TUGAS MATA KULIAH ILMU MATERIAL UMUM THERMAL PROPERTIES

TUGAS MATA KULIAH ILMU MATERIAL UMUM THERMAL PROPERTIES

Nama Kelompok: 1. Diah Ayu Suci Kinasih

(24040115130099)

2. Alfiyan Hernowo

(24040115140114)

Mata Kuliah

: Ilmu Material Umum

Dosen Pengampu

: Dr. Eng Hendri Widiyandari

UNIVERSITAS DIPONEGORO FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA DEPARTEMEN FISIKA SEMARANG 2016

THERMAL PROPERTIES 1. PENDAHULUAN Thermal Properties mengacu pada respon bahan terhadap aplikasi dari suatu panas. Hal ini menyebabkan serapan energi dalam bentuk panas pada padatan, kenaikan suhu dan peningkatan dimensi. Energi dapat mengalami transfer apabila terjadi perbedaan gradien suhu, sehingga lama kelamaan akan membuat suatu spesimen dapat meleleh. Sifat lain yang mempengaruhi suatu padatan adalah heat capacity , thermal expansion, dan thermal conductivity. 2. KAPASITAS PANAS kapasitas panas adalah kemapuan suatu bahan untuk menyerap panas dari lingkungan luar, merupakan jumlah energi yang di butuhkan untuk menghasilkan kenaikan suhu sebesar 1 derajat. Secara matematis kapasitas panas dapat di tulis sebagai berikut: 𝐶=

𝑑𝑄 𝑑𝑇

Dimana 𝐶 = 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 (𝐽/𝑘𝑔 ‘𝐶) 𝑑𝑄 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖 𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑛𝑔ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙𝑘𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑇 (𝐽 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝐾𝑎𝑙) 𝑑𝑇 = 𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 (‘𝐶) 2.1 Getaran Kapasitas Panas Akibat adanya energi panas adalah terjadinya peningkatan energi getaran dari atom. Atom dalam benda padat akan terus menerus bergetar dengan frekuensi yang sangat tinggi dan amplitudonya relatif kecil. Energi panas getaran terdiri dari serangkaian gelombang elastis, yang memiliki jangkauan distribusi dan frekuensi. Nilai energi yang di izinkan disebut terkuantisasi dan satu kuantum energi di sebut phonon ( kuantum radiasi elektromagnetik dari foton). 2.2 Temperature Dependence of the Heat Capacity Variasi dengan suhu kontribusi getaran untuk kapasitas panas pada volume konstan selama bertahun-padatan kristal relatif sederhana. peningkatan kemampuan dari gelombang

kisi untuk meningkatkan energi rata-rata meningkat seiring kenaikan suhu. Hubungan antara kapasitas panas dengan suhu dapat dinyatakan dengan: 𝐶𝑣 = 𝐴𝑇 4 di mana 𝐶𝑣 = Kapasitas Panas A = konstanta suhu-independen ( Debye D) Nilai D di bawah suhu kamar bagi bahan padat, dan 25 J / mol K. 2.3 Pengaruh Lain Pengaruh lain akibat adanya kapasitas panas adalah adanya kontribusi elektronik, yakni bahwa elektron menyerap energi dengan meningkatkan energi kinetik. Hal ini terjadi pada elektron bebas untuk meninggalkan posisinya (Fermi Energy). Dalam logam, hanya elektron pada posisi di dekat energi Fermi yang mampu melakukan transisi energi, dan ini mewakili hanya sebagian kecil dari jumlah total. Proporsi yang lebih kecil elektron pengalaman Eksitasi di isolasi dan semikonduktor bahan. 3. THERMAL EXPANSION Perubahan panjang akibat suhu pada suatu padatan dapat dinyatakan sebagai berikut: 𝑙𝑓 − 𝑙0 = 𝛼𝑙 (𝑇𝑓 − 𝑇0 ) 𝑙0 atau ∆𝑙 = 𝛼𝑙 ∆𝑙 𝑙0 Dimana 𝑙𝑓 = panjang akhir (m) 𝑙𝑓 = panjang mula-mula (m) ∆𝑙 = perubahan panjang (m) 𝛼𝑙 = koefisien thermal bahan 𝑇𝑓 = temperatur akhir bahan (℃)

𝑇0 = temperatur mula-mula bahan (℃) ∆𝑇 = perubahan temperatur (℃) Perubahan Volume yang diakibatkan oleh suhu dinyatakan dengan ∆𝑉 = 𝛼𝑣 ∆𝑇 𝑉0 Dengan ∆𝑉 = perubahan volume bahan (𝑚3 ) 𝑉0 = volume mula-mula (𝑚3 ) 𝛼𝑣 = Koefisien thermal volume (besar 𝛼𝑣 = 3𝛼𝑙 ) Untuk setiap kelas bahan (logam, keramik, dan polimer), semakin besar energi ikatan atom, yang lebih dalam dan lebih sempit potensial melalui energi. Akibatnya, peningkatan pemisahan interatomik dengan kenaikan yang diberikan suhu akan lebih rendah, menghasilkan nilai yang lebih kecil 𝛼𝑙 . hal ketergantungan suhu, besarnya koefisien ekspansi meningkat dengan meningkatnya temperature. logam koefisien linier ekspansi termal untuk beberapa logam biasa berkisar antara sekitar 5 × 10−6 dan 25 × 10−6 (℃) −1 . Pentingnya dari hal ini adalah beberapa rendah ekspansi dan dikendalikan ekspansi paduan logam telah dikembangkan, yang digunakan dalam aplikasi memerlukan stabilitas dimensi dengan variasi suhu. Keramik Keramik mempunyai koefisien termal yang sangat rendah, dengan nilai antara 0.5 × 10−6 dan 15 × 10−6 (℃) −1 .

Bahan keramik yang akan mengalami perubahan suhu harus

memiliki koefisien ekspansi termal yang relatif rendah dan isotropik. Jika tidak, ini bahan rapuh bisa mengalami patah tulang sebagai konsekuensi dari seragam dimensi perubahan apa yang disebut thermal shock.

polimer Beberapa bahan polimer mengalami ekspansi termal yang sangat besar pada saat pemanasan, koefisien yang berkisar dari sekitar 50 × 10−6 dan 400 × 10−6 (℃) −1 . Hal ini dikarena obligasi antarmolekul sekunder lemah, dan ada minimal silang. Dengan peningkatan silang, besarnya koefisien ekspansi berkurang; koefisien terendah ditemukan dalam polimer jaringan termoset seperti sebagai fenol-formaldehida, di mana ikatan tersebut hampir seluruhnya kovalen. 4. KONDUKTIVITAS TERMAL Konduksi termal adalah fenomena dimana panas yang diangkut dari suhu tinggi kesuhu rendah dari zat. 𝑞 = −𝑘

𝑑𝑇 𝑑𝑥

Dengan q menunjukkan fluks panas, atau aliran panas, per satuan waktu per satuan luas (area yang diambil sebagai yang tegak lurus terhadap arah aliran), k adalah konduktivitas termal, dan dT / dx adalah gradient suhu melalui media melakukan. 4.1 Mekanisme Konduksi Panas Panas diangkut dalam bahan padat oleh kedua gelombang getaran kisi (fonon) dan elektron bebas. 𝑘 = 𝑘𝑙 + 𝑘𝑒 Dimana kl dan ke mewakili getaran kisi dan electron konduktivitas termal masingmasing ,biasanya satu atau lebih bersifat dominan.

Logam Logam adalah konduktor panas yang sangat baik karena jumlah electron bebas yang ada relative besar dari yang

berpartisipasi dalam konduksi termal. Karena electron bebas

bertanggungjawab untuk kedua konduksi listrik dan termal dalam logam murni, secara teori menunjukkan bahwa dua konduktivitas harus berhubungan menurut hukum WiedemannFranz:

𝐿=

𝑘 𝜎𝑇

Dengan 𝜎 adalah konduktivitas listrik, T adalah temperatur absolut, dan L adalah konstan. Secara teori nilai = 2,44 𝑥 10−8 Ω. 𝑊⁄𝐾 2 . Keramik Bahan non-logam merupakan isolator termal karena kekurangan sejumlah besar elektron bebas. Jadi, fonon bertanggungjawab untuk konduksi termal, ke jauh lebih kecil dari kl. Porositas bahan keramik memiliki pengaruh besar pada konduktivitas termal, dalam sebagian besar keadaan,

meningkatkan hasil

volume

ruang mengakibatkan pengurangan

konduktivitas termal. Polimer Untuk bahanini, transfer energi dilakukan dengan getaran dan rotasi dari rantai molekul. Besarnya konduktivitas termal bergantung dengan derajat kristalinitas;

polimer dengan

struktur kristalin tinggi dan struktur rapat lainnya memiliki konduktivitas lebih besar dari bahan amorf yang setara karena getaran terkoordinasi lebih efektif dari rantai molekul suatu kristalin. Polimer sering digunakan sebagai isolator karena konduktivitas termalnya yang rendah 5. TEGANGAN TERMAL Tegangan Termal adalah tegangan induksi yang dihasilkan akibat perubahan suhu. 5.1 Tegangan yang dihasilkan dari penahanan perluasan termal dan kontraksinya Besarnya tegangan yang timbul dari perubahan suhu dari T0 ke Tf adalah 𝜎 = 𝐸𝛼1 (𝑇0 − 𝑇𝑓 ) = 𝐸𝛼1 Δ𝑇 Dengan E adalah modulus elastisitas dan α1 adalah koefisien luasan termal. 5.2 Tegangan Akibat Gradien Suhu Ketika suatu benda padat dipanaskan atau didinginkan,

distribusi temperature internal

bergantung pada ukuran dan bentuk material, konduktivitas termal material, dan laju perubahan suhu. Tegangan termal dapat dibentuk dari gradien suhu dalam material yang

disebabkan oleh pemanasan atau pendinginan cepat, dalam material perubahan suhu luar lebih cepat dari pada perubahan internal; Perubahan dimensi diferensial menahan perluasan bebas atau kontrak sielemen volume yang berdekatan dalam potongan. Tegangan Termal dari Material Tidak Rapat Untuk polimer,

pengurangan induksi tegangan termal dapat dicapai dengan deformasi

plastik. Namun, pada keramik dapat meningkatkan kemungkinan patah ikatan dari tegangan tersebut. Kapasitas bahan untuk menahan keadaan semacamini disebut ketahanan tegangan termal. Untuk bahan keramik yang didinginkan dengan cepat, ketahanan tegangan termal tidak hanya tergantung pada besarnya perubahan suhu, tetapi juga pada sifat mekanik dan material termal. 𝑇𝑆𝑅 =

𝜎𝑓 𝑘 𝐸𝛼1

Tegangan termal mendadak dapat dicegah dengan mengubah kondisi eksternal ketingkat yang pendinginan atau pemanasannya berkurang dan gradient suhu di seluruh material diminimalkan. Hal ini sering diperlukan untuk menghilangkan tegangan termal pada bahan keramik sebagai sarana meningkatkan kekuatan mekanik dan karakteristik optic. 6. PENYELESAIAN MASALAH 6.1 Teori Jelaskan secara singkat, mengapa logam menjadi bahan konduktor yang lebih baik dari pada keramik? Penyelesaian: Logam menjadi konduktor yang lebih baik dari pada keramik karena jumlah electron bebas yang ada relative besar dari yang berpartisipasi dalam konduksi termal. Sedangkan pada keramik merupakan isolator termal karena kekurangan sejumlah besar elektron bebas. Hal ini lah yang membuat Logam menjadi konduktor yang baik dari pada keramik. 2. Matematis Perkirakan berapa banyak kalor yang di butuhkan untuk menaikan suhu suatu bahan dengan berat 2 kg, dari suhu (20 − 100)℃. Untuk masing-masing bahan:

1. Aluminium 2.Baja 3. Soda–lime glass 4. Polyetilene Penyelesaian: Diketahui : Massa bahan = 2 kg Kenaikan Suhu = rentang kenaikan suhu bahan = suhu awal-suhu akhir = 100-20 = 80 Ditanya : kalor yang di perlukan? Jawab : Untuk menentukan jumlah kalor yang di perlukan untuk menaikan suhu sebesar 80 dengan berak 20 kg adalah dengan menggunakan persamaan berikut : 𝑄 = 𝑚𝑐(𝑇𝑓 − 𝑇0 ) 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇 Dimana Q = kalor yang di perlukan untuk menaikan suhu m=massa benda 𝑐 = kalor jenis ∆𝑇= pertambahan suhu Sehingga penyelesaian soal untuk masing-masing bahan adalah 𝑱

1. Aluminium (𝒄 = 𝟗𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝑲) 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇 𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 900

𝐽 𝐾 × (80 + 273)𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 900

𝐽 𝐾 × 353 𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 635.400 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑱

2. Baja (𝒄 = 𝟒𝟖𝟔 𝒌𝒈 𝑲) 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇 𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 486

𝐽 𝐾 × (80 + 273)𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 486

𝐽 𝐾 × 353 𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 343.116 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑱

3. Soda–lime glass (𝒄 = 𝟖𝟒𝟎 𝒌𝒈 𝑲) 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇 𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 840

𝐽 𝐾 × (80 + 273)𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 840

𝐽 𝐾 × 353 𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 593.040𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑱

4. Polyetilene (𝒄 = 𝟏𝟖𝟓𝟎 𝒌𝒈 𝑲) 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇 𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 1850

𝐽 𝐾 × (80 + 273)𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 2 𝑘𝑔 × 1850

𝐽 𝐾 × 353 𝐾 𝑘𝑔

𝑄 = 1.306.100 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒

Referensi: Callister, William D. 1940. Material Science and Engginering An Introduction eight

edition.United States of America. John Wiley and Sons, Inc.