sifat sifat thermal

7/24/2019 Sifat Sifat Thermal

1/29

Mengenal Sifat

MaterialSifat-Sifat Thermal


2/29

Sifat-sifat thermal yang akan kita bahas

adalahkapasitas panas

panas spesifik

pemuaian

konduktivitas panas


3/29

Sejumlah energi bisa ditambahkan ke dalam material

melalui pemanasan, medan listrik, medan magnit,

bahkan gelombang cahaya seperti pada peristwa photo

listrik yang telah kita kenal.

Pada penambahan energi melalui pemanasan tanggapan

padatan termanifestasikan dalam gejala-gejala kenaikan

temperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besar

energi yang masuk.

Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan

penyimpanan energi thermal:

1 penyimpanan dalam bentuk !ibrasi atom " ion disekitar posisi keseimbangannya

# energi kinetik yang dikandung oleh elektron-bebas.


4/29

Kapasitas Panas


5/29

Kapasitas Panas

Kapasitas Panas(heat capacity)

$apasitas panas pada !olume konstan, Cv

vvdT

dEC =

$apasitas panas pada tekanan konstan, Cp

pp

dT

dHC =

E : energi internalpadatan yaitu total

energi yang ada dalam padatan baik

dalam bentuk !ibrasi atom maupun

energi kinetik elektron-bebas

T: temperatur

H: enthalpi. Pengertian enthalpi

dimunculkan dalam thermodinamika

karena amat sulit meningkatkan

kandungan energi internal pada tekanan

konstan.

energi yang kita masukkan tidak hanya

meningkatkan energi internal melainkan

juga untuk melakukan kerjapada waktu

pemuaian terjadi.


6/29

Kapasitas Panas

volume

PVEH +=

tekanan

energi internal

T

VPT

E

T

PVT

VPT

E

T

H

+

=

+

+

=

0%ika perubahan !olume terhadap

Tcukup kecil suku ini bisa

diabaikan sehingga

vT

E

T

H

pv CC


7/29

Panas Spesifik


8/29

Panas Spesifik

Panas Spesifik, Perhitungan klasik

$apasitas panas per satuan massa per derajat $

dituliskan dengan huruf kecil cvdan cp

Perhitungan Klasik

&olekul gas idealmemiliki tiga derajat kebebasan

energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan TkB2

1

energi kinetik rata-rata '( dimensi: TkB2

3

energi per mole RTTNkE Bmolek2

3

2

3/ ==

)ilangan *!ogadro

$onstanta )olt+man

*tom-atompadatansaling terikatenergi rata-rata per derajat kebebasan TkB

RTE padatmoletot 3/ = cal/mole

Kcal/mole96,53 o=== RdT

dEc

vv

&enurut hukum Dulong-Petit '1#, cv

Hampir sama untuk semua material yaitu

6 cal/mole K


9/29

Pada umumnya hukum Dulong-Petit cukup teliti untuk temperatur di

atas temperatur kamar. amun beberapa unsur memiliki panas

spesifik pada temperatur kamar yang lebih rendah dari angkaDulong-Petit, misalnya

)e '/0e #s#, ) '/0e #s##p1,

2 '/0e #s##p#, Si '/e (s#(p#


3nsur-unsur ini orbital terluarnya tersisi penuh atau membuat ikatan

ko!alen dengan unsur sesamanya.

4leh karena itu pada temperatur kamar hampir tidak terdapat

elektron bebas dalam material ini. 5ebih rendahnya kapasitas panas

yang dimiliki material ini disebabkan oleh tidak adanya kontribusi

elektron bebas dalam peningkatan energi internal.


10/29

Sebaliknya pada unsur-unsur yang sangat elektropositif seperti

a '/e (s1

kapasitas panas pada temperatur tinggi melebihi prediksi Dulong-Petit

karena adanya kontribusi elektron bebas dalam penyimpanan energi

internal.



11/29

Panas Spesifik, Perhitungan Einstein

Perhitungan Einstein

Padatan terdiri dari Natom, yang masing-masing ber!ibrasi 'osilator

secara bebas pada arah tiga dimensi, dengan frekuensifE

En nhfE =

6rekuensi osilator

$onstanta Planck

bilangan kuantum, n7 , 1, #,....

%ika jumlah osilator tiap status energi adalahNndanN0adalah jumlah

asilator pada status , maka menuruti fungsi )olt+mann

)/(0

TkEn

BneNN =

%umlah energi per status: nnEN

total energi dalam padatan: =n

nnENE

sehingga energi rata-rata osilator

===

n

Tknhfn

ETknhf

n

n

n

nn

BE

BE

eN

nhfeN

N

EN

N

EE

)/(0

)/(0


12/29

energi rata-rata osilator

===

n

Tknhfn

ETknhf

n

n

n

nn

BE

BE

eN

nhfeN

N

EN

N

EE

)/(0

)/(0


misalkan Tkhfx BE /=

( ).........1

..........0

32

32

++++

++++==

xxx

xxxE

n

nx

n

Enx

eee

eeehf

e

nhfe

E

$arena turunan dari penyebut, maka dapat ditulis

( )...........1ln 32 ++++= xxxE eeedx

dhfE

x

e

=

1

1 1

/ = Tkhf

E

Bee

hfE

Dengan N atom yang masing-masing merupakan osilator bebas yang berosilasi

tiga dimensi, maka didapatkan total energi internal

1

33

)/( ==

Tkhf

E

BEe

NhfENE


13/29


Panas spesifik adalah

( )2//2

13

== Tkhf

Tkhf

B

EB

vv

BE

BE

e

e

Tk

hf

Nkdt

dE

c

fE: frekuensi Einstein

ditentukan dengan cara mencocokkan

kur!a dengan data-data eksperimental.

0asil yang diperoleh adalah bahwa pada

temperatur rendah kur!a 8instein menuju nol

jauh lebih cepat dari data eksperimen

$etidak cocokan ini dijelaskan oleh Debye


14/29

Panas Spesifik, Perhitungan Debye

Perhitungan Debye

&enurut Debye, penyimpangan hasil perhitungan 8instein

disebabkan oleh asumsi yang diambil 8instein bahwa atom-atomber!ibrasi secara bebas dengan frekuensi sama, fE

*nalisis yang perlu dilakukan adalah menentukan spektrum

frekuensi g'f dimana g'fdf didefinisikan sebagaijumlah

frekuensi yang dii+inkan yang terletak antara fdan 'f 9 df

Debye melakukan penyederhanaan perhitungan denganmenganggap padatan sebagai medium merata yang ber!ibrasi

dan mengambil pendekatan pada !ibrasi atom sebagai

spectrum-gelombang-berdiri sepanjang kristal

3

24

)( sc

f

fg

= kecepatan rambat suara dalam padatan

Debye memandang padatan sebagai kumpulan

phononkarena perambatan suaradalam padatan

merupakan gejala gelombang elastis


15/29

6rekuensi yang ada tidak akan melebihi (N

'Nadalah jumlah atom yang ber!ibrasi tiga dimensi.

Panjang gelombang minimum adalah

tidak lebih kecil dari jarak antar atom dalam kristal

DsD fc /=


8nergi internal untuk satu mole !olume kristal

= D

B

f

TkhfD

dffe

hf

f

NE

0

2

/31

9

Ddidefinisikan sebagaiTTkhf DBD // B

DD

k

hf=

temperatur Deye

( )

== T

x

x

DB

vv

D

e

dxxeTNk

dT

dEc

/

0 2

43

1

9

Postulat Debye


16/29


)/( TD DDengan pengertiantemperatur Deye! didefinisikan fungsi Debye

( )

= T

x

x

DD

D

e

dxxeTTD

/

0 2

43

1

3)/( )/(3 TDNkc DBv =

6ungsi Debye tidak dapat diintegrasi secara analitis,

namun dapat dicari nilai-nilai limitnya

1)/( TD D32

5

4)/(

DD

TTD

jika T

jika DT


17/29

Kontribusi Elektron

Panas Spesifik ! Kontribusi Elektron

0anya elektron di sekitar energi 6ermi yang terpengaruh

oleh kenaikan temperatur dan elektron-elektron inilah yang

bisa berkontribusi pada panas spesifik

Pada temperatur tinggi, elektron menerima energi thermal

sekitar k"T dan berpindah pada tingkat energi yang lebih

tinggi jika tingkat energi yang lebih tinggi kosong

T >0

T = 0

F(E)

0 E

1

kBT

0EF

pada kebanyakan metal sekitar e;

pada temperatur kamar k"T sekitar ,# e;

kurang dari 1< elektron !alensi

yang dapat berkontribusi pada

panas spesifik

kontribusi elektron dalam panas spesifik adalah TE

Nkc

F

Bv

3elektron

S f


18/29

Panas Spesifik"otal

Panas Spesifik Total

elektroniontotal vvv ccc +=

3ntuk temperatur rendah, dapat dituliskan

TATcv +=3 2

AT

T

cv +=atau

T 2

slope =A

cv/T

P S ifik


19/29

Panas Spesifik Pada Tekanan Konstan, cp

Panas Spesifik, Pada "ekanan Konstan dan #aktor $ain yang "urut %erperan

0ubungan antaracpdan cv diberikan dalam thermodinamika

= 2vvp TVcc

!olume molar

koefisien muai !olume

kompresibilitas

pv

dT

dv

v

1

Tdp

dv

v

1

Faktor-Faktor Lain Yang Turut erperan

Pemasukan panas pada padatan tertentu dikuti proses-proses lain, misalnya:

perubahan susunan molekul dalam alloy,

pengacakan spin elektron dalam material magnetik,

perubahan distribusi elektron dalam material superkonduktor,

Proses-proses ini akan meningkatkan panas spesifik material

yang bersangkutan


20/29

Pemuaian

P i


21/29

Pemuaian

Pada tekanan konstan

p

dT

dl

l

= 1

V = 3

Dengan menggunakan model Debye

Vcvv == 3

:konstanta #runeisen: kompresiilitas

P i


22/29

cp, =

$, >, untuk beberapa material./?.

&aterial cp'( $

cal"g $

=$'( $

1"$16>

'konst. @runeisen

*l ,## #A,1 #,1B

2u ,C# 1B,? 1,C?

*u ,(1 1(, (,(

6e .11 1, 1,?

Pb ,(# #, #,B(

i ,1( 1(,( 1.

Pt ,(1 , #,A

*g ,? 1C, #,A

,(A (,C 1,?#

Sn ,A #(, #,1A

El ,(? ?,B 1,B

Pemuaian


23/29

Kondukti&itas Panas

K d kti it P


24/29

Kondukti&itas Panas

Kondukti&itas Panas

%ika %adalah jumlah kalori yang melewati satu satuan luas '* per

satuan waktu ke arah& maka

dx

dT!" T==

A

Kondukti&itas Panas

aliran panas berjalan dari temperatur tinggi ke temperatur rendah

Pada temperatur kamar, metal memiliki kondukti!itas thermal yang baik dan

kondukti!itas listrik yang baik pula karena elektron-bebas berperan dalam

berlangsungnya transfer panas

Pada material dengan ikatan ion ataupun ikatan ko!alen, di mana elektron

kurang dapat bergerak bebas, transfer panas berlangsung melalui phonon

Dalam polimer perpindahan panas terjadi melalui rotasi, !ibrasi, dan

translasi molekul

Kond kti itas Panas


25/29

FTuntuk beberapa material pada ( $ ./?.

&aterial FT

cal"'cm sec $

$7FT"F

eT

'!olt"$#18

*l ,( #,#

2u ,CA #,#(

6e ,1C #,AB

*g 1, #,(1

2 'Gntan 1, -

@e ,1A -

Kondukti&itas Panas

Lorent! nu"ber

Kondukti&itas Panas 'leh Elektron


26/29

Kondukti#itas Panas $leh Elektron

Kondukti&itas Panas 'leh Elektron

pengertian klasik gas ideal TkE B

2

3=

%ika $adalah jalan bebas rata-rata elektron,

maka transmisi energi per elektron adalah

x

Tk

x

EB

=

2

3

x

Tk

x

EB

=

2

3

%umlah energi yang ter-transfer ke arah& x

T

k

n

! B

= 23

3

kerapatan elektron

kecepatan rata-rata

8nergi thermal yang ditransfer melalui dua bidang paralel tegak-lurus arah& dengan

jarak &pada perbedaan temperatur T adalah

x

TE

T

=

xT

!

x

T! T

=

=/

atau

kn

BT2

=

asio iedemann #ran*


27/29

asio iedemann-#ran*

asio iedemann-#ran*

Hasio ini adalah rasio antara kondukti!itas thermal dankondukti!itas listrik listrik

2

2

2

2

2

e

km

m

ne

kn

BB

e

T =

=

Te

To!=

Lorent! nu"berhampir sama untuk

kebanyakan metal


28/29


29/29

ourse are

engenal Sifat aterial

Sifat-Sifat "hermal

Sudaryatno Sudirham

sifat sifat thermal

Documents