percobaan penentuan konduktivitas termal berbagai logam

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 AT2  Tx 

t
L2
(4)
dan
4
Q1 k1 AT2  Tx 

t
L1
(5)
Q Q 
Pada keadaan tunak  1  2  , sehingga
t 
 t
k 2 AT2  T1  k1 AT2  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)
AT2  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