KONDUKTIVITAS PANAS DAN LISTRIK ZAT PADAT

 

Rafli Imam Madluthfi

(@Z12- RAFLI) 

Abstrak

            Konduktivitas panas yang diartikan sebagai kemampuan suatu materi untuk menghantarkan panas, merupakan salah satu perameter yang diperlukan dalam mendapatkan material dengan konduktivitas panas yang rendah. Konduktivitas disebut sebagai sifat listrik suatu material. Konduktivitas listrik suatu zat dicirikan sebagai kapasitasnya untuk mentransmisikan energi panas atau energi listrik (dan dalam beberapa kasus juga energi suara). Dengan demikian konduktor listrik yang baik dapat dengan mudah menyalurkan energi tanpa mendidih, melelehkan atau mengubah komposisinya dengan cara apa pun. Contohnya seperti kawat tembaga, besi, almunium dll.

Pendahuluan

            Konduktivitas panas adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Konduksi termal adalah suatu fenomena transport di mana perbedaan temperatur menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang di transfer dari satu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga metode yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Rumusan masalah

·       Apa rumus dari konduktivitas panas / termal?

·       Bagaimana cara kerja konduktivitas termal?

·       Apa factor yang mempengaruhi konduktivitas termal bahan?

·       Sebutkan jenis padatan berdasarkan konduktivitas listriknya?

Tujuan masalah

·       Mengetahui rumus konduktivitas panas

·       Mengetahui cara kerja konduktivitas termal

·       Mengetahui factor yang mempengaruhi konduktivitas termal bahan

·       Mengetahui jenis padatan berdasarkan konduktivitas listrik

Penjelasan

·       Setiap zat mempunyai kapasitasnya masing-masing untuk menghantarkan dan memindahkan panas. Konduktivitas termal suatu bahan dijelaskan dengan rumus berikut:

Q = K.A. (T1-T2)/d

Keterangan : K = Konduktivitas termal bahan

                       A = Luas penampang

                      d = Tebal penampang

           (T1-T2) = Perbedaan suhu (T1-T2) antara sisi panas (T1) dan sisi dingin (T2) 

                            Material

       

·       Cara kerja konduktivitas termal

Konduktivitas termal berkaitan dengan kemampuan suatu bahan untuk memindahkan panas secara bertahap dari suhu tinggi ke suhu rendah. Apa yang kita anggap sebagai "panas" ketika kita menyentuh suatu benda adalah efek makroskopis dari getaran skala atom di dalam material tersebut. Ketika energi panas diserap oleh suatu material, energi tersebut diubah menjadi energi kinetik atom. Atom-atom dalam benda padat tidak dapat bergerak banyak, sehingga ia bergetar. Atom-atom yang bergetar secara langsung terkena energi panas bertabrakan dengan atom tetangganya. Hal ini mentransfer energi kinetik ke tetangganya, yang kemudian mengeksitasi atom lebih jauh ke hilir dari sumber panas. Getaran yang disebabkan oleh energi panas berpindah melalui material ke daerah yang lebih dingin, seperti riak yang menyebar dari kerikil yang menghantam permukaan kolam.

·       Faktor yang mempengaruhi konduktivitas termal bahan

1. Suhu

Dengan bahan konduktif seperti logam, konduktivitas termal umumnya menurun seiring dengan meningkatnya suhu. Saat logam memanas, atom dan fonon akan mulai bergetar lebih kuat. Hal ini akan mengurangi jalur bebas rata-rata elektron bebas melalui mekanisme yang disebut hamburan fonon elektron. Untuk nonlogam, hubungan antara suhu dan konduktivitas termal lebih kompleks, dan kenaikan suhu dapat meningkatkan atau menurunkan konduktivitas termal.

 

2. Kepadatan

Kepadatan yang lebih tinggi dalam suatu bahan umumnya dapat dikaitkan dengan kepadatan pengepakan atom yang lebih tinggi dalam kisi kristal atau struktur molekul suatu bahan. Kepadatan pengepakan yang lebih tinggi ini akan meningkatkan konduktivitas panas dengan meningkatkan efisiensi perpindahan panas melalui fonon atau elektron bebas.

 

3. Tekanan

Apabila suatu material terkena tekanan yang cukup tinggi, ada kemungkinan densitasnya dapat meningkat. Hal ini dapat mengakibatkan peningkatan konduktivitas termal karena pengepakan atom atau molekul yang lebih rapat. Dampak potensial lainnya dari tekanan adalah perubahan fasa material, yaitu dari padat menjadi cair. Perubahan fasa ini dapat mempengaruhi konduktivitas termal material. 

 

4. Komposisi

Jenis atom, molekul, atau ion dalam suatu bahan dapat mempengaruhi konduktivitas termalnya. Misalnya, logam cenderung memiliki konduktivitas termal yang tinggi karena elektronnya dapat bergerak bebas dan mudah mentransfer panas. Namun bahan bukan logam seperti polimer atau keramik cenderung memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah karena struktur molekulnya yang lebih kaku dan kurang bergerak.

 

5. Struktur

Struktur kisi suatu material dapat mempengaruhi konduktivitas termalnya karena beberapa struktur lebih efisien dalam perpindahan panas dibandingkan struktur lainnya. Misalnya, bahan dengan kristal yang lebih besar dapat mentransfer panas lebih efektif karena batas butirnya lebih sedikit yang dapat menghambat aliran elektron bebas. Selain itu, bentuk struktur kristal juga dapat berpengaruh, misalnya struktur FCC (face-centered cube) seperti yang terdapat pada tembaga memiliki konduktivitas termal yang lebih baik dibandingkan struktur BCC (body-centered cube) seperti yang terdapat pada besi. .

 

6. Porositas

Porositas mengacu pada adanya rongga atau kantong gas di dalam struktur suatu material. Kekosongan ini dapat terjadi secara alami, sengaja ditambahkan, atau karena metode pengolahan yang buruk. Konduktivitas termal melalui kantong gas ini berkurang secara signifikan jika dibandingkan dengan bahan dasarnya. Hal ini kemudian akan mengurangi konduktivitas termal material secara keseluruhan.

 

7. Kotoran

Pengotor dalam suatu material dapat mempengaruhi konduktivitas termal melalui mekanisme yang disebut hamburan pengotor elektron. Pengotor dapat menciptakan anomali lokal pada potensi listrik di dalam kisi kristal. Hal ini dapat menghambat atau membelokkan pergerakan elektron bebas, sehingga mengurangi konduktivitas termal suatu material.

 

·       Jenis padatan berdasarkan konduktivitas listriknya

1.     Konduktor

Konduktor adalah benda padat yang mempunyai daya hantar listrik kuat. Mereka memungkinkan energi panas dan arus listrik mengalir dengan mudah dan cepat melaluinya. Konduktor memungkinkan transfer energi ini terjadi melalui aliran elektron bebas dari atom ke atom. Ketika arus hanya dialirkan ke satu bagian tubuh mereka, mereka mempunyai kekuatan untuk membawa energi ini ke seluruh tubuh mereka.

 

Konduktor terkuat dipahami sebagai semua logam. Konduktivitasnya bergantung pada jumlah elektron valensi atomnya. Elektron-elektron tersebut tidak terikat erat satu sama lain dan bebas untuk lewat. Logam mempunyai elektron seperti ini dalam atomnya, itulah sebabnya logam dapat menghantarkan panas dan listrik dengan sangat baik. Logam memungkinkan medan listrik ditransmisikan dalam rentang konduktivitas 106-108 ohm-1 melaluinya.

 

2.     isolator

Berbeda dengan konduktor, isolator adalah bahan yang tidak menghantarkan energi listrik atau arus sama sekali. Mereka tidak membiarkan muatan listrik apa pun (atau sangat sedikit) melewatinya. Mereka memiliki celah pita yang cukup besar yang mencegah aliran listrik. Kaca, kayu, plastik, karet, dll adalah beberapa contohnya.

 

Karena isolator adalah konduktor yang sangat lemah, ada kegunaan lain dari isolator. Untuk mengisolasi konduktor dan semikonduktor, kami menggunakannya. Anda pasti pernah melihat kabel tembaga, misalnya, dilapisi plastik atau sejenis polimer. Tanpa membiarkan arus listrik melewatinya, mereka mengamankan kabel dan kabel. Ini adalah isolasi kawat.

 

3.     Semikonduktor

Yang berada di antara konduktor dan isolator adalah semikonduktor. Ini adalah padatan yang mempunyai kemampuan, namun hanya dalam kondisi tertentu, untuk menghantarkan listrik melaluinya. Kemampuan semikonduktor untuk menghantarkan energi, panas, dan pengotor terganggu oleh dua kondisi tersebut.

 

4.     Semikonduktor Intrinsik: Ini adalah bahan murni, sehingga diklasifikasikan sebagai semikonduktor tidak terdoping tanpa tambahan pengotor. Kami menambahkan energi panas ke material di sini dan menciptakan kekosongan pada pita valensi. Hal ini memungkinkan energi untuk bergerak. Namun, konduktor ini tidak terlalu kuat dan memiliki sedikit aplikasi. Semikonduktor Ekstrinsik: Ini adalah semikonduktor dengan doping. Untuk meningkatkan konduktivitas produk, kami menambahkan beberapa pengotor. Ada dua jenis semikonduktor ekstrinsik: tipe-n dan tipe-p. Contohnya melalui teknik ini, kami meningkatkan konduktivitas silikon dan germanium.

 

Contoh soal :  Hitung jumlah perpindahan panas untuk bahan yang konduktivitas termalnya 0,181. Luas penampang 1200 m persegi dan tebal 2 m. Suhu panasnya 250 derajat c, sedangkan suhu dinginnya 25 derajat C.

Jawab : Diketahui : K = 0,181

                                 A = 1200m

                                  d = 2m

                         T1-T2 = 250-25 = 225 derajat

 Ditanya : Q

Jawaban : Q = K.A.(T2-T1)/d

                 Q = 0,181.1200.(225)/2

                 Q = 48.870/2

                 Q = 24.435 Watt

Daftar Pustaka

Vedantu. Sifat listrik padatanVedantu.com. diakses pada tanggal 5 November 2023. https://www.vedantu.com/chemistry/electrical-properties-of-solids.

Ensiklopedia Dunia, Konduktivitas termal, p2k.stekom.ac.id, diakses pada 5 November 2023. https://p2k.stekom.ac.id/ensiklopedia/Konduktivitas_termal.

Toppr. Rumus konduktivitas termal, toppr.com, diakses pada tanggal 5 November 2023. https://www.toppr.com/guides/physics-formulas/thermal-conductivity-formula/.

Tim xometri. Konduktivitas Termal: Pengertian, Cara Kerja, Pentingnya, Perhitungan, dan Faktornya. Xometri.com, diakses pada tanggal 5 November 2023. https://www.xometry.com/resources/materials/thermal-conductivity/.