|
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/moC), k
adalah konduktivitas termal aluminium (202 W/moC), 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 :
Lkayu1
= 0.015 m
Lalumunium
atas = 0.03 m
r kayu1
= 0,0085 m
ralumunium
= 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=kfonon+kelektron). 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/moC, kayu 2 sebesar
17,08W/moC, dan kayu 3 sebesar 18,26W/moC. 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.
