PERCOBAAN PENENTUAN KONDUKTIVITAS TERMAL BERBAGAI LOGAM DENGAN METODE GANDENGAN A. Tujuan Percobaan 1. Memahami konsep konduktivitas termal. 2. Menentukan nilai konduktivitas termal berbagai logam dengan metode gandengan.
B. Alat dan Bahan Percobaan 1. Alat percobaan a. Slide regulator b. Multimeter c. Termokopel dan penerjemah termokopel d. Jangka sorong e. Penggaris f. Kawat nikelin 2. Bahan percobaan Tiga jenis logam yaitu tembaga, kuningan, dan besi.
(b)
(a)
(c)
Gambar 1. Logam (a) tembaga, (b) kuningan, (c) besi
C. Dasar Teori 1. Perpindahan panas Perpindahan
panas
(kalor)
dapat
didefinisikan
sebagai
berpindahnya energi dari satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat 1
dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut (Kreith dan Prijono, 1997). Pada umunya ada tiga cara pemindahan panas yang berbeda yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi atau hantaran diartikan sebagai perpindahan panas dari partikel-partikel yang lebih energik dari suatu zat ke partikel-partikel yang berdekatan kurang energik, sebagai akibat dari interaksi antara partikel-partikel tersebut. Jadi, untuk terjadi perpindahan panas dengan hantaran, harus ada perbedaan suhu dari partikel-partikel yang berdekaan. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas. Dalam zat cair dan gas, konduksi terjadi karena ada tumbukan dan difusi molekul-molekul selama mereka bergerak secara acak. Konveksi adalah perpindahan panas yang disertai dengan perpindahan zat perantaranya. Perpindahan panas secara konveksi terjadi melalui aliran zat. Perpindahan kalor secara pancaran atau radiasi adalah perpindahan kalor suatu benda ke benda yang lain melalui gelombang elektromagnetik tanpa medium perantara. Bila pancaran kalor menimpa suatu bidang, sebagian dari kalor pancaran yang diterima benda tersebut akan dipancarkan kembali (re-radiated), dipantulkan (reflected) dan sebagian dari kalor akan diserap. 2. Konduktivitas termal Menurut Holman (1995), konduktivitas panas suatu bahan adalah ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas (termal). Misalnya selembar pelat memiliki tampang lintang A dan tebal ∆x, kedua permukaannya dipertahankan pada suhu yang berbeda. Akan diukur panas Q yang mengalir tegak lurus terhadap permukaan selama waktu t. Eksperimen menunjukkan bahwa untuk beda suhu antara kedua permukaan sebesar ∆T, Q sebanding dengan waktu t dan tampang lintang A dan jika t dan A kecil maka Q sebanding dengan ∆T/∆x (gradien suhu) untuk t dan A yang diberikan. Maka,
Q T A t x
(1)
2
Jika tebal pelat tipis sekali mencapai infinitesimal dx maka beda suhu antara kedua permukaan dT sehingga diperoleh rumus untuk konduksi:
dQ dT kA dt dx
(2)
Dengan dQ/dt adalah laju perpindahan panas terhadap waktu, dT/dx gradien suhu dan k konduktivitas termal. Jika x semakin bertambah maka suhu T semakin berkurang maka pada ruas kanan persamaan diberi tanda negative (dQ/dt positif, jika dT/dx negatif).
Gambar 2. Volume unsuran untuk analisis konduksi - kalor satu dimensi
Perhatikan suatu sistem satu dimensi sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2. Jika sistem ini berada pada keadaan tunak (steady state), yaitu jika suhu tidak berubah menurut waktu, maka tidak perlu melakukan integrasi pada persamaan (5) dan mensubstitusi nilai - nilai yang sesuai untuk memecahkan masalah tersebut. Tetapi jika suhu zat padat itu berubah menurut waktu, atau jika ada sumber kalor (heat source) dalam zat padat itu, maka situasinya akan menjadi lebih kompleks. Misalkan persamaan batang dengan panjang L dan tampang lintang A berada pada keadaan tunak (steady state) seperti pada gambar 2. Pada keadaan tunak suhu di setiap tempat pada setiap saat konstan. Di sini dQ/dt sama pada seluruh penampang. Namun sesuai dengan persamaan (2) sehingga untuk k dan A konstan, maka gradien suhu dT/dx sama pada
3
seluruh permukaan tampang lintang. T turun secara linier sepanjang batang dan
dT T2 T1 . Oleh sebab itu panas yang ditransfer pada selama dx L
waktu t adalah: T T1 Q kA 2 t L
(3) Insulator
Suhu Tertentu
Suhu Tertentu
Aliran panas
T2
T1
T2 > T1
Gambar 3. Konduksi panas melalui batang konduksi yang terisolasi
Fenomena konduksi panas menunjukkan meskipun ada keterkaitan antara panas dan suhu namun sangat berbeda. Aliran panas melalui batang tidak sama dengan beda suhu antara ujung - ujung batang seperti pada gambar 3. Untuk batang yang berlainan jika beda suhunya sama dalam waktu yang sama akan mentransfer panas yang berbeda. Tx k1
k2
T1
T2 L1
L2
Gambar 4. Konduksi panas melalui dua lapis bahan yang memiliki konduktivitas berbeda Misal dua pelat dengan panjang berbeda seperti pada gambar 4 yaitu L1 dan L2 dilekatkan terbuat dari bahan yang berbeda dengan konduktivitas termal k1 dan k2. Jika suhu permukaan luar T2 dan T1 maka laju panas yang melalui ikatan kedua plat dalam keadaan tunak, dengan Tx merupakan suhu interface antara kedua bahan, maka
Q2 k 2 AT2 Tx t L2
(4)
dan
4
Q1 k1 AT2 Tx t L1
(5)
Q Q Pada keadaan tunak 1 2 , sehingga t t k 2 AT2 T1 k1 AT2 T1 L2 L1
(6)
Q/t merupakan laju perpindahan panas (sama untuk seluruh bagian), maka dengan menyelesaikan persamaan (4) dan (5) untuk memperoleh Tx dilanjutkan dengan mensubstitusi pada salah satu persamaan (6), maka diperoleh (Toifur, 2001)
AT2 T1 Q t L1 L2 k1 k 2
(7)
D. Prosedur Percobaan
Sensor suhu Sensor suhu
Benda uji
Elemen pemanas
Slide reggulator
Termometer termokopel
amperemeter
Gambar 5. Rancangan alat uji
5
Gambar 6. Alat percobaan
1. Pada percobaan sebuah logam Langkah-langkah yang dilakukan dalam eksperimen adalah sebagai berikut a. Menyusun alat-alat menjadi rangkaian sistem perangkat penelitian seperti gambar 5 dengan meletakkan sebuah logam tembaga. b. Memasang termokopel dan mengukur jarak antara ujung-ujung logam tembaga. c. Menghidupkan slide regulator. d. Mengatur tegangan listrik dari 5 V, 10 V, 15 V, 20 V, dan 25 V. e. Mengukur arus listrik yang mengalir dan mengamati perubahan suhu pada ujung-ujung logam. Kemudian masukkan data hasil penelitian dengan format tabel seperti pada tabel 1. Tabel 1. Nilai tegangan listrik, arus listrik dan perbedaan suhu No. 1. 2. 3. 4. 5.
V (volt)
I (A)
∆T (K)
f. Menganalisis konduktivitas termal logam. g. Mengulangi langkah a-f untuk logam kuningan dan besi.
6
2. Pada percobaan dua logam sejenis Langkah-langkah yang dilakukan dalam eksperimen adalah sebagai berikut: a. Menyusun alat-alat menjadi rangkaian sistem perangkat penelitian seperti gambar 5 dengan meletakkan sebuah dua logam tembaga secara bergandengan. b. Memasang termokopel dan mengukur jarak antara ujung-ujung logam tembaga. c. Menghidupkan slide regulator. d. Mengatur tegangan listrik dari 5 V, 10 V, 15 V, 20 V, dan 25 V. e. Mengukur arus listrik yang mengalir dan mengamati perubahan suhu pada ujung-ujung logam. Kemudian masukkan data hasil penelitian dengan format tabel seperti pada tabel 1. f. Menganalisis konduktivitas termal logam. g. Mengulangi langkah a-f untuk dua logam sejenis yaitu kuningankuningan dan besi-besi. 3. Pada percobaan dua logam yang berbeda jenis Langkah-langkah yang dilakukan dalam eksperimen adalah sebagai berikut: a. Menyusun alat-alat menjadi rangkaian sistem perangkat penelitian seperti gambar 5 dengan meletakkan sebuah dua logam yang berbeda yaitu besi - tembaga. b. Memasang termokopel dan mengukur jarak antara ujung-ujung logam. c. Menghidupkan slide regulator. d. Mengatur tegangan listrik dari 5 V, 10 V, 15 V, 20 V, dan 25 V. e. Mengukur arus listrik yang mengalir dan mengamati perubahan suhu pada ujung-ujung logam. Kemudian masukkan data hasil penelitian dengan format tabel seperti pada tabel 1. f. Menganalisis konduktivitas termal logam. g. Mengulangi langkah a-f untuk dua logam berbeda jenis yang lain.
7
E. Analisis Data 1. Percobaan pada sebuah logam ....................................................................................................................... ...................................................................................................................... 2. Percobaan pada dua logam sejenis ....................................................................................................................... ...................................................................................................................... 3. Percobaan pada dua logam yang berbeda jenis ....................................................................................................................... ...................................................................................................................... F. Pertanyaan 1. Bagaimana pengaruh antara tegangan listrik terhadap suhu antara ujungujung logam? 2. Bagaimana hubungan daya listrik terhadap perbedaan suhu pada ujungujung logam? 3. Logam apa yang nilai konduktivitas termalnya paling besar? Apakah ada
pengaruh dengan kualitas daya hantar panas logam tersebut?
G. Kesimpulan ............................................................................................................................. .......................................................................................................................
H. Daftar Pustaka Holman,J.P. 1995. Perpindahan Kalor. Jakarta: Erlangga. Kreith, F. 1997. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Jakarta: Erlangga. Serway,R.A dan Jewett,J.W. 2010. Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika. Suparno, P. 2009. Pengantar Termofisika. Yogyakarta: Universitas Sanata Dharma. Tim Praktikum Fisika Dasar. 2005. Petunjuk Praktikum Fisika Dasar. Yogyakarta: Laboratorium Fisika UAD. Tipler, Paul,A. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Toifur. 2001. Fisika-3 Untuk Mahasiswa teknik. Yogyakarta: UAD Press. Zemansky, Mark W dan Dittman, R.H. 1986. Kalor dan Termodinamika. Bandung: ITB.
8
