Oleh
Helmi Abdulgani
Kita tau berdasarkan pengalaman bahwa bila sepotang
kawat logam dipanaskan pada satu ujungnya, tidak berapa lama kemudian ujung
lainnya akan terasa panas juga. Berbeda dengan kawat logam, sepotong tongkat
kayu yang dipanaskan ujungnya, sama seperti pada kawat logam, ujung lain tidak akan
terasa panas. Kenapa ada perbedaan seperti ini, apa yang membedakan besi dengan dan kayu dalam
dalam hal ini.
Mari kita lihat lebih jauh. Pada saat kita memanaskan
satu ujung kawat logam, ujung lainnya juga menjadi panas. Artinya panas dari satu ujung mengalir ke ujung lainnya, sedangkan
pada tongkat kayu hal itu tidak terjadi. Sifat apa yang dimiliki oleh logam
sehingga panas dapat mengalir dari satu
ujung ke ujung yang lain. Kenapa tongkat kayu tidak memiliki sifat yang
dimiliki oleh logam?
Sebenarnya petanyaan itu tidak tepat, karena dalam tongkat kayupun
terjadi aliran panas, hanya saja aliran panas dalam tongkat kayu tidak sebaik aliran
panas dalam logam, sehingga ujung tongkat kayu tidak terasa panas sedangkan
ujung kawat lagam terasa panas. Dalam hal ini kita dapat mengatakan bahwa logam
mempunyai sifat penghantara panas yang baik sedangkan kayu dan sejenisnya
tidak.
Penyelidikan lebih lanjut menunjukkan bahwa setiap
material memiliki sifat rambatan panas yang berberda, tetapi pada umumnya semua
logam mempunya sifat hantar panas yang baik, sedang non logam mempunyai sifat
hantaran panas yang jelek.
Apakah sifat hantaran panas ini dapat diukur atau
tidak? Ya, tentu saja sifat hantaran
panas ini dapat diukur diquantifikasikan.
Pada tahun 1822, Fourier, seorang Ilmuan Perancis
mempostulasikan bahwa kecepatan hantaran panas per unit penampang area dalam
suatu bahan berbanding lurus dangan tempertur gradian yang terjadi didalam
bahan tersebut. Jika diformulasikan dalam bentuk rumus thermodinamika, dapat
dituliskan sebagai berikut
Q/A α Ñ(T) (1)
Dimana
Q = Jumlah panas yang mengalir dalam
bahan
A = luas penampang bahan
Α = simbol proposionalitas
Ñ(T) = tempertur gradian
Dalam hal aliran panas terjadi dalam satu arah Ñ(T)
dapat ditulis dalam bentuk sederhana
Ñ(T)=
(T1-T2 )/L (2)
Sehingga persamaan (1) di atas dapat ditulis dalam
bentuk lain:
Q α A (T1-T2 )/L (3)
Apabila kita menggantikan tanda proposional α dengan
tanda sama dengan (=) maka peramaan (3) dapat dituliskan menjadi:
Q
= kA (T1-T2 )/L (4)
k = thermal adalah apa yang disebut dengan
thermal konduktivitas bahan
A = Luas
permukaan bahan yang dilalui oleh energi panas secara tegak lurus
T1 = Temperatur pada permukaan pertama
T2 = Temperatur pada permukaan ke dua
L = Tebal
bahan searah dengan aliran panas
.
Apakah unit dari k itu? Nah untuk menjawab pertanyan ini kita
harus menulis persamaan (4) dalam bentuk lain seperti berikut ini
k=(Q/A)/(T1-T2
)/L (8)
dimana
Q/A
di sebut heat flux dengan unit (watt/m2)
(T1-T2 )/L disebut temperatur gradian dengan unit
Kalvin/m (K/m)
Sehingga jika unit-unit ini disubstitusikan dalam
persaman diatas didapatlha unit thermal
konduktivitas k sebagai Watt/m-K
Thermal konduktivitas adalah sifat thermal material
yang paling dikenal. Sifat ini menyatakan kemampuan suatu bahan dalam hal
penghantaran panas. Thermal konduktiviatas adalah juga sifat absolut material
artinya dia tidak tergantung pada ukuran dan bentuk. Selembar karet dengan
ketebalan 0.1 mm mempunyai thermal konduktivitas yang sama dengan yang
berketebalan 10mm.
Jadi
themal konduktivitas (k) didefinisikan sebagai kecepatan aliran panas per luas
penampang (heat flux) dalam kondisi study state per unit tempertur gradian
dalam arah tegaklurus pada area penampang.
Jadi usaha untuk menentukan thermal konduktivitas
suatu bahan selalu berhubungan pengukuran heat flux dan pengukuran tempeatur gradian . Temperatur
gradian dapat diukur dengan mudah, yang sulit hanya pada pengukuran heat flux
dimana kita harus betul-betul menjaga
agar tidak ada panas yang masuk dan
keluar dari dalam sampel selain dari arah
yang kita inginkan. Pada dasarnya teknik
pengukuran heat flux di bagi dua. Bila heat flux diukur secara lansung maka proses ini disebut proses pengukuran absolute. Dan bila heat flux didapat dengan
cara tidak langasun, maka proses ini disebut proses pengukuran
comparative.
Dalam kedua kasus ini heat flux harus mengalir dalam
satu arah di dalam bahan yang ditest.Jadi dengan kata lain kehilangan panas, ataupun
penyerapan panas ke dan dari arah radial
harus seminimal mungkin. Untuk temperatur sedang, hal ini dapat dilakukan
dengan memasang isolasi disekeliling sample yang diuji. Sedangkan pada
temperatur tinggi dimana pemasangan bahan
isolasi sulit dilaksanakan dan juga tidak eficient, temperatur kontrol “guard”
harus dipasangkan sedemikian
rupa sehingga temperatur gradian dari guard sama dengan temperature
gradian sample
yang thermal konduktivitasnya mau kita tentukan. Dengan ini engergi panas yang
mengalir ke arah radial silinder
sampel dapat diminimalisir.
Bentuk sampel yang disiapkan untuk pengetesan
ditentukan oleh berapa besar thermal konduktivitas bahan yang hendak diukur. Bila
thermal konduktivitas bahan yang ditest besar, maka sampelnya harus panjang
(seperti silinder misalnya), sedangkan bila themal konductivitasnya kecil, ketebalan
sampel yang tipis saja (seperti piring) sudah memadai. Panjang, pendek sampel
ini tujuannya agar gradian temperatur dapat dilihat dengan jelas. Bila thermal
konduktivitas bahan besar, dan sampelnya tipis, maka perbedaan temperatur antara
satu permukaan dan permukaan yang lain tidak akan kelihatan jelas. sedangkan
jika thermal konduktifitasnya kecil sampel
yang tipis saja sudah cukup untuk membaca gradian temperatur.
Berikut ini kita akan mempelajari beberapa cara pengukuran
themal konduktivitas. Ada dua sistim pengukuran thermal konduktivitas, yaitu
sistim pengukuran steady state dan system pengukuran transient. Pada pengukuran
steady state temperature sampel hanya ditentukan oleh lokasi titik tersebut di dalam sample, waktu tidak
mempengaruhi temperatur sampel. Kelemahan
sistim pengukuran
steady state ini adalah bahwa
kita membutuhkan waktu yang lama menunggu temperature sampel
mencapat titik keseimbangan, yaitu keadaan dimana temperature sample hanya
bergantung pada posisi saja dan tidak lagi pada waktu. Set up equipment
sehingga mencapai temperatur steady state juga sulit. Sedangkan keuntungnya adalah hasilnya sangat mudah di
dapat dan dianalisa.
Pada sistim
transient, kita tidak perlu menunggu lama, karana kita dapat mengambil data
langsung pada saat itu, sampel tidak perlu mencapai kondisi
steady state. Hanya saja prosedur penganalisaan data pada sistim ini untuk memperoleh suatu
nilai themal konduktivias, jauh lebih rumit.
Ada beberapa cara untuk mengukur thermal
konduktivitas
1. Absolute
Axial flow method
Absolute exial flow method didasarkan pada
pengukuran energy listrik yang terpakai. Dalam proses menentukan besarnya energi listrik yang
harus disediakan untuk untuk menjaga sampel spacimen tetap dalam keadaan steady
state. Pada metode ini sampel diapit diantara heater element dan cooling
element. Energy yang mengalir dalam sampel dapat diketahui dengan membaca
besarnya arus listrik dan t egangannya yang diperlukan untuk menjaga sistim tetap dalam keadaan
steady state. Temperatur gradian dapat diukur dengan mudah, dan tebal, dan
penampang bahan diketahui maka k
dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan.
k=(Q/A)/(T1-T2
)/L
2. Comparative cut bar methode (ASTM 1225)
Pengukuran dengan cara comparative cut bar
methode ini pada dasarnya sama dengan
sistim pengukuran cara absolute axial flow method, hanya saja bahan yang akan
ditentukan thermal kondutivitasnya diapit atas bawah oleh dua bahan lain (dengan panjang, dan diameter sama
dengan sampel) dimana thermal konduktivitasnya diketahui. Persamaan yang dipakai untuk mendapatkan
thermal konduktivitasnya sedikit berbeda. Yaitu:
ks=
kr (ΔTr1+ΔTr2)/2ΔTs
dimana
ks adalah thermal konduktivitass sampel yang ingin
ditententukan.
kr
adalah
thermal konduktivitas bahan referensi
ΔTr1 adalah temperatur gradian dari bahan
referensi pertama
ΔTr2
adalah temperatur gradian dari bahan referensi ke dua.
ΔTs adalah temperatur gradian
dari bahan yang di cari themal konduktivitasnya
