Penentuan Konduktivitas Termal Logam Tembaga, Kuningan, dan Besi dengan Metode Gandengan

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Fisia dan Pendidian Fisia (SNFPF) Ke Penentuan Kondutivitas Termal ogam Tembaga, Kuningan, dan Besi dengan Metode Gandengan Dwi Astuti Universitas Indraprasta PGRI Jl.Raya Tengah No.80, Gedong, Pasar Rebo, Jaarta Timur am_nien@yahoo.co.id Abstra Penelitian ini bertujuan untu menentuan ondutivitas termal logam tembaga, uningan, dan besi dengan metode gandengan. Kondutivitas termal bahan merupaan uuran emampuan suatu bahan untu menghantaran panas. Pada materi ini mahasiswa diharapan lebih interatif arena berhubungan dengan ehidupan sehari-hari. Jia pembelajaran yang disampaian diiringi dengan esperimen maa aan lebih memudahan memahami materi ondutivitas termal. Metode gandengan ini merupaan salah satu metode yang baru yang dapat dilauan dengan cara mendeatan dua buah logam untu dipanasi. Alat ini terdiri dari slide regulator mer TDG, amperemeter mer SP-20D, termoopel, penerjemah termoopel, dan janga sorong. Bahan yang digunaan dalam peneitian ada tiga macam logam yaitu logam tembaga, uningan, dan besi. Penentuan ondutivitas termal bahan ini dilauan dengan logam yang telah dililiti elemen pemanas (nielin) yang dipanasan. Kemudian divariasi nilai tegangan listri (V) antara 5 V-25 V. Diuur arus listri (i) dan diuur perbedaan suhu (ΔT ) pada ujung-ujung logam. Selanjutnya dari data Vi terhadap ΔT ini dilauan dengan regresi linier. Nilai ondutivitas termal diperoleh = (3,5 0,) 0 2 Wm - K - untu tembaga; = (,0 0,) 0 2 Wm - K - untu uningan; dan = (0,8 0,0) 0 2 Wm - K - untu besi. Kata unci : ondutivitas termal, metode gandengan, tembaga, uningan, besi.. Pendahuluan Apabila di dalam suatu sistem terdapat perbedaan suhu, maa aan terjadi perpindahan energi. Proses perpindahan energi itu disebut dengan perpindahan panas. Perpindahan panas adalah ilmu yang menjelasan perpindahan energi yang terjadi arena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material (Suparno, 2009). Ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan antara panas dan bentu-bentu energi disebut termodinamia (Young, 2002). Proses perpindahan panas aan mengalir dari daerah yang suhunya lebih rendah menuju daerah yang suhunya lebih tinggi. Pernyataan tersebut dienal sebagai huum edua termodinamia (Kreith, 997). Secara singat panas dapat dipindahan melalui tiga cara yaitu ondusi, onvesi dan radiasi. Kondusi merupaan proses panas yang mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi e daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium (padat, cair, atau gas) atau antara mediummedium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Sedangan onvesi merupaan perpindahan panas yang terjadi arena adanya aliran. Materi termodinamia dipelajari pada pada tingat mahasiswa Pendidian Fisia S di semester tiga. Pada materi ini mahasiswa diharapan lebih interatif arena berhubungan dengan ehidupan sehari-hari. Jia pembelajaran yang disampaian diiringi dengan esperimen maa aan lebih memudahan memahami materi ondutivitas termal. Dalam berbagai buu sudah ditulisan besarnya nilai ondutivitas termal dari berbagai bahan, tetapi sebagian besar mahasiswa tida mengetahui dari mana nilai ondutivitas bahan itu bisa diperoleh. Alangah bainya jia dalam pembelajaran mahasiswa langsung dibawa edalam enyataannya atau beresperimen agar lebih memudahan dalam memahami materi yang diajaran. Menurut Putra (203), metode esperimen dapat diartian sebagai cara belajar mengajar yang melibatan mahasiswa dengan mengalami serta membutian sendiri proses dan hasil percobaan. Terait dengan bahan logam, Mainil (202) telah melauan penelitian tentang aji esperimental alat uji ondutivitas termal uningan. Dalam penelitiannya pada bahan dasar (stainless steel), distribusi temperatur melihat elinierannya. Hasil penelitiannya menunjuan ralat relatif ondutivitas termal uningan sebesar 49 % dari nilai referensi. Penentuan ondutivitas termal yang dilauan pada esperimen di atas diperoleh ralat yang cuup

2 Prosiding Seminar Nasional Fisia dan Pendidian Fisia (SNFPF) Ke besar sehingga harus ada inovasi baru dalam esperimen untu menentuan ondutivitas termal dengan menghasilan nilai yang mendeati referensi atau ralat ecil. Dalam penentuan ondutivitas termal biasanya dibutuhan alat yang cuup besar dan tida bisa dibawa emana-mana sehingga urang efetif jia alat dibawa dalam egiatan pembelajaran. Oleh arena itu, dibutuhan alat yang lebih sederhana, mudah dirangai dan dijalanan oleh mahasiswa. Tujuan dalam penelitian ini yaitu mendesain rancang bangun alat esperimen dan menentuan nilai ondutivitas termal logam tembaga, uningan, dan besi dengan metode gandengan. 2. Pembahasan Bagian ini dapat dibagi dalam beberapa sub poo pembahasan sesuai dengan ebutuhan tulisan. Tida ada batasan yang bau mengenai jumlah pemerincian sub poo bahasannya; tetapi setidanya mengandung: metode, hasil, dan disusi. Bab ditulis dengan font times new roman uuran 0, sementara untu sub bab menggunaan uuran 0 dan eduanya diceta tebal. 2.. Dasar Teori Kondutivitas panas suatu bahan adalah uuran emampuan bahan untu menghantaran panas (termal) (Holman, 995). Menurut Mushach (995), nilai onduitivitas termal suatu bahan menunjuan laju perpindahan panas yang mengalir dalam suatu bahan. Misalnya selembar pelat memilii tampang lintang A dan tebal x, edua permuaannya dipertahanan pada suhu yang berbeda. Aan diuur panas Q yang mengalir tega lurus terhadap permuaan selama watu t. Esperimen menunjuan bahwa untu beda suhu antara edua permuaan sebesar T, Q sebanding dengan watu t dan tampang lintang A dan jia t dan A ecil maa Q sebanding dengan T/ x untu t dan A yang diberian. maa Q T A () t x Jia tebal pelat tipis seali mencapai infinitesimal dx maa beda suhu antara edua permuaan dt sehingga diperoleh rumus untu ondusi: dq dt A (2) dt dx Dengan dq/dt adalah laju perpindahan panas terhadap watu, dt/dx gradien suhu dan ondutivitas termal. Jia x semain bertambah maa suhu T semain berurang maa pada ruas anan persamaan diberi tanda negatif (dq/dt positif, jia dt/dx negatif). Gambar. Volume unsuran untu analisis ondusi-alor satu dimensi (Kern, 950) Suatu sistem satu dimensi sebagaimana ditunjuan pada gambar menunjuan bahwa jia sistem ini berada pada eadaan tuna (steady state), yaitu jia suhu tida berubah menurut watu, maa tida perlu melauan integrasi pada persamaan (2) dan mensubstitusi nilai-nilai yang sesuai untu memecahan masalah tersebut. Bahan yang memilii ondutivitas termal besar merupaan ondutor yang bai dan sebalinya bahan yang memilii ondutivitas ecil merupaan ondutor yang jele. Pada tabel diberian nilai untu berbagai bahan. Tabel. Kondutivitas termal untu berbagai bahan (Zemansy, 2002) Bahan ogam Aluminium Kuningan Tembaga Timbal Pera Baja Rasa Besi Gas Udara Argon Helium Hidrogen Osigen (W/m.K) 205,0 09,0 385,0 34,7 406,0 50,2 8,3 73 0,024 0,06 0,4 0,4 0,023 Bahan ain-lain Bata merah Bata isolasi Beton Gabus Kaca Batu Styrofoam (W/m.K) 0,6 0,5 0,8 0,04 0,8 0,04 0,0 Misalan persamaan batang dengan panjang dan tampang lintang A berada pada eadaan tuna (steady state) seperti pada gambar 2. Pada eadaan tuna suhu di setiap tempat pada setiap saat onstan. Di sini dq/dt sama pada seluruh penampang. Namun sesuai dengan persamaan (2) sehingga untu dan A onstan, maa gradien suhu dt/dx sama pada seluruh

3 Prosiding Seminar Nasional Fisia dan Pendidian Fisia (SNFPF) Ke permuaan tampang lintang. T turun secara linier sepanjang batang dan dt T 2 T. Oleh sebab itu dx panas yang ditransfer pada selama watu t adalah (Toifur, 200): T T (3) Suhu Tertent u Q 2 A t Insulat Aliran panas Suhu Terten tu termoopel, dan janga sorong. Bahan yang digunaan dalam penelitian adalah logam tembaga, uningan, dan besi (seperti yang ditunjuan dalam gambar 4). ogam tembaga dengan panjang 9,82 cm; diameter,62 cm; dan jara antara dua titi 7,82 cm. ogam uningan dengan panjang 9,48 cm; diameter,62 cm; dan jara antara dua titi 7,48 cm. ogam besi dengan panjang 8,2 cm; diameter,59 cm; dan jara antara dua titi 6,2 cm. T 2 T 2 > T T Gambar 2. Kondusi panas melalui batang ondusi yang terisolasi Fenomena ondusi panas menunjuan mesipun ada eteraitan antara panas dan suhu namun sangat berbeda. Aliran panas melalui batang tida sama dengan beda suhu antara ujung-ujung batang. Untu batang yang berlainan jia beda suhunya sama dalam watu yang sama aan mentransfer panas yang berbeda. Gambar 4. ogam tembaga, uningan, besi Pada rancangan alat percobaan seperti pada gambar 5 dibutuhan dua sensor suhu untu menguur suhu pada bagian ujung-ujung logam. ogam tersebut dililiti elemen panas berupa nielin sehingga mampu menghantaran panas pada logam. Setelah dihubungan e sumber tegangan dan diuur uat arus listrinya, selanjutnya didapatan nilai perbedaan suhu antar ujung-ujung logam dan nilai arus listri (i) dan tegangan listri (V) yang dapat dilihat dari rancangan alat percobaan. Gambar 3. Kondusi panas melalui dua lapis bahan yang memilii ondutivitas berbeda Misal dua pelat dengan panjang berbeda seperti pada gambar 3 yaitu dan 2 dileatan terbuat dari bahan yang berbeda dengan ondutivitas termal dan 2. Jia suhu permuaan luar T 2 dan T maa laju panas yang melalui iatan edua plat dalam eadaan tuna, dengan T x merupaan suhu interface antara edua bahan, maa Q2 2 AT x T2 (4) t 2 Q AT Tx (5) t Pada eadaan tuna Q Q2, sehingga t t (6) AT T Q t 2.2. Metode Penelitian Alat ini terdiri dari slide regulator mer TDG, amperemeter mer SP-20D, termoopel, penerjemah Gambar 5. Rancangan penelitian angah-langah yang dilauan dalam esperimen adalah sebagai beriut: i. Menyusun alat-alat menjadi rangaian sistem perangat penelitian seperti gambar 5 dengan meletaan sebuah dua logam tembaga secara bergandengan. ii. Menguur jara antara ujung-ujung logam tembaga dan memasang termoopel. iii. Menghidupan slide regulator. iv. Mengatur tegangan listri dari 5 V, 0 V, 5 V, 20 V, dan 25 V. v. Menguur arus listri yang mengalir dan mengamati perubahan suhu pada ujung-ujung logam. Kemudian masuan data hasil penelitian dengan format tabel seperti pada tabel 2.

4 Prosiding Seminar Nasional Fisia dan Pendidian Fisia (SNFPF) Ke Tabel 2. Nilai tegangan listri, arus listri, dan perbedaan suhu No. I (A) T (K) V (volt) vi. Menganalisis ondutivitas termal logam. vii. Mengulangi langah -6 untu dua logam sejenis yaitu uningan-uningan dan besibesi Metode yang digunaan pada penelitian penentuan ondutivitas termal berbagai logam dengan menggunaan metode gandengan yaitu dengan menggunaan persamaan linear atau garis lurus model y = ax + b, dimana x adalah variabel bebas yang terleta pada sumbu datar, dan y adalah variabel teriat yang terleta pada sumbu tega. a adalah emiringan (gradien) garis dan b adalah titi potong garis lurus dengan sumbu tega. Dari persamaan (6) emudian diubah dalam bentu T Vi (7) A dengan: T = perbedaan suhu dua titi (K), I = ondutivitas termal logam (Wm - K - ), A = luas penampang bahan (m 2 ), = jara antara dua titi (m), V = tegangan listri (volt), dan i = arus listri (A). Maa diperoleh persamaan regresi linear y = ax + b (8) Dengan memisalan (Vi) = x dan T = y. Adanya daya hantar panas ini aan menimbulan perubahan suhu sehingga daya hantar panas sebagai variabel bebas dan perubahan suhu sebagai variabel teriat. Dengan luas penampang (A) yang sama maa dapat dijabaran sebagai beriut, : 2 a (9) A Karena panjang logam sama = 2, maa diperoleh gradien dari dua logam yang sejenis yaitu 2 a (0) a Sehingga persamaan ondutivitas termal logam menjadi 2 aa () 2.3. Hasil dan Pembahasan Hasil penelitian dari logam tembaga, uningan dan besi dengan metode gandengan dapat ditunjuan pada tabel 3. Tabel 3. Hasil ondutivitas termal logam No Jenis logam Nilai ondutivitas termal percobaan (Wm - K - ) Nilai ondutivitas termal referensi (Wm - K - ) Error relatif (%). Tembaga ,9 2. Kuningan Besi ,6 Dari hasil yang diperoleh menunjuan bahwa nilai ondutivitas termal yang paling besar adalah tembaga, dan yang paling ecil adalah besi. Dari analisis yang diperoleh terlihat bahwa besarnya ondutivitas termal berbanding terbali dengan perbedaan suhu, sehingga adanya perbedaan suhu yang besar dapat diperoleh nilai ondutivitas termalnya ecil, dan sebalinya. Karena nilai ondutivitas termal tembaga paling besar maa tembaga merupaan penghantar yang paling bai diantara uningan dan besi. Error relatif ini terlalu besar diarenaan pada watu percobaan berlangsung penggandengan antara edua logam urang rapat sehingga terdapat ebocoran aliran panas. Ini aan mempengaruhi perubahan suhu yang beraibat nilai ondutivitas termal jauh dari nilai referensi. Dari percobaan yang dilauan diperoleh nilai ondutivitas termal logam yang berbeda-beda seperti yang ditunjuan pada tabel 3. Bahan logam yang digunaan emunginan tida standar atau andungan logam seperti tembaga, uningan, dan besi tida sama seperti andungan logam yang terdapat pada referensi. ogam harus terisolasi dengan bai dari lingungan sehingga menjaga ualitas logam dan tida aan mempengaruhi ondutivitas termal logam. 3. Kesimpulan dan Saran 3. Kesimpulan Dari hasil penelitian penentuan ondutivitas termal logam tembaga, uningan, dan besi dengan metode gandengan dapat disimpulan sebagai beriut:. Alat laya digunaan dalam pratium dan memilii emampuan untu membedaan nilai ondutivitas termal dari berbagai logam. 2. Nilai ondutivitas termal dua logam sejenis dengan metode gandengan diperoleh = (3,5 0,) 0 2 Wm - K - untu

5 Prosiding Seminar Nasional Fisia dan Pendidian Fisia (SNFPF) Ke tembaga; = (,0 0,) 0 2 Wm - K - untu uningan; dan = (0,8 0,0) 0 2 Wm - K - untu besi. 3.2 Saran Pada penelitian ini pengujian alat esperimen baru dilauan dengan logam tembaga, uningan, dan besi. Diharapan pada penelitian beriutnya untu meneliti logam lain seperti aluminium, pera, baja, dan lain lain. Dibutuhan etelitian dalam memasang alat untu dua logam dengan metode gandengan, agar tida ada panas yang eluar atau terjadi ebocoran saat dua logam ditempelan, sehingga bisa diperoleh nilai ondutivitas termal logam yang mendeati referensi. Pada saat melauan esperimen ondisi logam harus terisolasi dengan bai dari lingungan sehingga aan terjaga ualitas logamnya. Jawaban : Ujung logam harus halus, agar tida ada ebocoran aliran panas. Masih menggunaan logam ecil, bedanya jia menggunaan logam yang besar adalah pada perubahan suhunya aan lama. Belum sala besar, arena masih untu pembelajaran saja. Daftar Pustaa Holman,J.P Perpindahan Kalor. Jaarta: Erlangga. Kern, D.Q Process Heat Transfer. New Yor: Mc-Graw Hill. Kreith, F Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas. Jaarta: Erlangga. Mainil, A.K Kaji Esperimental Alat Uji Kondutivitas Termal Bahan. Jurnal Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI7) 202. Mushach, M Termodinamia dan Meania Statisti. Jaarta: Departemen Pendidian dan Kebudayaan. Putra, Sitiava Rizema Desain Belajar Mengajar Kreatif Berbasis Sains. Yogyaarta: DIVA Press. Suparno, P Pengantar Termofisia. Yogyaarta: Universitas Sanata Dharma. Toifur Fisia-3 Untu Mahasiswa Teni. Yogyaarta: UAD Press. Young, HD dan Freedman,R Fisia Universitas Edisi Kesepuluh Jilid. Jaarta: Erlangga. Zemansy, Mar W dan Dittman, R.H Kalor dan Termodinamia. Bandung: ITB. Nama Penanya : Aji Saputro Pertanyaan : Apaah berpengaruh pada oefisien apabila digunaan pda logam yang digunaan pada percobaan sala besar? Ketepatan oefisien tida dipengaruhi uuran logam?