Teori Dasar Konduktivitas Termal

Apabila ada perbedaan temperatur antara dua bagian benda maka akan terjadi perpindahan panas. Dalam hal ini, energi berpindah secara konduksi (conduction). Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah dari satu partikel ke partikel lainnya secara estafet tanpa diikuti aliran medium perpindahan panas.

Gambar Alat Uji Konduktivitas Termal

Salah satu karakteristik material adalah konduktivitas termal, yaitu sifat bahan yang menunjukan jumlah panas yang mengalir melintasi satu satuan luas jika gradient temperaturnya satu. Konduktivitas termal juga dapat menunjukan seberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu. Sifat ini berguna antara lain untuk rekayasa teknik, seperti dalam perencanaan, perhitungan beban pendinginan pada sistem refrigerasi dan tata udara, perencanaan alat penukar kalor, menentukan apakah sifat suatu beban bahan itu konduktor atau isolator listrik, dan sebagainya.

Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi yaitu perpindahan panas dimana panas mengalir di dalam suatu benda (padat, cair, atau gas) yang bersinggungan secara langsung dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih rendah akibat adanya gradient temperature pada benda tersebut.

Perpindahan panas konduksi dapat terjadi satu, dua dan tiga dimensi. Konduksi satu dimensi terjadi jika suatu system dimana suhu dan aliran panas hanya fungsi dari satu koordinat saja. Sedangkan untuk konduksi dua dantiga dimensi, suhu merupakan fungsi dari dua atau tiga koordinat.

Perpindahan panas konduksi menurut proses aliran perpindahan panas dibagi menjadi dua proses yaitu:

1.  Kondisi stedi (steady state) merupakan suatu proses dimana laju aliran panas dalam suatu system tidak berubah dengan waktu dan kecepatan

Fluks masuk sama dengan fluks keluar dan tidak dapat terjadi perubahan energy dalam.

2. Kondisi transient (transient) atau tak-stedi (unsteady) merupakan suatu proses dimana laju aliran panas dan suhu di berbagai titik dalam suatu system berubah dengan waktu.

Hukum Dasar Konduksi Panas

Laju aliran panas konduksi yang melalui suatu medium tergantung pada geometri medium ( ketebalan dan luas area) dan juga tergantung pada perbedaan temperature antara dua sisi. Persamaan konduksi yang dikenal juga dengan hukum Fourier didefinisikan sebagai berikut:

Dimana :

q = laju perpindahan kalor (Btu/h atau W)

A = luas bidang tempat berlangsungnya perpindahan kalor (ft²  atau m²)

= gradien atau landaian suhu (Temperatur gradient) dalam arah arah perpindahan kalor (^oF/ft atau ^oC/m)

k = konduktivitas termal (Btu/h.ft.^oF atau W/m.^oC)

Sedangkan tanda negatif merupakan tanda bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu.

Persamaan Konduksi Panas Pada Keadaan Steady-Satu Dimensi

Ø    Dinding Datar

Gambar Distribusi Temperatur Untuk Konduksi Steady-State Melalui Sebuah dinding Datar

Perpindahan panas pada dinding datar dapat dimodelkan dengan keadaan steady dan satu dimensi. Laju aliran panas yang melalui dinding harus konstan. Pada kondisi steady, distribusi temperaturnya seragam. Persamaan konduksi pada dinding datar dapat didefinisikan sebagai berikut:

Dengan L/Ak setara dengan tahanan termal (thermal resistance) R_k. Sedangkan hantaran termal (termal Conductance) adalah K_k:

Ø    Silinder Berlubang

Contoh kasus konduksi pada silinder berlubang adalah konduksi pada pipa yang dapat dimodelkan steady dan satu dimensi.

Jika silinder itu homogen dan cukup panjang sehingga pengaruh ujung-ujungnya dapat diabaikan dan suhu permukaan dalamnya konstan pada T₁ sedangkan suhu luarnya T₂. Maka persamaan laju panas konduksinya adalah:

Gambar Sketsa konduksi melalui silinder berlubang.

Ø    Dinding Datar Satu Dimensi dengan Struktur Komposit

Struktur komposit merupakan suatu struktur yang terdiri dari lebih dari satu macam bahan yang dirangkapkan. Persamaan-persamaan yang mengatur laju perpindahan panas dalam dinding komposit dapat diperoleh dengan menggambarkan rangkaian termalnya.

Gambar Struktur Komposit Dinding Datar

Aliran panas pada struktur komposit dinding datar adalah seragam lapisan dinding dan sisi. Jika luas dinding A sama untuk semua lapisan dinding maka berlaku:

Ø    Silinder Satu Dimensi Pada Struktur Komposit

Suatu metode yang sangat sederhana untuk pengukuran konduktivitas termal logam ialah seperti yang digambarkan pada gambar 4. Sebuah batang logam A konduktivitas termalnya diketahui. Logam ini dihubungkan dengan batang logam B yang konduktivitas termalnya akan diukur. Ujung batang gabungan itu dihubungkan dengan sebuah sumber kalor (heat Source) dan comber kalor (heat sink). Untuk meminimalkan kalor yang keluar ke lingkungan dan menjaga agar aliran kalor melalui batangan itu bersifat satu dimensi, rakitan itu dibalut dengan bahan isolasi . Pada kedua bahan yang diketahui dan yang tidak diketahui, ditempelkan atau ditanamkan termokopel. Jika gradient suhu melalui bahan-bahan yang diketahui diukur, aliran kalor akan dapat ditentukan.

Gambar Skema alat untuk Pengujian Konduktivitas Termal

Aliran kalor ini selanjutnya digunakan untuk menghitung konduktivitas termal bahan yang tak diketahui, jadi: