SIFAT TERMAL MATERIAL

1. PendahuluanSifat termal sebuah material mengacu pada respon material tersebut terhadap

panas. Saat sebuah material mengadsorbsi energi dalam bentuk panas, temperature nya akan meningkat serta dimensinya akan bertambah. Sifat termal sebuah material meliputi, kapasitas panas, ekspansi termal atau pemuaian, dan konduktivitas termal.

2. Kapasitas PanasKapasitas Termal adalah sifat yang mengindikasikan kemampuan materi untuk

menyerap panas. Kapasitas panas (heat capacity) adalah jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur padatan sebesar satu derajat K. kapasitas panas [C],dapat dnyatakan dalam persamaan berikut,

Dimana dQ adalah energy yang dibutuhkan, dan dT adalah perubahan temperature. Konsep mengenai kapasitas panas dinyatakan dengan dua cara, yaitu Kapasitas panas pada volume konstan, Cv.

a. Vibrational heat capacityDalam kebanyakan material padat, asimilasi energy panas terjadi dengan

peningkatan energy getaran pada atom atom penyusun nya. Atom atom pada material padat secara konstan bergetar pada frekwensi tinggi dengan amplitudo yang relative kecil. Pergetaran atom ataom ini seolah olah menciptakan bentuk gelombang kisi yang berjalan. Dimana gelombang tersebut dapat dianggap sebagai gelombang suara atau gelombang elastic dengan frekwensi yang tinggi seta panjang gelombang yang pendek. Yang merambat melalui Kristal dengan kecepatan suara. Sehingga energy termal getaran dalam suatu material terdiri dari rangkaian gelombang yang terbentuk dari getran-getaran atom tersebut, dan satu kuantum energy getaran disebut phonon.

b. Temperature Dependence of the Heat CapacityPada gambar dibawah diperlihatkan tentang variasi temperature pengaruh

getaran pada kapasitas panas pada volume konstan untuk Kristal sederhana. Dri gambar tersebut dapat dilihat bahwa kenaikan C v secara signifikan terjadi dengan bertambahnya temperature, hal tersebut terjadi karena peningkatan kemampuan dari gelombang kisi untuk meningkatkan energy rata-rata yang dimiliki seiring dengan kenaikan temperature. Adapun hubungan antara C v dan temperature absolute dinyatakan dengan persamaan berikut

Dimana A adalah konstanta yang tidak dipengaruhui oleh temperature. Sedangkan C v menjadi tidak terpengaruh oleh temperature pada saat bernilai 3R, dimana R adalah konstanta gas.

3. Ekspansi Termal/pemuaianKebanyakan materialpadat memuai saat dipanaskan dan menyusut saat

didinginkan. Perubahan panjang karena pegaruh temperature untuk material padat dapat dinyatakan dalam persamaan berikut.

Atau dapat juga dinyatakan dengan persamaan ekivalen yaitu.

Dimana lf adalah panjang setelah dipengatuhi oleh suhu, sedagkan l0 adalah panjang awal, parameter α adalah koefisien linier pemuaian termal (linear coefficient of thermal expansion). Sedangkan perubahan volume karena pengaruhtemperatur dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

Berikut adalah penjelasan karakteristik ekspansi termal untuk beberapa jenis material yang meliputi, metal, keramik dan polimer.

a. Metalkoefisien linier pemuaian termal untuk beberapa jenis material adalah antara 5.

10−6 dan 25.10−6 ° C−1.

b. KeramikKeramik memiliki ikatan interatomik yang kuat. Yang mengakibatkan material

jenis ini memiliki koefisien linier pemuaian termal yang relative rendah. Yaitu dengan range 0.5.10−6 dan 15.10−6 ° C−1.

c. PolymerBahan polimer kebanyakan memiliku koefisien linier pemuaian termal yang

relative besar. Yaitu berkisar 5.10−6 dan 400.10−6 ° C−1. Hal ini dikarenakan ikatan intermonekular sekunder dari polimer yang relative rendah.

4. Konduktivitas TermalKonduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif bahan

yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. 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). Yang dapat dinyatakan dengan persamaan.

Dimana q adalah flux panas atau aliran panas, k adalah konduktivitas termal,

sedangkan dTdx

adalah gradient temperature.

Mekanisme dari konduktivitas termal ini adalah sebagai berikut. Panas diangkut dalam bahan padat oleh kedua gelombang getaran kisi (fonon) dan elektron bebas. Konduktivitas termal berhubungan dengan masing-masing mekanisme ini dan konduktivitas total jumlah kontribusi keduanya. Dimana k l dan k e mewakili getaran kisi dan konduktivitas termal elektron. Dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

Berikut adalah penjelasan karakteristik Konduksi termal untuk beberapa jenis material yang meliputi, metal, keramik dan polimer.

a. Metalmetal adalah material dengan konduksi panas yang baik, karena metal memiliki

jumlah electron bebas yang besar. Nilai dari konduktivitas panas untuk metal adalah berkisar antara 20 sampai 400 W/m-K.

b. KeramikMaterial non metal adalah insulator panas karena memiliki jumlah electron

bebas yang kecil. Kramik merupakan material non metal, sehingga memiliki nikai konduktivitas panas yang relative kecil yaitu berkisar antara 2 sampai 50 W/m-K. gelas dan jenis amorphous keramik yang lain, memiliki nilai konduktivitas panas yang lebih kecil dibandingkan dengan kristaline keramik.

c. PolimerKonduktivitas termal dari material jenis polimer kebanyakan adalah berkisar 0.3

W/m-K. dimana nilai tersebut lebih kecil bila dibandingkan dengan nilai konduktivitas

termal keramik dan metal. Polimer banyak digunakan sebagai insulator panas, karena memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah.

5. Tegangan Thermal Definisi dari Tegangan Thermal adalah, Tegangan yang terjadi pada bahan (zat

padat) sebagai akibat dari perubahan suhu. Yang dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

Dimanaσ = stress.E = modulus elastisitas bahan.α1= koefisien linier pemuaian termal.

a. Thermal Shock of Brittle MaterialsAdalah kekuatan bahan untuk menahan shock termal disebut resistansi shock

termal (thermal shock resistance [TSR]) yang dapat dinyatakan dengan persamaan.