Kamis, 30 April 2015
Home »
» Konduksi Termal
Konduksi Termal
Proses transfer energi oleh kalor juga dapat disebut konduksi atau
konduksi termal. Dalam proses ini, transfer dapat diwakili pada skala
atom sebagai pertukaran energi kinetik antara partikel
mikroskopis-molekul, atom, dan elektron bebasdi mana partikel kurang
energik mendapatkan energi dalam tumbukan dengan partikel yang lebih
energik. Misalnya, jika Anda memegang salah satu ujung batang logam
panjang dan masukkan ujung lainnya ke api, Anda akan menemukan bahwa
suhu logam di tangan Anda segera meningkat. Energi yang mencapai tangan
Anda dengan cara konduksi. Awalnya, sebelum batang dimasukkan ke api,
partikel mikroskopis dalam logam bergetar di sekitar posisi
keseimbangannya. Ketika api meningkatkan suhu batang, partikel dekat api
mulai bergetar dengan amplitudo yang lebih besar dan terusmembesar.
Partikel-partikel ini, pada gilirannya, bertabrakan dengan tetangganya
dan mentransfer sebagian energinya dalam tumbukan. Perlahan-lahan,
amplitudo getaran atom-atom logam dan elektron-elektron jauh dan jauh
dari peningkatan api sampai akhirnya atom dan elektron berada pada logam
di dekat tangan Anda yang terpengaruh. Peningkatan Getaran ini
terdeteksi oleh peningkatan suhu logam dan tangan Anda berpotensi
terbakar.
Tingkat konduksi termal tergantung pada sifat bahan yang dipanaskan.
Sebagai contoh, adalah mungkin untuk memegang sepotong asbes dalam nyala
api tanpa batas, yang menyiratkan bahwa sangat sedikit energi
yangdikonduksikan melalui asbes. Secara umum, logam merupakan konduktor
termal yang baik dan bahan-bahan seperti asbes, gabus, kertas, dan
fiberglass adalah konduktor yang buruk. Gas juga adalah konduktor yang
buruk karena jarak pemisah antara partikel begitu besar. Logam merupakan
konduktor termal yang baik karena mengandung sejumlah besar elektron
yang relatif bebas bergerak melalui logam sehingga dapat mengangkut
energi dalam jarak yang panjang. Oleh karena itu, dalam konduktor yang
baik seperti tembaga, konduksi terjadi melalui kedua getaran atom dan
gerakan elektron bebas.
Konduksi hanya terjadi jika ada perbedaan suhu antara dua bagian dari
media konduksi. Pertimbangkan lempengan bahan dengan ketebalan ∆x dan
luas penampangmelintang A. Satu sisi slab adalah pada suhu Tc, dan sisi
lain berada pada temperatur Th > Tc (Gambar 20.11). Secara
eksperimen, ditemukan bahwa energi Q mentransfer dalam interval waktu ∆t
dari bagianyang panas ke bagian yang dingin. Tingkat P = Q/∆t di mana
transfer energi terjadi ditemukan sebanding dengan luas permukaan dan
perbedaan suhu ∆T = Th - Tc dan berbanding terbalik dengan ketebalannya:
P = Q/∆t ∞ A (∆T/∆t)
Perhatikan bahwa P memiliki satuan watt ketika Q dalam joule dan ∆t
dalam detik. Itu tidak mengherankan karena P adalah Daya, laju
perpindahan energi Kalor. Untuk lempengan sangat kecil ketebalan dx dan
perbedaan temperatur dT, kita dapat menulis hukum konduksi termal:
(20.15)
dimana k konstanta proporsionalitas adalah konduktivitas termal dari
material dan | dT/dx | adalah gradien suhu (tingkat di mana suhu
berubahterhadap posisi).
Zat-zat yang merupakan konduktor termal yang baik memiliki nilai
konduktivitas termal besar, sedangkan isolator termal yang baik memiliki
nilai konduktivitas termal yang rendah. Tabel 20.3 daftar konduktivitas
termal untuk berbagai zat. Perhatikan bahwa logam umumnya merupakan
konduktor termal lebih baik daripada non logam.
Misalkan, batang seragam panjang dengan panjang L secara termal
terisolasi sehingga energi tidak bisa lepas oleh panas dari permukaan
kecuali pada ujung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 20.12. Salah
satu ujung berada dalam kontak termal dengan cadangan energi pada suhu
Tc, dan ujung lainnya berada dalam kontak termal dengan reservoir pada
suhu Th < Tc. Ketika keadaan stabil telah tercapai, suhu di setiap
titik di sepanjang batang adalah konstan terhadap waktu. Dalam hal ini,
jika kita asumsikan k bukan merupakan fungsi dari suhu, gradien suhu
adalah sama di mana pun di sepanjang batang dan:
Oleh karena itu, laju perpindahan energi dengan konduksi melalui batang
adalah:
(20.16)
Untuk slab senyawa yang mengandung beberapa bahan dari ketebalan L1,
L2,. . . dan konduktivitas termal k1, k2,. . . , Laju perpindahan energi
melalui slab di posisi mantap adalah:
(20.17)
di mana Th dan Tc adalah suhu permukaan luar (yang tetap konstan) dan
penjumlahan merupakan seluruh lembaran. Contoh 20.8 menunjukkan
bagaimana Persamaan 20.17 hasil dari pertimbangan dua ketebalan bahan
(Serway, 583-585 : 2010)
0 komentar:
Posting Komentar