SIFAT TERMAL
Sifat termal adalah respon material terhadap panas. Ketika bahan padat menyerap energi panas maka temperaturnya akan naik dan dimensinya dimensinya bertambah. Kapasitas panas/kalor, C adalah kemampuan material untuk menyerap energi panas dari lingkungannya, atau sejumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikan 1 unit temperatur.
C = dQ/ dT Dimana : C = kapasitas panas / kalor dQ = energi yang dibutuhkan dT = kenaikan temperatur Satuan C : : J/Mol-K, Cal/Mol-K Cv = kapasitas kalor pada volume konstan Cp = kapasitas kalor pada tekanan konstan
Kalor Spesifik
Yang dimaksud dengan kalor spesifik adalah kapasitas kalor per satuan massa. satuan kalor spesifik: J/kg-K, Cal/g-K, BTU/lbmOF
Pada bahan padat penyerapan energi panas akan meningkatkan energi vibrasi/getar atom disebut juga phonon. Ekspansi Termal
Bahan padat akan berekspansi ketika dipanaskan dan menciut ketika didinginkan
Lf - Lo Lf =
panjang akhir
/ Lo =
l
(T f f-T - T o)
Lo l
= panjang awal = koefisien muai termal
linier T f = temperatur akhir T o
=temperatur awal
Tabel 1. Tabulasi sifat termal dari berbagai bahan.
Perubahan Volume Karena Perubahan Temperatur,
dirumuskan: V / V o = V v
V o
v
t
= perubahan volume
= koefisien mulai termal volume = volume awal
Pada skala atom, ekspansi termal merupakan kenaikan jarak rata -rata antar atom. Gambar berikut adalah gambar energi potensial vs jarak antar atom.
Gambar 3. (a) Plot energi potensial vs jarak antar atom, menunjukkan kenaikan jarak antar atom dengan kenaikan temperatur. Karena pemanasan, jarak antar atom nak dari
r 0
ke r 1 ke r 2, dan seterusnya. (b) Untuk kurva energi potensial simetrik vs jarak antar atom, tidak ada kenaikan jarak antar atom karena kenaikan temperatur (
r 1 = r 2 = r 3 ).
Pada logam, koefisien muai termal linier berada pada daerah 5 x 10-6 s/d 25 x 10 6
(oc)-1
Konduktivitas Termal
Konduksi termal adalah fenomena diamana kalor/panas dipindahkan dari temperatur tinggi ke temperatur rendah pada suatu zat/benda. Secara matematik:
q = -k dT / dx
q = fluks kalor / laju kalor, W/m²(BTU/ft²-h) k = konduktivitas termal, W/m-K (BTU/ft-h- OF) dT / dK = gradien temperatur terhadap media
Tanda negatif pada persamaan menunjukan arah aliran kalor adalah dari panas ke dingin. Panas dipindahkan pada material adalah karena gelombang vibrasi kisi (phonon) dan elektron bebas
-
pada logam: konduksi termal dominan karena elektron bebas.
-
phonon sangat dominan pada konduksi termal keramik.
-
pada polimer: besarnya konduktivitas termal tergantung derajat kristalisasi. polimer yang mempunyai drajat kristalisasi tinggi akan mempunyai konduktivitas termal lebih tinggi.
Tegangan Termal
Tegangan termal adalah Tegangan yang terjadi pada bahan ( zat padat ) sebagai akibat dari perubahan suhu. Yang dapat dinyatakan dengan persaman sebagai berikut :
σ
= E 1 ( T o - T f ) = E
Dimana : σ
= stress
E = modulus elastisitas 1
= koefisien linier pemuaian termal
pada t f > t o = tegangan kompresi (t < 0) pada t f < t o = tegangan tarik (t > 0)
1
∆T
Ekspansi termal adalah perubahan dimensi yang terjadi akibat adanya perubahan temperatur. Perhitungan untuk mendapatkan koefisien ekspansi termal dilakukan dengan mengamati perubahan panjang sampel akibat kenaikan temperatur yang terjadi. Besarnya koefisien ekspansi termal dipengaruhi oleh pori pada suatu material. Kehadiran pori akan mereduksi massa material. Semakin banyak pori akan memperkecil daya hantar panas sehingga koefisien ekspansi termalnya menjadi lebih kecil. Jika ekspansi termal relatif cukup kecil untuk dimensi awal obyek, perubahan dalam dimensi apapun, untuk pendekatan yang baik, sebanding dengan daya pertama dari perubahan suhu. Misalkan sebuah benda memiliki panjang awal L i sepanjang beberapa arah pada beberapa suhu dan panjang meningkat sebesar ∆L untuk perubahan suhu ∆T. Karena lebih mudah untuk mempertimbangkan perubahan fraksional panjang per derajat perubahan suhu, kita mendefinisikan rata-rata koefisien ekspansi linear sebagai:
Percobaan menunjukkan bahwa α konstan untuk perubahan kecil pada suhu. Untuk tujuan perhitungan, persamaan ini biasanya ditulis sebagai: KONDUKTIVITAS TERMAL Konduktivitas 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). FAKTOR KONDUKTIVITAS TERMAL a. Suhu Konduksi termal akan meningkat seiring dengan kenaikan suhu b. Kandungan uap air
Konduksi Termal akan meningkat seiring meningkanta kandungan kelembaman.Bila nilai (k) besar maka merupakan pengalir yg baik,tetapi bila nilai (k) kecil maka bukan pengalir yg baik. Berat jenis Nilai konduktifitas termal akan berubah bila berat jenisnya berubah. Semakin tinggi berat jenis makan semakin baik pengalir konduktifitas tersebut. d. Keadaan pori-pori bahan Bila semakin besar rongga maka akan semakin buruk konduktifitas termalnya. MEKANISME KONDUKTIVITAS TERMAL 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 k1 mewakili getara n kisi dan konduktivitas termal elektron.energi termal yang terkait dengan fonon atau gelombang kisi diangkut dalam arah gerak mereka. Hasil kontribusi k1 dari gerakan bersih fonon dari tinggi ke suhu rendah dari tubuh dalam gradiens suhu. Elektron bebas dapat berpartisipasi dalam konduksi termal elektronik, dengan elektron bebas di daerah spesimen panas smapai mendapatkan keuntungan energi kinetik.kemudian bermigrasi ke daerah dingin, di mana beberapa energi kinetika akan dipindahkan ke atom sendiri (sebagai energi getaran) sebagai akibat tumbukan dengan fonon atau ketidaksempurnaan lain dalam kristal. Kontribusi relatif ke, untuk meningkatkan total konduktivitas termal dengan meningkatnya konsentrasi elektron bebas, kar ena lebih banyak elektron yang tersedia untuk berpartisipasi dalam proses transferrence pana Sumber panas di dalam proses pemotongan : Daerah pembentukan geram di area ini mengalami deformasi plastis dan patah/putus pada logam yang dimesin. Didaerah ini me liputi semua aliran permukaan, mendasari sumber panas pertama (Q1), daerah gesekan antara geram dan permukaan alat potong, mendasari sumber panas kedua (Q2), daerah gesekan antara permukaan alat potong dan benda kerja yang dimesin dengan kecepatan potong, mendasari sumber panas ketiga (Q3)
