Makalah Konduktivitas Termal

8/10/2019 Makalah Konduktivitas Termal

1/24

MAKALAH PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA

Konduktivitas termal

OLEH

Gumpana sauti (84126/2007)

Yesi erlinawati (00314/2008)

Novimi sarni (00313/2008)

Dosen Pembimbing:

Dra. Syakbaniah, M. Si

Drs. Amran Hasrah

Dra. Nailil Husna, M. Si

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI PADANG

2010


2/24

1

PENGUKURAN KONDUKTIVITAS TERMAL

A. TUJUAN

1. Mengukur konduktivitas termal beberapa material yang berbeda

2.

Menentukan tipe material sampel yang digunakan apakah konduktor atau

isolator

B.

ALAT DAN BAHAN

Peralatan yang digunakan dalam kegiatan pengukuran dapat diperhatikan pada

gambar 1.

Gambar 1. Peralatan yang dibutuhkan pada percobaan

Table 1. Peralatan yang dibutuhkan dalam percobaan.

NO NAMA PERALATAN KETERANGAN JUMLAH

1 Stand with insulating

pad

Tempat material es 1

2 Generator uap Penghasil uap 1

3 Tabung 1 Mengumpulkan es yang melebur 1

4 Tabung 2 Mengumpulkan uap yang terkondensasi 1

5 Material berbeda Masonite, wood, lexan, sheetrock 1 set

6 Termometer Pengukuran suhu 1

7 Jangka sorong Mengukur diameter es 1

8 Stopwatch Pencatat waktu 1


3/24

2

C.

TEORI DASAR

Koefisien konduktivitas termal (k) merupakan formulasi laju panas pada suatu

benda dengan suatu gradien temperature. Nilai konduktivitas termal sangat berperan

penting untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu konduksi yang baik atau buruk.

Suatu bahan dikatakan konduktor (penghantar panas yang baik) bila bahan tersebut

mempunyai nilai k yang besar yaitu > 4.15 W/mC, biasanya bahan tersebut terbuat

dari logam. Sedangkan untuk isolator (penghantar panas yang buruk) mempunyai nilai

k < 4.01 W/mC, biasanya bahan tersebut terbuat dari bahan bukan logam. (

J.P.Holman, 1993 : 6-7 )

Konduksi termal adalah suatu fenomena transport di mana perbedaan temperatur

menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang lain

dari benda yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang ditransfer dari

suatu titik ke titik yang lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi,

konveksi, dan radiasi. Bila panas yang di transfer tidak diikuti dengan perpindahan

massa dari benda disebut dengan peristiwa konduksi.

Penyelidikan terhadap konduktivitas termal adalah untuk menyelidiki laju dari

konduksi termal melalui beberapa material. Jumlah panas yang dikonduksikan melalui

material persatuan waktu dilukiskan oleh persamaan:

= kA

Dalam kasus perubahan temperatur sebagai akibat perubahan posisi yang

sangat kecil di mana x mendekati nol, maka berlaku:

=

Bila garis dari aliran panas adalah parallel , maka gradien temperatur pada

setiap penampang adalah sama. Untuk kondisi ini jumlah panas yang dikonduksikan

persatuan waktu dapat dituliskan dalam bentuk :

= kA


4/24

3

Dalam penampang= energi panas total yang dikonduksikan , A= luasdimana konduksi mengambil tempat, = perbedaan temperatur dua sisi dari material, = waktu selama konduksi terjadi , h= ketebalan dari material dan k= konduktivitastermal dari material.

Koefisien konduktivitas termal k didefinisikan sebagai laju panas pada

suatu benda dengan suatu gradien temperatur . Nilai konduktivitas termal penting

untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu konduksi panas yang baik (good

conductor) dan penghantar panas yang tidak baik(good insulator). Karena itu nilai dari

konduktivitas termal menjadi penting untuk dibahas.

Nilai konduktivitas termal suatu material dapat ditentukan melalui pengukuran

tak langsung. Dengan melakukan pengukuran secara langsung terhadap beberapa

besaran lain, maka nilai konduktivitas termal secara umum dapat ditentukan melalui

persamaan:

K=

Dalam teknik pengukuran konduktivitas termal, suatu plat material yang akan

diuji di jepitkan di antara satu ruang uap (stem chamber) dengan mempertahankan

temperatur konstan sekitar 100 dan satu blok es yang di pertahankan padatemperature Konstan 0. Berarti perbedaan temperatur di antara dua permukaan darimaterial adalah 100. Panas yang di transfer diukur dengan mengumpulkan air yangberasal dari es yang melebur . Es melebur pada suatu laju 1 gram per 80 kalori dari

aliran panas (panas laten untuk peleburan es). Karena itu konduktivitas termal dari

suatu material dapat ditentukan menggunakan persamaan:

K=

Keterangan:

K = konduktifitas termal

= massa es


5/24

4

= konstanta laju kalor per satuan massa

h = ketebalan material

A = luas permukaan es yang menempel pada es

= perubahan suhu

= waktu yang dibutuhkan selama proses.

Dalam system CGS kalor lebur es adalah 80 kal/gram (Tim eksperimen fisika,

2009).

Panas yang di transfer dari satu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga

metoda yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

1. Konduksi adalah perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan massa atau partikel

zat perantaranya.

2. Konveksi yaitu perpindahan kalor di sertai dengan perpindahan massa atau partikel

zat perantaranya.

3. Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik tanpa

memerlukan medium perantara.

Berikut ini adalah nilai konduktivitas termal berbagai bahan pada suhu :

Tabel 2. konduktivitas termal berbagai bahan pada suhu

BAHAN konduktivita Termal (W/M C)

Logam

Perak Murni 410

Tembaga Murni 385

Aluminium Murni 202

Nikel Murni 93

Besi Murni 73

Baja Karbon, 1% C 43

Timbal Murni 35

Baja Krom-Nikel (18% Cr, 8% Ni) 16.3

Bukan Logam


6/24

5

Kuarsa (sejajar sumbu) 41.6

Magnesit 4.15

Marmar 2.08 - 2.94

Batu Pasir 1.83

Kaca Jendela 0.78

kayu, mepel, atau ek 0.17

Serbuk Gergaji 0.059

Wol Kaca 0.038

Sumber:(J. P. Holman, 1993: 610)

Bahanbahan yang biasa digunakan sebagai konduktor antara lain:

1) Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.

2) Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium

yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain yang

gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanismenya.

3) Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang

dipadukan dengan cara kompresi, peleburan, atau pengesahan.

Adapun bahan yang tergolong ke dalam bahan isolator adalah:

1) Bahan tambang (batu pualam, asbes, mika, dan sebagainya)

2) Bahan berserat (benang, kain, kertas, prespon, kayu, dan sebagainya)

3) Gelas dan keramik

4) Plastik

5) Karet, bakelit, ebonite, dan sebagainya

6) Bahan yang dipadatkan.


7/24

6

D.

PROSEDUR KERJA

1. Mengisi benjana es dengan air lalu bekukan dalam freezer . Pekerjaan ini

dilakukan sebelum pelaksanaan kegiatan pratikum.

2. Mengukur ketebalan dari setiap material sampel yang digunakan dalam

pratikum(h).

3. Memasang material sampel pada tabung ruang uap seperti yang ditunjukan

pada gambar 2

Gambar 2. Susunan peralatan untuk konduktivitas termal

4. Mengukur diameter dari blok es dan nilai ini dilambangkan dengan d1.

Tempatkan es tersebut di atas sampel.

5. Membiarkan es berada di atas sampel selama beberapa menit sehingga es mulai

melebur dan terjadi kontak penuh antara es dengan permukaan material sampel.

6. Mentukan massa dari tabung kecil yang digunakan untuk menampung es yang

melebur(Mt).

7. Mengumpulkan es yang melebur dalam tabung untuk suatu waktu pengukuran ta

Misalnya sekitar 3 menit, lakukan untuk 3 kali pengukuran.


8/24

7

8. Menentukan massa dari tabung yang berisi es yang melebur tadi(Mta)

9. Menentukan massa es yang melebur (Ma) dengan cara mengurangi Mtadengan

Mt

10.Mengalirkan uap ke dalam ruang uap .biarkan uap mengalir untuk beberapa

menit sampai temperature mencapai stabil sehingga aliran panas dalam keadaan

mantap (steady), artinya temperature pada beberapa titik tidak berubah terhadap

waktu.

11.Mengosongkan tabung yang digunakan untuk mengmpulkan es yang melebur.

Ulangi langkah 6 sampai 9 tetapi pada waktu ini dengan uap dialirkan ke dalam

ruang uap dalam suatu waktu tertentu tau(missal sekitar 3 menit). Ukurlah massa

es yang melebur (Mau). Lakukan lah untuk 3 kali pengukuran.

12.Melakukanlah pengukuran ulang diameter bloke s yang dinyatakan dengan d2.

13.Melakukanlah kegiatan yang sama untuk sampel material yang lainnya.


9/24

8

E.

DATA PENGAMATAN

1. Pengamatan menggunakan material Sheet Rockdengan ketebalan h= 6,6 mm,

dan massa dua buah tabung Mt=53,5 gr dan 67,8 gr

Table 3. Data hasil pengamatan menggunakan material Sheet Rock.

No d1(mm) d2 (mm) ta(menit) Ma(gr) tau

(menit)

Mau(gr) Ket

1 94,5

92,2

89,6

- 3 menit 20,5 - - Sebelum

dialiri

uap

2 21,6

3 19,5

4 - 72,3

71,25

69,5

- - 3 menit 10,7 Sesudah

dialiri

uap

5 13,5

6 14,8

2. Pengamatan menggunakan material Wooddengan ketebalan h= 6,25 mm, dan

massa dua buah tabung Mt=53,5 gr dan 67,8 gr.

Table 4. Data hasil pengamatan menggunakan material Wood.

No d1(cm) d2 (cm) ta(menit) Ma(gr) tau

(menit)

Mau(gr) Ket

1 87,9

85,5

85,2


dialiri

uap

2 14.2

3 16,6

4 - 64,55

62,5

60,55


dialiri

uap

5 16,4

6 16,9


10/24

9

3. Pengamatan menggunakan materialMasonitedengan ketebalan h= 0,625 mm,

dan massa dua buah tabung Mt=53,5 gr dan 67,8 gr.

Table 4. Data hasil pengamatan menggunakan materialMasonite.

No d1(cm) d2 (cm) ta(menit) Ma(gr) tau

(menit)

Mau(gr) Ket

1 83,5

82

79,5


dialiri

uap

2 15,7

3 15,7

4 - 58,6

56,0

53,0


dialiri

uap

5 15,7

6 16,9

4. Pengamatan menggunakan materialLexandengan ketebalan h= 0,94 mm, dan

massa dua buah tabung Mt=53,5 gr dan 67,8 gr.

Table 5. Data hasil pengamatan menggunakan materialLexan.

No d1(cm) d2 (cm) ta(menit) Ma(gr) tau(menit)

Mau(gr) Ket

1 77,50

76,75

73,25


dialiri

uap

2 17,1

3 15,8

4 - 52,75

49,5

46,45


dialiri

uap

5 18,8

6 19,9


11/24

10

F.

PENGOLAHAN DATA

1. Menghitung diameter rata-rata dari es selama eksperimen(dave) dari d1dan d2

Sheet rock

Wood


12/24

11

mesonite


13/24

12

Lexan

2. Menghitung luas diatas aliran panas antara es yang berkontak dengan

permukaan material sampel (A) dengan diameter dAVE

Sheet rock

drata-rata= 81,55 mm

r = 40,775 mm

A=r2= (3,14)(40,775 mm)

2

= 3,14 x 1662,6 mm2

=5220,56 mm2


14/24

13

Wood

drata-rata= 74,36mm

r = 37,18 mm

A=r2

= (3,14)(37,18 mm)2

= 3,14 x 1382,35 mm2

= 4340,58 mm2

mesonite

drata-rata= 68,65 mm

r = 34,325 mm

A=r2

= (3,14)(34,325mm)2

= 3,14 x 11778,2 mm

2

=3699.56 mm2

Lexan

drata-rata= 62,7 mm

r = 31,35 mm

A=r2

= (3,14)(31,35 mm)2

= 3,14 x 982,82 mm2

=3086,06 mm2


15/24

14

3. Menghitung laju es yang melebur sebelum dialirkan uap(Ra) dan laju setelah

dialirkan uap (R) untuk setiap material sampel

Sheet rock

Ma tot=

=

Ra =

=

Mau tot =

=

R au=

=

Wood

Ma tot=

=

Ra =

=


16/24

15

Mau tot =

=

R au=

=

mesonite

Ma tot=

=

Ra =

=

Mau tot =

=

R au=

=


17/24

16

Lexan

Ma tot=

=

Ra =

=

Mau tot =

=

R au=

=

4. Menghitung laju pada es yang melebur sesuai dengan temperatur differensial

untuk setiap material sampel

Sheet rock

RO= RRa

= (0,0722-0,1141) gr/s

= -0,0419 gr/s

Wood

RO= RRa


18/24

17

= (0,08427-0,0917) gr/s

= -7,43 x 10-3

gr/s

mesonite

RO= RRa

= (0,08594-0,095) gr/s

= -9,06 x 10-3

gr/s

Lexan

RO= RRa

= (0,104629-0,0885) gr/s

= 0,016129 gr/s

5. Memasukan data hasil perhitungan pada poin sebelumnya pada sebuah table.

Tabel 6. Data hasil perhitungan diameter rata-rata , luas dan laju peleburan

NO SAMPEL dAVE

(mm)

A(mm ) Ra(g/s) R(g/s) Ro(g/s)

1 Sheet rock 81,55 5220,56 0,1141 0,0722 -0,0419

2 Wood 74,36 4340,58 0,0917 0,08427 -0,00743

3 Mesonite 68,65 3699,56 0,095 0,08594 -0,00906

4 Lexan 62,7 3086,06 0,0885 0,104629 0,016129


19/24

18

6. Nilai konduktivitas termal dari setiap material sampel

Sheet rock

Ro = -0,0419 gr/s

h = 6,6 mm

A = 5220,56 mm2

T = 100

K =( )

=( )(

)

= -4,25 x 10-4

kal/mm s

Wood

Ro = -7,43 x 10-3

gr/s

h = 6,25 mm

A = 4340,58 mm2

T = 100

K =( )

=

( )( )

= -8,558764036 x 10-6

kal/mm s

Ro = -7,43 x 10-3

gr/s


20/24

19

h = 6,25 mm

A = 4340,58 mm2

T = 100

K =( )

=( )(

)

= -8,558764036 x 10-6

kal/mm s

Mesonite

Ro = -9,06x 10-3

gr/s

h = 5,75 mm

A = 3699,56 mm2

T = 100

K =( )

=( )(

)

= -1.126512342 x 10-5

kal/mm s

Lexan

Ro = 0,016129 gr/s

h = 94 mm

A = 3086,06 mm2


21/24

20

T = 100

K =( )

=( )(

)

= 3,930256703 x 10-5

kal/mm s

7. Menentukan jenis material sampel berdasarkan nilai konduktivitas termal

Masonite adalah isolator

Wood adalah isolator

Sheet rock adalah isolator

Lexan adalah isolator

8. Nilai konduktivitas untuk setiap material sampel berdasarkan praktikum yang

didapat:

= -4,25 x 10-4kal/mm s

= -8,558764036 x 10-6kal/mm s

= -1.126512342 x 10-5kal/mm s

= 3,930256703 x 10-5kal/mm s

<


22/24

21

PEMBAHASAN

A.

Analisis Hasil Praktikum

Berdasarkan dari percobaan yang dilakukan didapatkan bahwa luas

permukaan diatas aliran panas antara es yang berkontak langsung dengan permukaan

material sampel adalah sebagai berikut:

= 5220,56 mm2

=4340,58 mm2

=3699,56 mm2 =3086,06 mm2

Diameter rata-rata es untuk setiap percobaan berturut-turut sheet rock, wood,

mesonite, lexan adalah 81 mm, 55 mm, 74 mm, 36 mm, 68 mm, 65 mm, 62,7 mm.

Untuk harga Ro (laju es yang melebur) untuk setiap sampel didapatkan bahwa

Ro kayu lebih besar dari Ro gabus, triplek dan kaca.

= -0,04119 kal/mm s

= -7,43 x 10-3kal/mm s

= -9,06x 10-3kal/mm s

= 0,016129 kal/mm s Hasil yang di dapatkan pada pratikum tidaklah tepat sama sengan hasil yang

seharusnya di dapatkan hal ini dikarenakan ketidak telitian pada saat melakukan

pratikum misalnya ketidak tepatan posisi mata pada saat membaca hasil dari

pengukuran atau saat membaca skala alat ukur yang digunakan. Dalam menentukan

konduktivitas termal juga di pengaruhi oleh luas diatas aliran panas antara es dengan

permukaan sampel. Semakin tinggi nilai A maka konduktivitas termal semakin kecil.

Jenis material sampel berdasarkan nilai konduktivitas termal:

Masonite adalah isolator

Wood adalah isolator

Sheet rock adalah isolator

Lexan adalah isolator


23/24


24/24

23

Daftar Pustaka

Syakbaniah, Amra Hasra, Nailil Husna. 2009. Petunjuk Praktikum Eksperimen Fisika. adang:

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Negeri Padang.

Documents

Makalah Konduktivitas Termal