|
Pengukuran Konduktivitas Termal Material
Serbuk Kayu
|
|
Seni Ramadhanti S, Kunti
Nailazzulfa, Setiawan Abdillah, Yovanita Narsisca
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia Email: ramadhanti.seni12@mhs.physics.its.ac.id |
Abstrak—Telah dilakukan percobaan pengukuran konduktivitas termal material
serbuk kayu. Praktikum ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh konduktivitas termal
material pada pengaplikasiannya. Peralatan yang digunakan
dalam percobaan ini antara lain pyrometer, kompor listrik,
kassa, gelas, air, tisu, timer, 2 buah Alumunium (l = 3cm), dan 3 buah material
sampel (serbuk kayu) dengan l masing-masing = 0,5 cm, 1 cm, 1,5 cm. Dari praktikum yang telah dilakukan maka dapat
diambil kesimpulan bahwa nilai konduktivitas termal pada kayu l = 0,5 cm sebesar 14,7472 W/moC , sedangkan pada l = 1
cm diperoleh 35,3386 W/moC, dan pada l = 1.5 cm
sebesar 65,1690 W/moC. Hubungan panjang sampel dengan nilai
konduktivitas yang didapatkan adalah semakin panjang sampel, maka konduktivitas
termal yang dihasilkan juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan konduktivitas termal dimana besar
panjang sampel akan sebanding dengan konduktivitas termalnya. Konduktivitas
panas selalu dianggap tetap terhadap suhu, meskipun disadari bahwa pada umumnya
konduktivitas panas dipengaruhi oleh suhu, tetapi kenyataan pengaruh suhu pada
konduktivitas panas tidak begitu besar.
I. PENDAHULUAN
Terdapat tiga macam proses perpindahan energi panas. Proses tersebut
adalah perpindahan energi secara konduksi, konveksi dan radiasi. Perpindahan energi
panas secara konduksi merupakan perpindahan energi panas yang disalurkan secara
langsung antar molekul tanpa adanya perpindahan dari molekul yang bersangkutan.
Proses konduksi terjadi pada benda padat, cair maupun gas jika terjadi kontak
secara langsung dari ketiga macam benda tersebut. Jika zat mendapat energi
panas maka energi panas tersebut digunakan untuk menggetarkan partikel-partikel
zat tersebut. Partikel-partikel yang bergetar mempunyai energi kinetik lebih
besar ini, memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel tetangganya
melalui tumbukan sehingga partikel tetangga bergetar dengan energi kinetik
lebih besar pula. Begitu seterusnya partikel tetangga ini memindahkan energi ke
partikel tetangga berikutnya. Sampai semua material telah rata mendapatkan
panas. Perpindahan panas dengan proses konveksi terjadi hanya pada benda cair.
Perpindahan ini disertai dengan perpindahan benda cair secara fisik. Pada saat energi
panas yang diterima oleh benda cair tersebut melebihi titik batas maka benda
cair itu akan mengalami perubahan phasa. Perpindahan panas dengan proses
radiasi berbeda dengan proses konduksi maupun konveksi. Energi radiasi
dirambatkan menggunakan gelombang elektromagetik diantara dua objek yang
dipisahkan oleh jarak dan perbedaan temperatur dan tanpa medium penghantar[1].
Konduktivitas panas (k) merupakan perhitungan kapasitas hantar panas
suatu material. Konduktivitas panas merupakan property dari suatu material yang
menentukan kemampuan suatu benda menghantarkan panas. Materi yang memiliki
konduktivitas panas rendah dapat disebut dengan isolator yang baik. Setiap
materi memiliki lebar batasan dari konduktivitas panas. Konsep dasar dari
konduktivitas panas adalah kecapatan dari proses difusi energi kinetic
molekuler pada suatu material yang menghantarkan panas[2].
Konsuktivitas termal logam murni, pada umumnya berkurang sesuai dengan
suhunya. Konduktivitas termal bahan yang homogen biasanya sangant bergantung pada densitas, yaitu massa bahan dibagi
dengan volume total. Dalam volume total ini termasuk juga volume rongga,
seperti kantong-kantong udara yang terdapat di dalam batas-batas bahan itu.
Konduktivitas bergantung juga pada suhu. Sebagai kaidah umum k bahan-bahan tak
homogen bertambah tinggi jika suhu dan densitas makin tinggi. Atom-atom dalam zat padat bergetar disekitar posisi pertengahan ketika temperaturnya
dinaikkan. Frekuensi dari getaran berjumlah terbatas dan di atas temperatur
karakteristik tidak tergantung pada temperaturnya. Saat temperature naik, hanya
amplitudo getarannya saja yang dapat naik. Kenaikan amplitude getaran ini
mempunyai beberapa efek yang menarik. Setiap mode getaran dapat dibayangkan
sebagai sebuah tipe ketidaksempurnaan dalam periodisitas kristal yang
sebenarnya, yang dapat direpresentasikan dengan sebuah fonon dengan energi hv
berpropagasi melalui kristal. Fonon adalah fenomena yang muncul dari kuantisasi
system Fisika. Fonon dapat ditemui dalam sistem kristal. Jadi, Fonon adalah
partikel yang terdapat dalam gelombang elastik. Konduktivitas termal zat
menunjukkan bahwa logam merupakan konduktor termal yang baik daripada non
logam, seperti kayu, karena mobilisasi elektron ikut berpartisipasi dalam
konduktivitas listrik dan juga ikut berperan dalam transfer energi panas[3].
II. METODE
Dalam praktikum ini diperlukan alat dan bahan
sebagai berikut, yaitu dua silinder logam alumunium dengan
panjang masing-masing 3 cm, padatan serbuk kayu, kompor listrik, pirometer,
air, penjepit dan stopwatch. Pyrometer merupakan sebuah
alat dengan sensor suhu yang berfungsi
untuk mengukur suhu suatu benda dengan mengarahkan pointer tepat pada titik
tengah benda yang akan diukur suhunya. Al adalah sebagai material referensi yang telah
diketahui koefisien konduktivitasnya, sebagai pembanding untuk material sampel
agar dapat diketahui koefisien konduktivitasnya. Serbuk kayu adalah sebagai material sampel yang
akan dicari konduktivitasnya. Langkah awal pada percobaan ini yaitu disiapkan
alat dan bahan yang akan digunakan. Kemudian diukur panjang masing-masing untuk
material referensi dan material sampel. Diletakkan kasa diatas api sebagai alas. Lalu disusun material
seperti tampak pada gambar 1 dan ditentukan T1, T2, T3,
dan T4 nya. Kemudian dinyalakan kompor listrik, dan bahan dipanaskan
selama 5 menit. Setelah 5 menit, bahan diangkat satu persatu dengan penjepit
dan diukur masing-masing suhunya dengan menggunakan pyrometer seperti pada gambar 2. Setelah
suhu diukur, bahan didinginkan dengan cara memasukkannya ke dalam gelas beker
yang telah diisi air, kemudian bahan dikeringkan dengan tisu. Diulangi langkah
diatas sebanyak 3 kali untuk material sampel dengan panjang 1 cm dan 1.5 cm.
Gambar 2 Dua Alumunium dan serbuk kayu
Gambar 2
pengukuran suhu menggunakan pyrometer
Gambar 3 pyrometer
Berikut adalah flow chart
percobaan:
|
Kompor
listrik dinyalakan selama 5 meint
|
|
Selesai
|
|
Mulai
|
|
Disiapkan alat dan bahan
|
|
Diukur
panjang material sampel dan material referensi
|
|
Sampel disusun berada diantara 2 alumunium
|
|
Semua sampel sudah dipakai?
|
|
Dilakukan
pengulangan 3 kali
|
|
Diukur suhu menggunakan
pirometer
|
Gambar 3 Flow
chart
Rumus untuk
mencari k sampel:
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada percobaan
ini, telah didapatkan data hasil percobaan masing-masing sampel yang ditampilkan pada tabel di bawah sebagai berikut:
Tabel 3.1 Data hasil percobaan untuk
panjang sampel l=0.5 cm
|
No
|
T1
|
T2
|
T3
|
T4
|
|
1
|
35
|
47
|
51
|
52
|
|
2
|
34
|
73
|
53
|
62
|
|
3
|
37
|
47
|
57
|
67
|
Tabel 3.2 Data hasil percobaan untuk panjang sampel l=1 cm
|
No
|
T1
|
T2
|
T3
|
T4
|
|
1
|
36
|
45
|
49
|
51
|
|
2
|
34
|
42
|
45
|
50
|
|
3
|
37
|
48
|
51
|
59
|
Tabel 3.3 Data hasil percobaan untuk panjang sampel l= 1.5 cm
|
No
|
T1
|
T2
|
T3
|
T4
|
|
1
|
32
|
36
|
45
|
46
|
|
2
|
35
|
45
|
56
|
60
|
|
3
|
34
|
41
|
51
|
60
|
Dari tabel
diatas, dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai konduktivitas termal
sampel yaitu sebagai berikut:
Diketahui
:
= T4-T3 = 52-51
= T2-T1 = 47-35
Ls = 0.005 m
Lr = 0.03 m
K
referensi = 202 W/m
q = 1
Ditanyakan : konduktivitas termal
sampel?
Jawab :
W/m
Untuk data
perhitungan selengkapnya dapat dilihat dalam tabel 3.4, 3.5 dam 3.6 di bawah ini:
Tabel 3.4 Data hasil perhitungan k sampel l=0.5 cm
|
No
|
∆Tr
|
Lr
|
Ls
|
∆Ts
|
k Al
|
Ksampel(W/moC)
|
|
1
|
1
|
0.03
|
0.005
|
12
|
202
|
2,8055
|
|
2
|
9
|
0.03
|
0.005
|
39
|
202
|
7,76923
|
|
3
|
10
|
0.03
|
0.005
|
10
|
202
|
33,6666
|
|
Rata-Rata
|
14,7472
|
|||||
Tabel 3.5 Data hasil perhitungan k sampel
l=1 cm
|
No
|
∆Tr
|
Lr
|
Ls
|
∆Ts
|
k Al
|
Ksampel(W/moC)
|
|
1
|
2
|
0.03
|
0.01
|
9
|
202
|
14,9629
|
|
2
|
5
|
0.03
|
0.01
|
8
|
202
|
42,0833
|
|
3
|
8
|
0.03
|
0.01
|
11
|
202
|
48,9696
|
|
Rata-Rata
|
35,3386
|
|||||
Tabel 3.6 Data hasil perhitungan k sampel
l=1.5 cm
|
No
|
∆Tr
|
Lr
|
Ls
|
∆Ts
|
k Al
|
Ksampel(W/moC)
|
|
1
|
1
|
0.03
|
0.015
|
4
|
202
|
25,25
|
|
2
|
4
|
0.03
|
0.015
|
10
|
202
|
40,4
|
|
3
|
9
|
0.03
|
0.015
|
7
|
202
|
129,8571
|
|
Rata-Rata
|
65,1690
|
|||||
Dari
tabel hasil
perhitungan di atas, dapat dilihat bahwa terdapat beberapa erorr data yang cukup
tinggi, karena seharusnya nilai konduktivitas termal sampel sekitar 0,17 W/m
, namun dari hasil perhitungan lebih dari 10 bahkan sampai 60. Kayu merupakan bahan yang
isolator dimana elektron bebasnya sedikit, sehingga sulit menghantarkan listrik. Error data yang cukup besar tersebut dapat
disebabkan oleh beberapa hal,
diantaranya waktu pemanasan yang kurang lama, pengukuran suhu menggunakan pirometer
yang kurang akurat karena harus ditembakkan, sehingga belum tentu tepat pada titik pengukuran ataupun bisa mengenai penjepit yang terbuat
dari logam. Hubungan panjang sampel dengan nilai konduktivitas yang didapatkan
adalah semakin panjang sampel, maka konduktivitas termal yang dihasilkan juga
semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan
konduktivitas termal dimana besar panjang sampel akan sebanding dengan
konduktivitas termalnya. Konduktivitas panas selalu dianggap tetap terhadap
suhu, meskipun disadari bahwa pada umumnya konduktivitas panas dipengaruhi oleh
suhu, tetapi kenyataan pengaruh suhu pada konduktivitas panas tidak begitu
besar.
Proses
perpindahan
kalor dari kompor yang menghasilkan api hingga sampai ke ujung alumunium
paling atas adalah energi dari api mengenai salah satu ujung alumunium yang
paling bawah, kemudian karena electron pada alumunium mendapat energi dari api,
maka, elektron-elektron tersebut akan bergetar dan menyebabkan electron
disampingnya mendapat energy dari electron yang bergetar tersebut sehingga
terus menyalurkan energy sampai ujung alumunium paling atas.
Dalam praktikum ini diperoleh nilai konduktivitas termal pada kayu l = 0,5 cm sebesar 14,7472 W/moC , sedangkan pada l = 1 cm diperoleh 35,3386 W/moC, dan pada l =
1.5 cm sebesar 65,1690 W/moC.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari praktikum yang telah dilakukan maka dapat
diambil kesimpulan bahwa nilai konduktivitas termal pada kayu l = 0,5 cm sebesar 14,7472 W/moC , sedangkan pada l = 1 cm diperoleh 35,3386 W/moC, dan pada l =
1.5 cm sebesar 65,1690 W/moC. Hubungan panjang sampel dengan nilai
konduktivitas yang didapatkan adalah semakin panjang sampel, maka konduktivitas
termal yang dihasilkan juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan konduktivitas termal dimana besar
panjang sampel akan sebanding dengan konduktivitas termalnya. Konduktivitas
panas selalu dianggap tetap terhadap suhu, meskipun disadari bahwa pada umumnya
konduktivitas panas dipengaruhi oleh suhu, tetapi kenyataan pengaruh suhu pada
konduktivitas panas tidak begitu besar.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih
kepada Kunti
Nailazzulfa, Setiawan Abdillah, Yovanita Narsisca selaku asisten, rekan-rekan
praktikum dan semua pihak yang terkait praktikum konduktivitas termal dalam
melakukan percobaan dan penyelesaian laporan ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Djaprie, Sriati. “Teknologi Mekanik” jilid 1
Erlangga, Jakarta. 1992.
[2]
Bradbury, “Dasar Metalurgi Untuk Rekasasawan” PT.
Gramedia Pustaka Utama. 1997
[3] Serway Jewett. 2004. Fisika Untuk Science dan
Teknik. Jakarta : Salemba Teknika
