i KONDUKTIVITAS TERMAL LAPORAN Oleh: LESTARI ANDALURI 100308066 I LABORATORIUM TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012
ii KONDUKTIVITAS TERMAL LAPORAN Oleh: LESTARI ANDALURI 100308066 I Laporan sebagai salah satu syarat untuk dapat mengikuti praktikum di Laboratorium Termodinamika dan Pindah Panas Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara Medan, Juni 2012 Asisten (Mustafa Parlindungan R.) LABORATORIUM TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012
i DAFTAR ISI DAFTAR ISI... i PENDAHULUAN Latar Belakang... 1 Tujuan Praktikum... 2 TINJAUAN PUSTAKA... 3 BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Praktikum... 7 Bahan dan Alat... 7 Prosedur Kerja... 7 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil... 9 Perhitungan... 9 Pembahasan... 13 KESIMPULAN... 16 DAFTAR PUSTAKA... 18 LAMPIRAN... 19 Hal i
ii ii
1 PENDAHULUAN Latar Belakang Termodinamika merupakan suatu bidang ilmu pengetahuan tentang yang berurusan dengan kalor, kerja, dan sifat substansi yang berkaitan dengan kerja atau kalor. Perpindahan kalor merupakan fenomena alam yang seringkali kita dapatkan pada kehidupan sehari-hari saat menanak nasi, mandi dengan air hangat, minum kopi, dan lain sebagainya. Perpindahan panas diartikan sebagai mengalurnya panas dari satu benda yang bersuhu lebih tinggi menuju benda yang suhunya lebih rendah. Dimana benda yang suhunya lebih tinggi akan berkurang tingkat panasnya dan benda yang suhunya lebih rendah akan meningkat kadar panasnya. Hal ini bisa terjadi apabila dua benda tersebut saling terhubung secara langusng. Tanpa adanya hubungan secara langsung, perpindahan panas tidak akan terjadi. Pada umumnya terdapat tiga proses perpindahan panas yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Ilmu perpindahan panas tidak hanya membahas bagaimana energi itu berpindah dari suatu bagian ke bagian lainnya tetapi juga meramalkan laju perpindahan energi pada suatu kondisi-kondisi tertentu. Termodinamika dapat digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dari keadaan setimbang satu ke keadaan setimbang lainnya, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan panas tersebut. Keadaan ini disebabkan pada waktu perpindahan panas itu berlangsung, sistem tidak berada dalam keadaan setimbang. Penelitian mengenai perpindahan panas ini pernah dilakukan oleh seorang ilmuwan yang hidup pada 1753-1814. Ilmuwan tersebut, Benyamin Thomson 1
2 melakukan penelitian dengan menggunakan sebuah logam yang dilubangi menggunakan alat bor. Dalam peristiwa tersebut, maka bor seharusnya terasa sangat panas dan selanjutnya mata bor tersebut dimasukkan ke dalam air dingin sampai air tersebut mendidih. Proses perpindahan panas memiliki manfaat yang tidak sedikit bagi manusia. Salah satunya, mekanisme perpindahan panas memiliki manfaat yang tidak sedikit bagi manusia, sebagai salah satu sumber energi yang bisa menggunakan ketergantungan manusia pada sumber energi minyak. Hal ini mengingat sumber energi minyak merupakan salah satu sumber energi bumi yang bersifat tidak terbarukan. Di sisi lain, jumlah energi minyak setiap tahun selalu menyusut jumlahnya. Sementara energi yang memanfaatkan energi panas memiliki jumlah yang berlimpah dan belum banyak dimanfaatkan oleh manusia. Tujuan Praktikum Untuk mengetahui nilai atau besar konduktivitas dari kayu, keramik, dan asbes. 2
3 TINJAUAN PUSTAKA Dalam hampir semua logam, hilangnya kalor melalui permukaan sangat kecil dibandingkan dengan yang mengalir melalui batang. Temperaturnya bisa diukur dengan memakai termokopel yang sesuai pada tempat yang berjarak L, dan persamaan : Dipakai untuk menentukan konduktivitas termal rata-rata dalam daerah temperatur tertentu. Jika θ 1 θ 2 kecil, K praktis sama dengan konduktivitas termal pada temperatur rata-ratanya. K mempunyai satuan W/mK. Menurut kaidah umum, konduktivitas termal logam bertambah besar ketika temperaturnya diturunkan sampai maksimumnya mencapai. Konduktivitas termal gas selalu bertambah ketika temperaturnya naik (Zemansky dan Dittman, 1986). Besarnya perpindahan energi ke dalam sistem sebagai kerja (kerja yang dilakukan terhadap sistem) yang dikaitkan dengan perubahan posisi zat yang infinitesimal (sangat kecil) di dalamnya adalah dw = F dx = F.dX disini F merupakan gaya yang diterapkan oleh lingkungan terhadap zat tyang berada dalam sistem dan dx adalah pergeseran infinitesimal zat tersebut dalam arah F selama periode pengamatan, F dx merupakan definisi kerja dalam bentuk vektor (Reynolds dan Perkins, 1994). Bila dua benda mempunyai suhu yang berbeda disentuhkan, benda yang kaya kaloriknya akan memberikan sebagian kaloriknya kepada benda yang kurang kaloriknya, akhirnya kedua benda tersebut akan mempunyai suhu yang sama. 3
4 Berkat penelitian yang dilakukan oleh Rufford dan Joule ditemukan bahwa kalor adalah sebuah bentuk energi bukan sebuah zat. Perpindahan kalor masuk ke dalam sistem atau dikatakan sistem menyerap kalor diberi tanda positif. Sedangkan perpindahan kalor keluar sistem atau dikatakan sistem melepas/membuang kalor diberi tanda negatif. Q > 0, sistem menyerap kalor Q < 0, sistem melepas kalor Q negatif dan W positif menyatakan kalor dan kerja keluar dari sistem menuju lingkungan (Sulistiati, 2010). Perpindahan kalor konduksi dapat terjadi pada benda padat, cairan maupun gas. Komduksi dapat dibayangkan sebagai perpindahan energi akibat interaksi antar partikel dari suatu zat, dari partikel yang lebih aktif ke partikel yang kurang aktif. Laju peprindahan kalor melalui konduksi dapat dihitung secara makroskopik berdasarkan hukum Fourier. Zat yang memiliki nilai konduktivitas termal yang besar antara lain tembaga merupakan konduktor baik, sedangkan zat yang memiliki nilai konduktivitas termal yang kecil merupakan insulator yang baik (Moran dan Shapiro, 2004). Persamaan dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses transfer menentukan molekular dinyatakan pertama kali pada tahun 122 oleh Fourier dalam bentuk : Dimana qx adalah laju transfer panas dalam arah, dalam Watt atau BTU/jam; A adalah luas daerah yang normal terhadap arah aliran panas dalam m 2 atau ft 2 ; dt/dx adalah gradien temperatur dalam arah dalam m atau F ft dan adalah 4
5 konduktivitas termal dalam W m. atau jam ft F. asio q, mempun ai dimensi W/m 2 atau BTU/jam ft 2, menyatakan fluks panas dalam arah x (Welty, dkk, 2004). Banyak masalah timbul di keteknikan dimana pindah ditemani pergantian fase pada media konduksi atau komposisinya berubah disebabkan reaksi kimia yang dilaksanakan melalui media. Fenomena seperti ini pada umumnya diikuti pelepasan atau penyerapan energi panas di zona aktif. Energi yang dilepas atau diserap pada umumnya terdistribusi atau ditarik dari sistem sekitar oleh mekanisme konduksi panas. Contoh dari fenomena ini adalah pelelehan atau penyolderan, reaksi kimia seperti pembakaran, penetrasi es ke bumi, dan fenomena aerodinamis (Ecker and Drake, 1972). Apabila dari suatu sistem terdapat lebih dari satu macam bahan, misalnya dinding berlapis-lapis, maka aliran kalor dapat digambarkan sebagai berikut : Persamaan Fourier dapat pula dituliskan sebagai berikut : Persamaan tersebut mirip dengan hukum Ohm dalam jaringan listrik, sehingga untuk perpindahan kalor dapat pula didekati dengan analogi listrik, dimana aliran kalor akan sama dengan (Mitrakusuma, 2011). Terlibat laju kalor, dan nilai angka konduktivitas termal itu menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu. Yang jelas ialah bahwa makin 5
6 cepat molekul bergerak, makin cepat pula ia mengangkut energi. Jadi, konduktivitas termal gas bergantung pada suhu. Dalam sistem satuan Inggris, aliran kalor dinyatakan dalam satuan termal Inggris per jam (BTU/h), luas permukaan dalam kaki (foot) persegi, dan suhu dalam derajat Fahrenheit. engan demikian,, satuan konduktivitas termal adalah h.ft. F. ada suhu tinggi, perpindahan energi pada bahan isolator berlangsung dalam beberapa cara : konduksi melalui bahan berongga atau padat; konduksi melalui udara yang terkurung dalan rongga-rongga; dan jika suhu cukup tinggi, melalui radiasi (Holman, 1995). 6
7 BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Praktikum Praktikum ini dilakukan pada tanggal 31 Mei 2012 pada pukul 13.00 WIB di Laboratorium Termodinamika dan Pindah Panas Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara. Bahan dan Alat Adapun bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah kayu, asbes, dan keramik yang digunakan sebagai objek praktikum yang akan dihitung nilai konduktivitasnya. Adapun alat yang digunakan dalam praktikum ini adalah hotplate yang digunakan untuk mengukur nilai konduktivitas masing-masing bahan, cok sambung sebagai alat yang digunakan untuk sumber arus listrik, termometer untuk mengukur suhu bahan-bahan, jangka sorong untuk mengukur diameter dan tebal bahan; dan jepitan untuk menjepit bahan. Prosedur Kerja - Diukur diameter, tebal, dan luas dari masing-masing bahan - Diukur suhu kamar - Dinyalakan hotplate sampai suhu 100 o C - Diletakkan bahan di atas hotplate secara bergantian - Dihitung/diukur pada selang waktu 0, 10, 20, menit - Dihitung nilai konduktivitas masing-masing bahan Rumus: 7
8 dimana: q = laju perpindahan panas (ft/hr o F) x = ketebalan bahan (ft) A = luas bahan (ft 2 ) T = perubahan suhu ( o F) 8
9 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Bahan Tebal (ft) Diameter (ft) Luas (ft 2 ) Suhu 0 10 20 K (BTU/hr ft 2 o F) Keramik 0,029 0,44 0,16 89,6 o F 194 o F 201,2 o F 27486,68 Kayu 0,059 0,44 0,15 89,6 o F 112 o F 114,8 o F 6627,70 Asbes 0,013 0,44 0,15 89,6 o F 177,8 o F 188,6 o F 6066,03 Perhitungan Keramik - Tebal (x) = 0,87 cm = (0,87 x 10-2 ) x 3,281 = 0,029 ft - Diameter (D) = 13,8 cm = (13,8 x 10-2 ) x 3,281 = 0,45 ft - Luas (A) = = (3,14) (0,45 ft) 2 = 0,16 ft 2 - Suhu (T) Suhu 0 menit = ( x 32 o C) +32 = 89,6 o F Suhu 10 menit = ( x 90 o C) +32 = 194 o F Suhu 20 menit = ( x 32 o C) +32 = 201,2 o F T awal = ( x 100 o C)+32 = 212 o F q = 480 watt 9
10 T = 480 x 3412,14 = 1637827,2 BTU/hr = T akhir - T awal = 212 o F 201,2 o F = 10,8 o F - K keramik = = Kayu = 27486,68 BTU/hr ft 2 o F - Tebal (x) = 1,80 cm = (1,80 x 10-2 ) x 3,281 = 0,059 ft - Diameter (D) = 13,5 cm = (13,5 x 10-2 ) x 3,281 = 0,44 ft - Luas (A) = = (3,14) (0,44 ft) 2 - Suhu (T) = 0,15 ft 2 Suhu 0 menit = ( x 32 o C) +32 = 89,6 o F Suhu 10 menit = ( x 44 o C) +32 = 111,2 o F Suhu 20 menit = ( x 46 o C) +32 = 114,8 o F T awal q = ( x 100 o C)+32 = 212 o F = 480 watt = 480 x 3412,14 10
11 T = 1637827,2 BTU/hr = T akhir - T awal = 212 o F 114,8 o F = 97,2 o F - K kayu = = Asbes = 6627,70 BTU/hr ft 2 o F - Tebal (x) = 0,39 cm = (0,39 x 10-2 ) x 3,281 = 0,013 ft - Diameter (D) = 13,5 cm = (13,5 x 10-2 ) x 3,281 = 0,44 ft - Luas (A) = = (3,14) (0,44 ft) 2 - Suhu (T) = 0,15 ft 2 Suhu 0 menit = ( x 32 o C) +32 = 89,6 o F Suhu 10 menit = ( x 81 o C) +32 = 177,8 o F Suhu 20 menit = ( x 87 o C) +32 = 188,6 o F T awal q = ( x 100 o C)+32 = 212 o F = 480 watt = 480 x 3412,14 = 1637827,2 BTU/hr 11
12 T = T akhir - T awal = 212 o F 188,6 o F = 23,4 o F - K asbes = = = 6066,03 BTU/hr ft 2 o F 12
13 Pembahasan Dari hasil percobaan konduktivitas termal untuk bahan keramik didapatkan tebalnya = 0,029 ft; diameter = 0,45 ft; luas = 0,16 ft 2 ; suhu saat 0 menit = 89,6 o F; suhu saat 10 menit = 194 o F; suhu saat 20 menit = 201,2 o F; dan K = 27486,68 BTU/hr ft 2 o F. Untuk bahan kayu didapatkan tebalnya =0,059 ft; diameter = 0,44 ft; luas = 0,15 ft 2 ; suhu saat 0 menit = 89,6 o F; suhu saat 10 menit = 111,2 o F; suhu saat 20 menit = 114,8 o F; dan K =6627,70 BTU/hr ft 2 o F. Untuk bahan asbes didapatkan tebalnya = 0,013 ft; diameter = 0,44 ft; luas = 0,15 ft 2 ; suhu saat 0 menit = 89,6 o F; suhu saat 10 menit = 177,8 o F; suhu saat 20 menit = 188,6 o F; dan K = 6066,03 BTU/hr ft 2 o F. Rumus yang digunakan untuk mencari konduktivitas termal pada praktikum ini mirip dengan persamaan dasar yang dinyatakan oleh Fourier. Hal ini sesuai dengan literatur Welty, dkk (2004) yang menyatakan bahwa Dimana qx adalah laju transfer panas dalam arah x, dalam Watt atau BTU/jam; A adalah luas daerah yang normal terhadap arah aliran panas dalam m 2 atau ft 2 d dx adalah gradien temperatur dalam arah dalam m atau F ft dan adalah konduktivitas termal dalam W m. atau jam ft F. Dalam konduktivitas termal dipengaurhi oleh suhu. Semakin cepat molekul bergerak, makin cepat pula ia mengangkut energi. Jadi konduktivitas termal gas bergantung pada suhu. Hal ini sesuai dengan literatur Zemansky dan Dittman (1996) yang menyatakan bahwa menurut kaidah umum, konduktivitas termal logam bertambah besar ketika temperaturnya diturunkan sampai 13
14 maksimumnya mencapai. Konduktivitas termal gas selalu bertambah ketika temperaturnya naik. Pada suhu tinggi, perpindahan energi pada bahan isolator berlangsung dalam beberapa cara. Hal ini sesuai dengan literatur Holman (1995) yang menyatakan bahwa cara-cara itu adalah konduksi melalui bahan berongga atau padat; konduksi melalui udara yang terkurung dalan rongga-rongga; dan jika suhu cukup tinggi, melalui radiasi. Rumus yang digunakan pada konduktivitas termal adalah Dimana adalah konstanta konduktivitas termal hr ft F, q adalah laju perpindahan panas (ft/hr o F), x adalah ketebalan bahan (ft), A adalah luas bahan (ft 2 ), dan T adalah perubahan suhu ( o F). Faktor yang mempengaruhi konduktivitas adalah laju kalor, ketebalan bahan, suhu, dan luas penampang bahan. Konduktivitas merupakan fungsi suhu, bila suhu naik maka konduktivitas akan naik. Pada percobaan ini digunakan hotplate yang merupakan meja pemanas alat kecil yang tunggal/ganda sebagai elemen panas yang digunakan untuk berbagai keperluan. Prinsip kerjanya adalah dijaga suhu hotplate konstan kemudian bahan yang diletakkan di atasnya akan panas sehingga terjadi perpindahan panas konduksi. Zat yang memiliki nilai konduktivitas yang besar antara lain tembaga merupakan konduktor yang baik, sedangkan zat yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan insulator yang baik. Seperti kayu, plastik, dan lainlain. Konduktivitas termal menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan 14
15 tersebut. Yang jelas ialah bahwa makin cepat molekul bergerak, makin cepat ia mengangkut energinya. Aplikasi dari penggunaan konduktivitas termal adalah penghantar panas seperti pada hotplate dan penghantar panas lainnya yang berguna untuk mengetahui perubahan temperature yang terjadi besar hasilnya nilai konduktivitas termal pada bahan-bahan penghantar serta elemen volumenya, pemanas gas dalam balon terbang, dan lain-lain. Pepindahan kalor konduksi dapat terjadi pada benda dapat, cairan, dan gas. Prinsip dari perpindahan konduksi itu sendiri dapat dibayangkan sebagai perpindahan energi akibat interaksi antar partikel dari suatu zat, dari partikel yang lebih aktif ke partikel yang kurang akif. Dan inti dari prinsip perpindahan kalor konduksi yaitu perpindahan panas tanpa disertai perpindahan massa. 15
16 KESIMPULAN 1. Pepindahan kalor konduksi dapat terjadi pada benda dapat, cairan, dan gas. 2. Dari hasil percobaan didapat hasil konduktivitas keramik 27486,68 BTU/hr ft 2 o F; konduktivitas kayu sebesar 6627,70 BTU/hr ft 2 o F; dan konduktivitas asbes sebesar 6066,03 BTU/hr ft 2 o F. 3. Rumus yang digunakan pada konduktivitas termal adalah dimana adalah konstanta konduktivitas termal hr ft F, q adalah laju perpindahan panas (ft/hr o F), x adalah ketebalan bahan (ft), A adalah luas bahan (ft 2 ), dan T adalah perubahan suhu ( o F). 4. Konduktivitas termal dipengaruhi oleh suhu. 5. Pada logam semakin rendah suhu maka semakin tinggi konduktivitas termalnya. Pada gas semakin tinggi suhu maka semakin tinggu pula konduktivitas termalnya. 6. Perpindahan energi pada bahan isolator berlangsung dalam beberapa cara: konduksi melalui bahan berongga atau padat; konduksi melalui udara yang terkurung dalan rongga-rongga; dan jika suhu cukup tinggi, melalui radiasi. 7. Faktor yang mempengaruhi konduktivitas adalah laju kalor, ketebalan bahan, suhu, dan luas penampang bahan. 8. Prinsip kerja hotplate adalah dijaga suhu hotplate konstan kemudian bahan yang diletakkan di atasnya akan panas sehingga terjadi perpindahan panas konduksi. 9. Zat yang memiliki nilai konduktivitas termal yang besar antara lain tembaga dikarenakan merupakan konduktor yang baik. 16
17 10. Aplikasi dan penggunaan konduktivitas termal adalah pada penghantar panas seperti hotplate dan penghantar panas lainnya. 11. Prinsip perpindahan kalor konduksi adalah perpindahan panas tanpa perpindahan massa. 17
18 DAFTAR PUSTAKA Ecker, E. R.G. and R.M. Drake, 1972. Analysis Of Heat And Mass Transfer. McGraw-Hill Kogakusha, Japan. Holman, J.P., 1995. Perpindahan Kalor. Erlangga, Jakarta. Mitrakusuma, W. H., 2011. Diktat Dasar Refrigerasi. http://scribd.com. Diakses pada tanggal 30 Mei 2012. Moran, M. I. dan H. W. Shapiro, 2004. Termodinamika Teknik. Erlangga, Jakarta. Reynolds, W. C. dan H. C. Perkins, 1994. Termodinamika Teknik. Erlangga, Jakarta. Sulistiati, A. K. R., 2010. Termodinamika. Graha Ilmu, Yogyakarta. Wicks, C. E., J. R. Welty, R. E. Wilson, dan G. L. Rorrer, 2004. Dasar-Dasar Fenomena Transport. Erlangga, Jakarta. Zemansky, M. W. dan R. H. Dittman, 1986. Kalor Dan Termodinamika. ITB, Bandung. 18