Saat Anda berjalan melintasi karpet di hari musim dingin, kaki Anda tidak terasa dingin. Namun, begitu Anda melangkah ke lantai ubin di kamar mandi Anda, kaki Anda langsung terasa dingin. Apakah kedua lantai itu memiliki suhu yang berbeda?
Anda tentu tidak akan mengharapkannya, mengingat apa yang Anda ketahui tentang kesetimbangan termal. Jadi mengapa mereka merasa sangat berbeda? Alasannya ada hubungannya dengan konduktivitas termal.
Perpindahan panas
Kalor adalah energi yang berpindah antara dua bahan karena perbedaan suhu. Kalor mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah sampai tercapai kesetimbangan termal. Metode perpindahan panas meliputi konduksi termal, konveksi dan radiasi.
Panaskonduksiadalah mode yang dibahas secara lebih rinci nanti dalam artikel ini, tetapi secara singkat ini adalah perpindahan panas melalui kontak langsung. Pada dasarnya molekul-molekul dalam benda yang lebih hangat mentransfer energinya ke molekul-molekul dalam benda yang lebih dingin melalui tumbukan sampai kedua benda memiliki suhu yang sama.
Dikonveksi, kalor berpindah melalui gerak. Bayangkan udara di rumah Anda pada hari musim dingin. Pernahkah Anda memperhatikan bahwa sebagian besar pemanas biasanya terletak di dekat lantai? Saat pemanas menghangatkan udara, udara itu mengembang. Ketika mengembang, ia menjadi kurang padat, sehingga naik di atas udara yang lebih dingin. Udara yang lebih dingin kemudian berada di dekat pemanas, sehingga udara dapat menghangat, mengembang dan sebagainya. Siklus ini menciptakan arus konveksi dan menyebabkan energi panas menyebar melalui udara di dalam ruangan dengan mencampur udara saat dipanaskan.
Atom dan molekul melepaskan elektromagnetikradiasi, yang merupakan bentuk energi yang dapat merambat melalui ruang hampa udara. Ini adalah bagaimana energi panas dari api hangat mencapai Anda, dan bagaimana energi panas dari matahari sampai ke Bumi.
Definisi Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal adalah ukuran seberapa mudah energi panas berpindah melalui suatu material atau seberapa baik material tersebut dapat mentransfer panas. Seberapa baik konduksi panas terjadi tergantung pada sifat termal material.
Perhatikan lantai ubin pada contoh di awal. Ini adalah konduktor yang lebih baik daripada karpet. Anda bisa tahu hanya dengan perasaan. Saat kaki Anda berada di lantai keramik, panas membuat Anda jauh lebih cepat daripada saat Anda berada di atas karpet. Ini karena ubin memungkinkan panas dari kaki Anda bergerak lebih cepat.
Sama seperti kapasitas panas spesifik dan panas laten, konduktivitas adalah properti khusus untuk bahan yang ada. Ini dilambangkan dengan huruf Yunani (kappa) dan biasanya terlihat dalam sebuah tabel. Satuan SI untuk konduktivitas adalah watt/meter × Kelvin (W/mK).
Benda dengan konduktivitas termal tinggi adalah konduktor yang baik sedangkan benda dengan konduktivitas termal rendah adalah isolator yang baik. Tabel nilai konduktivitas termal diberikan di sini.
Seperti yang Anda lihat, benda yang sering terasa "dingin" saat disentuh, seperti logam, adalah konduktor yang baik. Perhatikan juga seberapa baik udara isolator termal. Inilah sebabnya mengapa jaket berbulu besar membuat Anda tetap hangat di musim dingin: mereka menjebak lapisan besar udara di sekitar Anda. Styrofoam juga merupakan isolator yang sangat baik, oleh karena itu digunakan untuk menjaga makanan dan minuman tetap hangat atau dingin.
Bagaimana Panas Bergerak Melalui Material
Saat panas berdifusi melalui material, gradien suhu ada di seluruh material dari ujung yang paling dekat dengan sumber panas ke ujung yang terjauh darinya.
Saat panas bergerak melalui material dan sebelum kesetimbangan tercapai, ujung yang paling dekat dengan panas sumber akan menjadi yang terpanas, dan suhu akan menurun secara linier ke level terendah di jauh akhir. Namun, ketika material mendekati kesetimbangan, gradien ini mendatar.
Konduktansi Termal dan Resistansi Termal
Seberapa baik panas dapat berpindah meskipun suatu benda tidak hanya bergantung pada konduktivitas benda itu, tetapi juga pada ukuran dan bentuk benda itu. Bayangkan sebuah batang logam panjang menghantarkan panas dari satu ujung ke ujung lainnya. Jumlah energi panas yang dapat lewat per satuan waktu akan tergantung pada panjang batang serta seberapa besar keliling batang. Di sinilah gagasan konduktansi termal berperan.
Konduktansi termal suatu bahan, seperti batang besi, diberikan oleh rumus:
C=\frac{\kappa A}{L}
dimanaSEBUAHadalah luas penampang bahan,Ladalah panjang dan adalah konduktivitas termal. Satuan SI untuk konduktansi adalah W/K (watt per Kelvin). Hal ini memungkinkan interpretasi sebagai konduktansi termal dari satuan luas per satuan ketebalan.
Sebaliknya resistansi termal diberikan oleh:
R=\frac{L}{\kappa A}
Ini hanyalah kebalikan dari konduktansi. Resistansi adalah ukuran seberapa besar perlawanan yang ada terhadap energi panas yang melewatinya. Resistivitas termal juga didefinisikan sebagai 1/.
Tingkat di mana energi panasQbergerak sepanjangLbahan ketika perbedaan suhu antara ujungnya adalahTdiberikan oleh rumus:
\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}
Ini juga dapat ditulis sebagai:
\frac{Q}{t}=C\Delta T = \frac{\Delta T}{R}
Perhatikan bahwa ini secara langsung analog dengan apa yang terjadi dengan arus dalam konduksi listrik. Dalam konduksi listrik, arus sama dengan tegangan dibagi dengan hambatan listrik. Konduktivitas listrik dan arus listrik analog dengan konduktivitas termal dan arus, tegangan analog dengan perbedaan suhu dan hambatan listrik analog dengan termal perlawanan. Semua matematika yang sama berlaku.
Aplikasi dan Contoh
Contoh:Sebuah igloo berbentuk setengah bola yang terbuat dari es memiliki jari-jari dalam 3 m dan tebal 0,4 m. Panas keluar dari igloo dengan laju yang bergantung pada konduktivitas termal es, = 1,6 W/mK. Pada tingkat berapa energi panas harus terus menerus dihasilkan di dalam igloo untuk mempertahankan suhu 5 derajat Celcius di dalam igloo ketika -30 C di luar?
Larutan:Persamaan yang benar untuk digunakan dalam situasi ini adalah persamaan dari sebelumnya:
\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}
Anda diberi ,Thanyalah perbedaan kisaran suhu antara di dalam dan di luar danLadalah ketebalan es.SEBUAHsedikit lebih rumit. MencariSEBUAHAnda perlu menemukan luas permukaan belahan bumi. Ini akan menjadi setengah luas permukaan bola, yaitu 4πr2. Untukr, Anda dapat memilih jari-jari rata-rata (jari-jari bagian dalam igloo + setengah ketebalan es = 3,2 m), jadi luasnya adalah:
A = 2\pi r^2 = 2\pi (3.2)^2 = 64,34 \text{ m}^2
Memasukkan semuanya ke dalam persamaan kemudian memberikan:
\frac{Q}{t} = \frac{\kappa A\Delta T}{L} = \frac{1.6\times 64.34\times 35}{0.4} = 9,000\text{ Watts}
Aplikasi:Sebuah heat sink adalah perangkat yang mentransfer panas dari benda-benda pada suhu tinggi ke udara atau cairan yang kemudian membawa kelebihan energi panas pergi. Sebagian besar komputer memiliki heat sink yang terpasang pada CPU.
Heat sink terbuat dari logam, yang menghantarkan panas dari CPU, dan kemudian kipas kecil mengedarkan udara di sekitar heat sink, menyebabkan energi panas menyebar. Jika dilakukan dengan benar, heat sink memungkinkan CPU untuk beroperasi pada kondisi stabil. Seberapa baik heat sink bekerja tergantung pada konduktivitas logam, luas permukaan, ketebalan dan gradien suhu yang dapat dipertahankan.