut mempunyai nilai k yang
besar yaitu > 4.15 W/m°C, biasanya
bahan tersebut terbuat dari logam. Sedangkan untuk isolator mempunyai
nilai k < 4.01 W/m°C, biasanya bahan
tersebut terbuat dari bahan bukan logam.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 isolator) untuk nilai
koefisien panas yang kecil[4].
Tabel 1 Nilai
konduktivitas termal berbagai bahan pada 0℃[1]
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
|
Konduktivitas
termal dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah suhu,
kepadatan dan porositas dan kandungan uap air. Suhu memiliki pengaruh
yang sangat kecil, namun tetap saja dikatakan bahwa suhu memiliki
pengaruh terhadap konduktivitas. Karena semakin bertambahnya suhu,
konduktivitas bahan tertentu juga akan meningkat. Kepadatan dan
porositas suatu benda berpengaruh pada konduktivitas suatu benda,
semakin banyak rongga pada benda tersebut maka semakin besar
persentasi porositasnya. Dan semakin besar porositas menyebabkan
nilai konduktivitas semakin menurun.. Kandungan uap air juga
mempengaruhi konduktivitas thermal. Konduksi termal akan meningkat
seiring meningkatnya kandungan kelembaman suatu benda[2].
Gambar
1. Contoh proses konduksi dengan dirangkai seri
II. METODE
Alat
dan Bahan
Percobaan
konduktivitas termal ini digunakan alat yang meliputi satu set kompor
listrik beserta kasa sebagai pemanas, pyrometer
sebagai alat pengukur suhu, penjepit untuk mengambil sampel
dari kompor. Kemudian bahan yang digunakan yakni
tiga jenis sampel material padatan yakni lempung dengan d=2 cm
dan t=1,7 cm; batu bricon dengan d=2,7 cm
dan t=2 cm; dan kayu dengan d=2,2 cm dan
t=1,5 cm. Dua buah besi
dengan d=2,3cm dan t=1,7cm sebagai media penghantar panas, serta
air sebagai pendingin besi. Berikut
merupakan ketiga sampel dan besi yang digunakan pada percobaan ini
Gambar
2. Tiga buah sampel yang digunakan saat praktikum
Gambar
3. Rangakaian Seri Percobaan
Langkah
kerja
Percobaan ini
dilakukan dengan ketiga sampel yang telah ditentukan. Pertama setelah
semua alat dan bahan disiapkan dan telah dipastikan alat dalam
kondisi yang baik, kompor dinyalakan kemudian sampel disusun secara
seri dengan kedua buah besi. Dimana sampel material padatan berada
diantara dua buah besi tersebut. Pemanasan ini dilakukan selama 5
menit. Setelah dipanaskan selama 10 menit diukur
besar suhu tiap ujung besi dengan pyrometer. Sehingga didapatkan T1,
T2, T3 dan T4 dalam 3 kali pengulangan. Kemudian
besi tersebut didinginkan hingga kembali
pada suhu awal. Selanjutnya dilakukan pengulangan untuk jenis sampel
material padatan yang lain. Secara sistematis langkah kerja
percobaan digambarkan sebagai berikut
Gambar
4. Flowchart
III. HASIL
DAN PEMBAHASAN
A.
Analisa Data
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan data seperti pada tabel 1 berikut, dengan sampel yang digunakan yaitu lempung, batu bricon dan kayu serta dua buah besi sebagai penghantar.
Tabel 2.
Data hasil praktikum dengan sampel lempung
Rata-rata
|
T1
0C
|
T2
0C
|
T3
0C
|
T4
0C
|
40
|
42
|
63
|
68
|
|
39
|
41
|
63
|
66
|
|
39
|
40
|
62
|
65
|
|
39,33
|
41
|
62,67
|
66,33
|
Tabel 3.
Data hasil praktikum dengan sampel batu bricon
Rata-rata
|
T1
0C
|
T2
0C
|
T3
0C
|
T4
0C
|
38
|
43
|
63
|
66
|
|
37
|
42
|
63
|
65
|
|
37
|
41
|
62
|
64
|
|
37,33
|
42
|
62,67
|
65
|
Tabel 4. Data hasil
praktikum dengan sampel kayu
Rata-rata
|
T1
0C
|
T2
0C
|
T3
0C
|
T4
0C
|
40
|
41
|
62
|
62
|
|
38
|
40
|
61
|
63
|
|
39
|
40
|
61
|
63
|
|
39
|
40,33
|
61,33
|
62,67
|
B.
Perhitungan
Berdasarkan data
yang telah diperoleh dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai
konduktivitas termal untuk masing-masing sampel (lempung, batu bricon
dan kayu) menggunakan persamaan 1. Berikut merupakan contoh
perhitungan konduktivitas termal kayu
Setelah dilakukan
perhitungan nilai konduktivitas termal masing-masing sampel, berikut
hasil yang diperoleh
Tabel
5. Data hasil perhitungan nilai
konduktivitas sampel
Sampel
|
k
(W/m0C)
|
Lempung
|
16,3379
|
Batu
bricon
|
7,0362
|
Kayu
|
4,4968
|
C. Pembahasan
Percobaan
konduktivitas termal ini bertujuan untuk mengetahu nilai
konduktivitas termal untuk masing-masing sampe yang digunakan
(lempung, batu bricon dan kayu). Percobaan ini juga untuk mengetahui
faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal beberapa
material padatan.
Percobaan ini
dilakukan dengan sampel material padatan dan dua buah besi sebagai
penghatar panas disusun secara seri dengan sampel diletakkan diantara
dua besi besi. susunan seri ini menyebabkan kalor yang merambat pada
besi bawah, sampel dan juga besi atas adalah sama. kalor pada
msing-masing material juga sama dengan kalor totalnya.
Berdasarkan
percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan didapatkan nilai
konduktivitas termal untuk masing-masing sampel yaitu, lempung
16,3379 W/m0C,
batu bricon 7,0362 W/m0C
dan kayu 4,4968 W/m0C.
Besar nilai konduktivitas antara bahan logam dan non logam berbeda.
perbedaan ini dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti perbedaan
ikatan yang terjadi pada masing-masing material, kalor jenis benda,
luas penampang material, dan juga waktu pemanasan material.
Keberadaan elektron
dalam bahan mempengaruhi proses konduksi yang terjadi dalam bahan
tersebut. pada material bahan logam, terdapat banyak elektron bebas
didalamnya. Sehingga ketika suatu benda bahan logam diberikan kalo
pada salah satu ujung atau permukaannya, maka elektron-elektron bebas
tersebut akan memiliki energi yang cukup bergera denagn cepat dan
menumbuk elektron-elektron bebas lainnya. adanya tumbukan-tumbukan
yang terjadi antar electron-elektron bebas di dalam material logam
ini menyebabkan laju perpindahan panas yang cepat.
Karena adanya pergerakan elektron bebas di
dalam struktur kisi bahan, disamping elektron tersebut mengangkut
muatan-muatan listrik, dapat pula membawa energi termal dari daerah
bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Energi dapat berpindah
sebagai energi getaran dalam struktur kisi bahan. Karena itu,
penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar kalor yang
baik pula.
Sedangkan untuk
bahan non logam, jumlah elektron bebas sangat sedikit. karena jumlah
elektron bebas yang sedikit, hal ini menyebabkan proses perpindahan
panas pada bahan non logam tidak terjadi melalui proses pengangkutan
elektron melainkan melalui energi kisi. Perpindahan panas melalui
geraran energi kisi tidaklah sebanyak atau sebaik perpindahan panas
malalui pengangkutan elektron. Hal ini berakibat pada besar nilai
konduktivitas termal bahan non logam yang lebih kecil dibandingkan
dengan bahan logam.
Luas penampang juga
mempengaruhi nilai konduktivitas termal suatu material. Dimana
semakin besar luas penampang suatu material maka konduktivitas
termalnya akan semakin kecil dikarenakan kalor
harus mengisi pada semua bagian luasan material dengan sama besar.
hal ini menyebabkan laju kalornya semakin kecil. Sedangkan semakin
sempit luas penampang maka konduktivitas panas akan semakin besar.
Oleh karena itu semakin
besar konduktivitas bahan yang digunakan maka semakin besar pula laju
kalor yang terjadi. nilai konduktivitas yang lebih besar
mengartikan bahwa semakin besar panas yang dapat
diterima oleh bahan tersebut sehingga bisa disebut konduktor panas
yang baik, begitu pula sebaliknya semakin kecil nilai konduktivitas
panas maka semakin sedikit panas yang dapat diterima benda tersebut.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan
percobaan yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa:
1. Nilai
konduktivitas termal lempung 16,3379 W/m0C,
batu bricon 7,0362 W/m0C
dan kayu 4,4968 W/m0C.
2. Faktor-faktor
yang mempengaruhi nilai konduktivitas suatu material padatan yaitu
ikatan yang terjadi pada masing-
masing material, kalor jenis benda,
luas penampang material, dan juga waktu pemanasan material.
UCAPAN
TERIMA KASIH
Penulis
mengucapkan terima kasih kepada asisten
percobaan konduktivitas termal
yaitu Deril Ristiani dan Nulailyah Isnaini
yang telah membimbing kami selama praktikum
berlangsung dan juga penulis mengucapkan terima kasih kepada teman-
teman sekelompok praktikum konduktivitas termal atas
kerjasama dalam melakukan percobaan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Buchori, Luqman. 2004.”Buku Ajar Perpindahan Panas”.Semarang: Universitas Diponegoro.
[2] Estuhono dkk. 2010. “Makalah Praktikum Eksperimen FisikaPengukuran konduktivitas termal”. Padang: Universitas
Negeri Padang.
[3] http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/19803/4/Chapter%20II.pdf
[4] Incropera, Frank P. Dewitt, David P. 2002. “Fundamentals Of Heat and Mass Transfer 5th edition”. Singapore: John
Wiley & Sons, Inc.
No comments:
Post a Comment