III.KONDUKTIVITAS TERMAL (K) DAN MEKANISME PERPINDAHAN ENERGI
A. Perpindahan Kalor dengan cara Konduksi
Karena mendapat tambahan energi maka molekul-molekul penyusun benda bergerak semakin cepat. Molekul2) lain yang berada di sebelahnya bergerak lebih lambat karena molekul tersebut tidak bersentuhan langsung dengan benda yang bersuhu tinggi. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik3) (EK = ½ mv2). Molekul-molekul yang bergerak lebih cepat energi kinetik3nya lebih besar menumbuk molekul lain. Karena ditumbuk atau ditabrak , maka molekul-molekul yang pada mulanya bergerak lambat ikut bergerak lebih cepat. Pada mulanya molekul bergerak lambat (v kecil) sehingga energinya juga kecil (EK = ½ mv2). Setelah bergerak lebih cepat (v besar), energi kinetiknya bertambah. Molekul tadi menumbuk4) lagi molekul lain di sebelah, molekul yang lain lagi pun ikut bergerak lebih cepat. Karena v besar, energinya pun bertambah. Demikian seterusnya, mereka saling tumbuk menumbuk, sambil berbagi energi.
Ketika benda yang memiliki perbedaan suhu1) saling bersentuhan, terdapat sejumlah kalor yang mengalir dari benda atau tempat yang bersuhu tinggi menuju benda atau tempat yang bersuhu rendah.
Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Perlu diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada juga yang kurus (luas penampangnya kecil). Untuk mengetahui secara pasti hubungan antara jumlah kalor yang mengalir melalui suatu benda selama selang waktu tertentu akibat adanya perbedaan suhu, maka kita perlu menurunkan persamaan
Amati gambar di bawah ini :
Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T1) sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T2). Karena adanya perbedaan suhu (T1 - T2), kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).
Berdasarkan hasil percobaan, jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T1 – T2), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :
Keterangan :
Q = Kalor (satuannya kilokalori (k) atau Joule (J) )
t = Waktu (satuannya sekon (s) )
Q/t = Laju aliran kalor (satuannya kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )
A = Luas penampang benda (Satuannya meter kuadrat (m2) )
T1 – T2 = Perbedaan suhu (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )
T1 = Suhu alias Temperatur tinggi (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )
T2 = Suhu alias Temperatur rendah (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )
l = Panjang benda (satuannya meter (m) )
T1 - T2 / l = Gradien suhu (satuannya Kelvin per meter (K/m) atau derajat celcius per meter (oC/m) )
k = Konduktivitas termal bendaPersamaan konduktivitas termal
Kita oprek1) persamaan laju aliran kalor di atas untuk memperoleh persamaan konduktivitas termal.
Satuan konduktivitas termal
Kita bisa menurunkan satuan konduktivitas termal dengan mengoprek persamaan konduktivitas termal :
Catatan :
Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval1) yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal sudah dijelaskan pada pokok bahasan Termometer2) dan Skala suhu
Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (sudah dijelaskan pada pokok bahasan Kalor, Kalor Jenis dan Kalor laten).
Ketiga, satuan konduktivitas termal (k) bisa juga ditulis seperti ini :
Joule/sekon = J/s = Watt (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)
Berikut ini nilai konduktivitas termal beberapa benda yang diperoleh melalui percobaan.
Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).
Tahanan Termal (R)
Para insinyur biasanya menggunakan konsep tahanan termal (R = resistansi termal) untuk menyatakan kemampuan suatu bahan dalam menghambat aliran kalor. Tahanan termal merupakan perbandingan antara ketebalan suatu bahan dengan konduktivitas termal bahan tersebut. Secara matematis bisa dirumuskan sebagai berikut :
Keterangan :
R = tahanan atau hambatan termal
l = ketebalan bahan
k = konduktivitas termal
Tambahan :
Pada umumnya zat padat merupakan konduktor termal yang baik, sedangkan zat cair dan zat gas merupakan konduktor termal yang buruk. Konduktor termal1). Zat cair dan zat gas bisa disebut juga sebagai isolator termal terbaik. Isolator termal2).
