reformulasi tradisi keilmuan pendidikan tinggi islam

Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
PEMBUATAN ALAT UKUR KONDUKTIVITAS PANAS BAHAN
PADAT UNTUK MEDIA PRAKTEK PEMBELAJARAN
KEILMUAN FISIKA
Vandri Ahmad Isnaini, S.Si., M.Si
Program Studi Pendidikan Fisika IAIN STS Jambi
Abstrak
Pada bidang studi keilmuan fisika diperlukan seperangkat alat-alat
praktek sebagai pendukung dalam pembuktian dari teori-teori
keilmuan fisika. Diantaranya teori perpindahan panas pada bahan
padat, dibutuhkan suatu alat berupa alat ukur konduktivitas panas
yang dapat menggambarkan proses hantaran panas didalam
bahan yang kemudian nilai konduktivitas panas pada bahan
tersebut dapat terukur. Pembuatan alat ukur konduktivitas panas
terdiri dari dua sistem termal berbeda dimana sampel
ditempatkan diantara dua sistem ini, kemudian sistem – sistem ini
dibatasi oleh isolasi panas dari bahan batu bata castable. Alat ini
kemudian diuji dengan sampel bahan padat Tembaga (Cu),
Alumunium (Al) dan Alumina (Al2O3).
Kata kunci : panas, konduktivitas, media praktek, isolasi panas.
1. Pendahuluan
Dibidang keilmuan fisika dikenal adanya aliran panas atau konduktivitas
panas, dimana setiap medium yang di alirinya memiliki nilai konduktivitas
panas berbeda-beda. Untuk mengetahui nilai dari konduktivitas panas ini maka
diperlukan sebuah alat yang dapat mengukur nilai dari konduktivitas panas
secara akurat. Akan tetapi dalam pembuatan alat ini, keakuratan nilai
konduktivitas panas ini susah didapat, dikarenakan adanya beberapa faktor
penyebab. Diantaranya adalah lepasnya panas dari alat ukur ke lingkungan luar
disaat pengukuran. Dengan mengatur parameter pembuatan alat seperti
bahan dasar pembuatan alat, ukuran alat yang harus presisi dan adanya usaha
untuk mengisolasi panas pada pengukuran agar suhu yang tercatat tidak
dipengaruhi oleh suhu lingkungan luar.
Penentuan nilai konduktivitas panas dari suatu bahan sangat diperlukan
dalam bidang keilmuan fisika dasar, yaitu untuk mempelajari sifat medium
atas faktor aliran panas. Begitu juga bidang fisika material atau pada bidang
industri material. Contohnya dalam pembuatan microprocessor, dibutuhkan
bahan semikonduktor yang mempunyai karakteristik panas yang sesuai dengan
proses kerja dari microprocessor tersebut. Oleh karena itu, sangat dibutuhkan
117
Vandri Ahmad Isnaini, Pembuatan Alat …
sebuah alat pengukur konduktivitas panas bahan dengan keakuratan yang
sangat tinggi.
2. Pengertian Panas
Panas adalah zat alir yang bersifat kalorik yang terdapat di dalam setiap
benda dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Teori ini pertama kali
diperkenalkan oleh Antoine Laurent Lavoisier. Berdasarkan teori inilah satuan
dari panas adalah kalori atau kilo kalori sebagai satuan terbesarnya. Kemudian
semakin berkembangnya teknologi, Count Rumford dan Prescolt Joule
melakukan percobaan aliran panas, dimana ada dua sistem yang salah satunya
memiliki panas yang lebih tinggi, kemudian dua sistem ini dihubungkan, maka
akan terjadi aliran panas atau perpindahan panas. Kemudian mereka
berkesimpulan bahwa perpindahan panas ini adalah perpindahan energi yang
satuannya adalah Joule. Satuan ini masih sering digunakan untuk menyatakan
kandungan energi yang dimiliki makanan, dimana satu kalori sama dengan 4,18
joule (Zemansky, 1994).
Di dalam keilmuan teknik satuan panas dikenal juga dengan Satuan
Termal Inggris (British Thermal Unit) atau (Btu), yang didefenisikan sebagai
panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu pon air dari 63oF ke
64oF. Nilai konversi dari Btu adalah 1 kcal = 1000 cal = 3,968 Btu
(Wikipedia.org, 2012). Panas merupakan energi yang dapat berpindah atau
bisa juga didefenisikan sebagai sesuatu yang dipindahkan di antara sebuah
sistem dan sekelilingnya sebagai akibat dari perbedaan temperatur. Karena itu,
satuan yang digunakan untuk mengukur panas sama dengan satuan energi.
Dimana satu joule adalah energi yang digunakan ketika gaya satu Newton
memindahkan suatu benda searah gaya sejauh satu meter.
Hubungan panas terhadap
beberapa faktor penentu yang
mempengaruhi besarnya panas yang diberikan kepada suatu sistem, yaitu:
1. Hubungan panas dengan kenaikan suhu. Panas yang diberikan (Q)
sebanding dengan nilai kenaikan suhunya ( T ). Semakin tinggi panas
yang diberikan kedalam sistem maka nilai kenaikan suhu pada sistem
tersebut akan semakin besar.
QT
2. Hubungan panas dengan massa. Panas yang diberikan (Q) sebanding
dengan massa zat (m). Untuk pencapaian suhu tertentu, semakin besar
massa dari suatu sistem, maka nilai panas yang harus diberikan adalah
semakin besar juga.
Qm
3. Hubungan panas dengan kalor jenis zat. Panas yang diberikan (Q)
sebanding dengan kalor jenis zat (c).
Qc
118
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
3. Kesetimbangan Termal
Keadaan dua sistem setimbang adalah suatu keadaan sistem yang
memiliki nilai suhu internalnya tetap selama kondisi eksternalnya tidak ada
perubahan suhu. Pada percobaan yang ditunjukkan Gambar 1 menunjukkan
bahwa keadaan setimbang dari dua sistem bergantung pada sistem lain yang
berada didekatnya dan dipengaruhi oleh sifat dinding pemisahnya (Dittman,
1986). Dinding pemisah dari sitem ini dapat dibagi menjadi dua menurut sifat
hantaran panasnya, yaitu :
1. Dinding pembatas adiabat.
Dinding pembatas adiabat adalah dinding pembatas yang daya hantar
panasnya tidak bagus atau konduktivitas panasnya kecil. Contohnya adalah
kayu, beton, asbes dan karet.
2. Dinding pembatas diaterm.
Dinding pembatas diaterm adalah dinding pembatas yang daya hantar
panasnya sangat bagus atau nilai konduktivitas panasnya tinggi. Contohnya
adalah lempengan logam.
Gambar 1. Dua sistem termal yang dibatasi oleh dinding adiabat dan
diaterm.
Dalam percobaan dua sistem (sistem A dan sistem B) yang dibatasi
oleh dinding pembatas adiabat tidak terjadi perpindahan energi atau panas, ini
dikarenakan dinding pembatas terbuat dari bahan yang memiliki konduktivitas
panas yang kecil. Keadaan setimbang hanya terjadi pada sistem A saja atau
sistem B saja, dimana kesetimbangan panasnya hanya dipengaruhi oleh
lingkungan sekitarnya bukan dipengaruhi oleh sistem lain yang berada
didekatnya. Sedangkan untuk percobaan yang menggunakan dinding diaterm
terjadi adanya perpindahan energi atau panas dari sistem A ke sistem B
(dikondisikan nilai suhu pada sistem A lebih tinggi daripada sistem B). Dinding
diaterm dapat menghantarkan panas dari sistem A ke sistem B dengan baik.
Proses ini akan berjalan terus menerus sampai keadaan dari dua sistem ini
telah mencapai setimbang (sistem A dan sistem B telah memiliki suhu yang
sama).
119
Vandri Ahmad Isnaini, Pembuatan Alat …
4. Rumus Menghitung Panas
Kalor atau panas yang diberikan kepada suatu sistem dilambangkan
dengan Q yang dianggap sebagai perubahan nilai tertentu yang dihasilkan di
dalam sebuah benda selama proses tertentu. Jadi, jika temperatur dari satu
kilogram air dinaikkan suhunya dari 14oC sampai 15oC dengan memanaskan air
tersebut, maka dapat dikatakan bahwa
satu kilokalori
kalor telah
ditambahkan kepada benda tersebut (Dittman, 1986). Setiap benda atau zat
memiliki nilai yang berbeda dalam kuantitas panas yang diperlukan untuk
menghasilkan suatu kenaikan temperatur dalam satu kilogram massa.
Perbandingan banyaknya kalor Q yang diberikan kepada sebuah benda
untuk menaikkan temperaturnya sebanyak T dinamakan kapasitas kalor
(Heat capacity) dari benda tersebut yang dilambangkan dengan C;
C
Q
T
Kapasitas kalor ini dapat diartikan sebagai tenaga dalam bentuk panas
yang harus ditambahkan untuk menaikkan temperatur benda sebanyak satu
derajat. Untuk nilai kalor jenis suatu benda dirumuskan dengan kapasitas kalor
per satuan massa (m) dari sebuah benda. Kalor jenis ini disebut juga dengan
spesific heat, yaitu karakteristik sifat panas dari bahan penyusun yang
membentuk benda tersebut.
c
Q
mT
Satuannya adalah :
c
J
J
atau c 
o
Kg C
Kg o K
Maka dari hubungan diatas dapat disimpulkan bahwa kalor (Q) yang
diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu sebanding dengan massa (m),
sebanding dengan kalor jenis zat (c), dan sebanding juga dengan kenaikan
suhunya ( T ). Kalor yang dibutuhkan benda satuannya adalah Joule.
Q  mcT
Massa dari suatu benda dianggap m = 1 kg dan kenaikan suhunya
sebesar T = 1oC, maka diperoleh,
Q  mcT
Q  (1Kg )c(1oC ) , maka,
Qc
Maka dapat diambil kesimpulan bahwa kalor yang diberikan (Q) sama
dengan kalor jenis (c) sehingga dapat didefenisikan bahwa kalor jenis suatu zat
120
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg massa
benda sebesar 1oC.
5. Perpindahan Kalor
Kalor secara alami berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda
yang suhunya rendah. Dan perpindahan ini akan berhenti apabila keadaan
suhu dari kedua benda ini telah mencapai kesetimbangan. Pada saat proses
perpindahan kalor, keadaan akhir dari kalor tersebut tidak bisa diketahui.
Namun pada proses perpindahan panas laju aliran Q dapat diketahui sebagai
nilai yang merupakan fungsi waktu.
2
Q   Qd
1
Nilai akhir dari Q dapat ditentukan apabila fungsi waktu  2   1 telah
berlalu atau dapat diartikan bahwa proses perpindahan kalor telah selesai
(mencapai keadaan kesetimbangan)(Dittman, 1986).
Perpindahan panas menurut sifat hantarannya dapat dibagi menjadi
tiga, yaitu :
1. Perpindahan panas secara konduksi.
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas melalui
zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Proses ini
dapat dilihat pada percobaan sebuah batang logam yang salah satu
ujungnya diletakkan pada nyala api, dan salah satu ujung lainnya dipasang
sensor suhu. Setelah beberapa waktu, pada sensor suhu akan mengalami
peningkatan nilai suhu. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa adanya
aliran panas secara konduksi dari ujung logam yang kena nyala api ke arah
ujung logam yang ada sensor suhunya. Namun dalam proses aliran panas
ini, partikel bahan penyusun dari logam tersebut tidak mengalami
perpindahan. Panas berpindah diakibatkan oleh adanya interaksi dari
partikel – partikel penyusun logam tersebut. Perpindahan panas secara
konduksi hanya terjadi pada suatu benda apabila sebahagian dari benda
tersebut memiliki suhu yang berbeda. Dimana arah aliran panasnya selalu
dari bagian benda yang suhunya lebih tinggi ke bagian benda dengan suhu
lebih rendah.
2. Perpindahan panas secara konveksi.
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas melalui
zat dimana proses ini disertai dengan perpindahan partikel dari zat
tersebut. Perpindahan partikel zat ini diakibatkan oleh perbedaan massa
jenis zat karena adanya perbedaan suhu diantara partikel – partikel dalam
sistem ini. Contoh dari proses ini adalah pada percobaan pemanasan air
dan pemanasan udara pada ruangan.
121
Vandri Ahmad Isnaini, Pembuatan Alat …
3. Perpindahan panas secara radiasi (pancaran)
Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas tanpa zat
perantara (medium). Proses ini merupakan pancaran energi secara terus
menerus dari permukaan suatu benda yang merupakan sumber panas.
Jenis dari energi ini adalah energi yang memancar melalui gelombang
elektromagnet, dapat melalui ruang hampa udara dan bergerak dengan
kecepatan cahaya. Energi yang dipancarkan oleh suatu benda, per satuan
waktu dan per satuan luas bergantung pada sifat permukaan benda
tersebut. Pada suhu rendah nilai dari radiasinya kecil dan panjang
gelombang elektromagnetnya bernilai besar, begitu juga dengan keadaan
sebaliknya (Zemansky, 1994). Contohnya adalah pancaran panas dari
Matahari sampai ke permukaan Bumi. Panas yang di pancarkan dari
Matahari bergerak melalui ruang hampa dan kemudian masuk ke dalam
atmosfer (udara) Bumi. Pada saat melewati atmosfer Bumi panas ini akan
diserap oleh udara dan energinya makin mengecil sampai ke permukaan
Bumi.
6. Hantaran Kalor (Heat Conduction)
Perpindahan panas atau energi yang timbul karena perbedaan
temperatur di antara bagian – bagian yang berdekatan dari sebuah benda
dinamakan hantaran kalor (heat conduction). Percobaan dua buah benda yang
dipisahkan oleh suatu bidang batas yang bersifat diaterm membuktikan bahwa
Q adalah sebanding dengan T dan sebanding dengan luas penampang A
untuk suatu perbedaan temperatur T yang diberikan. Dimana Q adalah
sebanding dengan T
x bernilai kecil, x
x , dengan syarat T dan
adalah ketebalan lempeng.
Q
T
A
t
x
Didalam kasus limit ketebalan lempeng yang sangat kecil dx, dan
terdapat suatu perbedaan temperatur yang dilambangkan dengan dT, maka
didapatkan hukum hantaran kalor, dimana aliran kalor H dapat dilihat pada
rumus di bawah ini;
H  kA
dT
dx
Dengan H adalah aliran kalor yang mempunyai satuan kal/detik dan
dapat didefenisikan sebagai banyaknya perpindahan kalor per satuan waktu
yang melalui luas benda (A), kemudian nilai dari
dT
dinamakan gradien
dx
temperatur (suhu) dan k adalah sebuah konstanta perbandingan yang
dinamakan konduktivitas termal (thermal conductivity).
122
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
Sebuah benda yang mempunyai konduktivitas termal yang bernilai
besar adalah benda yang mempunyai sifat penghantar panas yang baik, dan
benda yang mempunyai konduktivitas termal yang bernilai kecil adalah
penghantar kalor yang buruk, atau sebuah isolator termal yang baik. Dalam
kata lain konduktor panas yang sempurna bernilai k   dan isolator panas
yang sempurna adalah k  0 (Zemansky, 1994). Nilai dari k bergantung pada
temperatur pada suatu benda, akan tetapi k dapat diambil sebagai konstanta
diseluruh zat jika perbedaan temperatur pada bagian – bagian penyusun
benda tersebut tidak terlalu besar.
Persamaan konduktivitas termal dapat dipakai kepada sebuah tongkat
yang panjangnya L dan luas penampangnya A yang didalamnya telah dicapai
suatu keadaan setimbang (steady state). Pada keadaan itu temperatur di
setiap titik adalah konstanta terhadap waktu.
Gambar
2. Penghantaran kalor melalui sebuah batang penghantar yang
diisolasi.
Jika nilai H adalah sama di semua penampang logam penghantar,
sehingga nilai k dan luas A akan bernilai tetap, maka nilai gradien temperatur
dT
adalah sama di semua penampang logam penghantar. Jadi, Nilai T akan
dx
berkurang secara linier
sepanjang tongkat
dT (T2  T1 )


dx
L
tersebut.
Maka, rumusan H,
H  kA
T2  T1
L
Rumusan ini dapat diambil kesimpulan bahwa konduktivitas termal
adalah sebagai arus panas (negatif) per satuan luas yang tegak lurus pada arah
123
Vandri Ahmad Isnaini, Pembuatan Alat …
aliran, dan per satuan gradien suhu (Zemansky, 1994). Nilai negatif dari
gradien temperatur adalah tanda arah aliran panasnya. Dalam sistem cgs,
satuan aliran panas adalah satu kalori per detik (1 kal dtk-1), satuan luas adalah
satu sentimeter kuadrat (cm2), dan satuan gradien temperatur adalah satu
derajat celcius per sentimeter (1oC cm-1). Logam memiliki sifat konduktivitas
panas yang bagus sedangkan yang non logam memiliki konduktivitas panas
yang buruk.
7. Tahap Pembuatan Alat
Dimulai dengan tahap perancangan bentuk dari alat ukur konduktivitas
panas dengan menggunakan software Corel Draw 12. Setelah gambar dan
ukuran-ukurannya telah diperhitungkan, maka alat dibuat menurut sketsa di
bawah ini dengan memakai berbagai peralatan bengkel, seperti :
1. Mesin gergaji
Mesin gergaji digunakan untuk pemotongan-pemotongan logam Al
untuk pemanas dan untuk logam ukur.
2. Mesin Bor
Mesin bor digunakan untuk melubangi logam-logam ukur untuk
penempatan termokopel.
3. Mesin Bubut
Mesin bubut digunakan untuk pembentukan logam-logam supaya
sesuai dengan ukuran badan dari alat ukur konduktivitas kalor bahan.
4. Mesin gerinda
Mesin gerinda digunakan untuk memperhalus permukaan bahanbahan pembuatan alat.
5. Alat potong
Alat potong digunakan untuk pemotongan plat-plat logam bahan
pembuatan alat konduktivitas kalor bahan.
6. Kikir
Kikir digunakan untuk memperhalus permukaan logam.
7. Mata bor
Mata bor digunakan untuk pisau dari mesin bor
8. Sarung tangan
Sarung tangan digunakan untuk keselamatan kerja.
124
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
B
L1
A
T1
F
C
T2
T3
L2
D
E
Gambar 3. Desain alat ukur konduktivitas panas bahan.
Keterangan gambar :
A
= Pemanas dari kawat nikelin
B
= Batang logam dari bahan alumunium
C
= Batu bata tahan panas (castable)
D
= Papan fiber (fiberglass)
E
= Kaki-kaki
F
= Sampel
L1
= Logam I (sistem termal I)
L2
= Logam II (sistem termal 2)
T1
= Termokopel I (suhu awal)
T2
= Termokopel II (Suhu akhir)
T3
= Termokopel III (Suhu rata-rata logam II)
Untuk menggunakan alat ukur ini dibutuhkan beberapa alat penunjang,
seperti :
1. Alat ukur suhu digital
Alat ini digunakan untuk pengukuran suhu secara elektronik.
Dimana alat ini bekerja atas respon dari termokopel yang ditanam pada
alat ukur.
2. Slide Regulator
Digunakan untuk pengatur tegangan yang memberikan arus pada
pemanas alat konduktivitas panas bahan. Semakin tinggi tegangan yang
diberikan akan semakin tinggi panas yang dihasilkan oleh pemanas dari
kawat nikelin.
125
Vandri Ahmad Isnaini, Pembuatan Alat …
8. Hasil Percobaan Alat Ukur Konduktivitas Panas
8.1. Untuk sampel Al
Data yang didapat :
T1 = 76,4 oC
T2 = 64 oC
T3 = 53,4 oC
Penurunan suhu yang melewati T3 untuk mengetahui gradien dT/dt
dengan grafik suhu berbanding waktu;
58
T suhu (celcius)
56
54
y = -0.162x + 57.147
Series1
52
Linear (Series1)
50
48
46
0
20
40
60
80
t waktu (detik)
Gambar 4. Grafik waktu terhadap penurunan suhu untuk percobaan sampel
Al.
Gradien dari persamaan y = -0,162x + 57,147 adalah 0,162 oC/s dengan
nilai konduktivitas panas k sampel alumunium sebesar 0,625 W/moC.
8.2. Untuk Sampel Cu
Data yang diperoleh :
T1 = 85,5 oC
T2 = 60,1 oC
T3 = 50,6 oC
Penurunan suhu yang melewati T3 untuk mengetahui gradien dT/dt
dengan grafik suhu berbanding waktu;
70
T suhu (celcius)
60
50
y = -0.3307x + 58.123
40
Series1
Linear (Series1)
30
20
10
0
0
20
40
60
80
t waktu (detik)
Gambar 5. Grafik waktu terhadap penurunan waktu untuk percobaan sampel
Cu.
126
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
Gradien untuk persamaan y = -0,3307x + 58,123 adalah 0,330 oC/s dengan
nilai konduktivitas panas k sampel tembaga sebesar 0,603 W/moC.
8.3. Untuk Sampel Keramik Alumina Al2O3.
Data yang didapat :
T1 = 75,5 oC
T2 = 44,2 oC
T3 = 32 oC
Penurunan suhu yang melewati T3 untuk mengetahui gradien dT/dt
dengan grafik suhu berbanding waktu;
40
35
T suhu (celcius)
30
y = -0.0491x + 36.372
25
Series1
20
Linear (Series1)
15
10
5
0
0
100
200
300
t waktu (detik)
Gambar 6. Grafik waktu terhadap penurunan suhu untuk percobaan sampel
Al2O3.
Gradien dari persamaan y = - 0,0491x + 36,372 adalah 0,0491 oC/s
dengan nilai konduktivitas panas k sampel tembaga sebesar 0,959 W/moC.
Gambar 7. Alat ukur konduktivitas panas.
127
Vandri Ahmad Isnaini, Pembuatan Alat …
9.
Kesimpulan
Pada percobaan perpindahan kalor dengan menggunakan alat ukur
konduktivitas panas dapat membuktikan baha kalor yang diberikan sebanding
dengan kenaikan suhu ( t ), massa zat (m), dan kalor jenis zat (c). Dimana
pada praktek percobaan alat ini didapat nilai konduktivitas panas bahan
sampel Al sebesar 0,625 W/moC, untuk sampel Cu sebesar 0,603 W/m oC dan
untuk sampel Al2O3 sebesar 0,959 W/moC. Alat ukur konduktivitas panas yang
dirancang pada penelitian ini merupakan tipe prototype yang harus
disempurnakan lagi agar mendapatkan nilai pengukuran yang lebih akurat lagi
terutama untuk mengisolasi panas agar tidak lepas ke udara luar.
10. Daftar Pustaka
1. Dittman, R., Zemansky, M. (1986), Kalor dan Termodinamika, Penerbit
ITB, Bandung.
2. Halliday D. (1985), Fisika, Erlangga, Jakarta.
3. Ozisik N., M. (1985), Heat Transfer A Basic Approach, McGraw – Hill, Inc,
New York.
4. Tt, (2012), British Thermal Unit, wikipedia.org.
5. Tye R., R. (1969), Thermal Conductivity, vols. 1 and 2, Academic, New
York.
6. Vlack V., Laurence H. (1992), Ilmu dan Teknologi Bahan (Ilmu Logam
dan Bukan Logam), Erlangga, Jakarta.
7. Zemansky, S. (1994), Fisika Untuk Universitas 1, Binacipta, Jakarta.
128