Memahami thermal konduktivitas zat padat dan cara pengukurannya

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:

k_s= k_r (ΔT_r1+ΔT_r2)/2ΔT_s

dimana

k_s             adalah thermal konduktivitass sampel yang ingin ditententukan.

k_r             adalah thermal konduktivitas bahan referensi

ΔT_r1               adalah temperatur gradian dari bahan referensi pertama

ΔT_r2             adalah temperatur gradian dari bahan referensi ke dua.

 ΔT_s             adalah temperatur gradian dari bahan yang di cari themal konduktivitasnya     

 

Sebenarnya ada tiga method pengukuran lagi selain method yang telah kita bahas di atas yang lazin digunakan juga yaitu method guarded heat flow meter (ASTM E1530),  method guarde  hot plate (ASTM C177) dan method  hot wire (ASTM C1113),  sistim –sistim pengukuran yang disebut belakangan akan kita bicarakan pada halaman –halaman lain.

Sekian