Konduksi

Pengantar

Jika kita perhatikan pengendara sepeda motor di jalan raya, biasanya kebanyakan dari antara mereka menggunakan jaket atau sweater. Kayanya bukan cuma mereka… Kita juga biasa menggunakan jaket jika hendak kebut2an di jalan, terutama perjalanan yang ditempuh cukup jauh. Tuh tujuannya untuk apa ya ? Omong soal jaket, ketika udara cukup dingin kita juga biasa menggunakan jaket, kaki harus dibungkus dengan kaos kaki segala, tidur pun harus ditemani selimut yang bisa bikin sesak napas… mengapa harus demikian-kah ?

Btw, katanya kalau kita tidur di lantai ubin atau lantai keramik tanpa menggunakan kasur atau selimut, katanya bisa cepat sakit. Apa hubungannya ya… Dirimu bingung-kah ? biasa saja tuh… Met belajar ya…. Baca saja sampai selesai maka dirimu akan mendapat pencerahan

Orang bilang banyak jalan menuju roma, banyak jalan juga si kalor berpindah. Untuk mengungsi dari satu tempat ke tempat lain, kalor biasanya menggunakan 3 cara, antara lain : merayap, berlari dan terbang Cuma canda… Terdapat 3 jenis perpindahan kalor, yakni konduksi, konveksi dan radiasi. Istilah apa lagi ini… Kali ini kita akan membahas perpindahan kalor dengan cara konduksi. Perpindahan kalor secara konveksi dan radiasi akan dibahas pada episode berikut…

Perpindahan Kalor dengan cara Konduksi

Sebelum melangkah lebih dekat, mari kita lakukan percobaan kecil2an. Siapkan sebuah lilin dan sepotong kawat. Tarik napas 100 kali lalu nyalakan lilin tersebut. Pegang salah satu ujung logam lalu sentuhkan ujung logam yang lain ke nyala api. Tunggu selama beberapa saat. Tanganmu kepanasan-kah ? hiks2… mengapa tangan bisa terasa panas ?

Ketika salah satu bagian logam bersentuhan dengan nyala lilin atau nyala api, secara otomatis kalor mengalir dari nyala lilin (suhu tinggi) menuju bagian logam tersebut (suhu rendah). Walaupun hanya salah satu bagian logam yang bersentuhan dengan nyala api, semua bagian logam tersebut akan kepanasan juga. Tanganmu bisa terasa panas, karena kalor mengalir dari logam (suhu tinggi) menuju tanganmu (suhu rendah). Kalor tuh energi yang berpindah. Kita bisa mengatakan bahwa ketika salah satu bagian benda yang bersuhu tinggi bersentuhan dengan benda yang bersuhu rendah, energi berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju bagian benda yang bersuhu rendah.

Nah, karena mendapat tambahan energi maka molekul2 penyusun benda bergerak semakin cepat. Molekul lain yang berada di sebelahnya bergerak lebih lambat karena molekul tersebut tidak bersentuhan langsung dengan benda yang bersuhu tinggi. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik (EK = ½ mv²). Molekul2 yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menumbuk temannya yang ada di sebelah. Karena ditumbuk alias ditabrak oleh temannya, maka molekul2 yang pada mulanya bergerak lambat ikut2an bergerak lebih cepat. Ingat ya, pada mulanya si molekul bergerak lambat (v kecil) sehingga energinya juga kecil (EK = ½ mv²). Setelah bergerak lebih cepat (v besar), energi kinetiknya bertambah. Si molekul tadi menumbuk lagi temannya yang ada di sebelah… temannya yang lagi pacaran pun ikut2an bergerak lebih cepat. Karena v besar, energinya pun bertambah. Demikian seterusnya… mereka saling tumbuk menumbuk, sambil berbagi energi.

Ketika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, terdapat sejumlah kalor yang mengalir dari benda atau tempat yang bersuhu tinggi menuju benda atau tempat yang bersuhu rendah. Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Perlu diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada juga yang kurus (luas penampangnya kecil). Untuk mengetahui secara pasti hubungan antara jumlah kalor yang mengalir melalui suatu benda selama selang waktu tertentu akibat adanya perbedaan suhu, maka kita perlu menurunkan persamaan. Rumus lagi… rumus lagi

Amati gambar di bawah…

Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T₁) sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T₂). Karena adanya perbedaan suhu (T₁ - T₂), kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).

Berdasarkan hasil percobaan, jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T₁ – T₂), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Q = Kalor (satuannya kilokalori (k) atau Joule (J) )

t = Waktu (satuannya sekon (s) )

Q/t = Laju aliran kalor (satuannya kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )

A = Luas penampang benda (Satuannya meter kuadrat (m²) )

T₁ – T₂ = Perbedaan suhu (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (^oC) )

T₁ = Suhu alias Temperatur tinggi (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (^oC) )

T₂ = Suhu alias Temperatur rendah (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (^oC) )

l = Panjang benda (satuannya meter (m) )

T₁ - T₂ / l = Gradien suhu (satuannya Kelvin per meter (K/m) atau derajat celcius per meter (^oC/m) )

k = Konduktivitas termal benda

Persamaan konduktivitas termal

Kita oprek persamaan laju aliran kalor di atas untuk memperoleh persamaan konduktivitas termal…

Satuan konduktivitas termal

Kita bisa menurunkan satuan konduktivitas termal dengan mengoprek persamaan konduktivitas termal :

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan C^o, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah Mr.ozan jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (sudah dijelaskan pada pokok bahasan Kalor, Kalor Jenis dan Kalor laten).

Ketiga, satuan konduktivitas termal (k) bisa juga ditulis seperti ini :

Joule/sekon = J/s = Watt (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

Berikut ini nilai konduktivitas termal beberapa benda yang diperoleh melalui percobaan.

Jenis benda	Konduktivitas Termal (k)
	J/m.s.Co	Kkal/m.s.Co
Perak	420	1000 x 10-4
Tembaga	380	920 x 10-4
Aluminium	200	500 x 10-4
Baja	40	110 x 10-4
Es	2	5 x 10-4
Kaca (biasa)	0,84	2 x 10-4
Bata	0,84	2 x 10-4
Air	0,56	1,4 x 10-4
Tubuh manusia	0,2	0,5 x 10-4
Kayu	0,08 – 0,16	0,2 x 10-4 – 0,4 x 10-4
Gabus	0,042	0,1 x 10-4
Wol	0,040	0,1 x 10-4
Busa	0,024	0,06 x 10-4
Udara	0,023	0,055 x 10-4

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).

Tahanan Termal (R)

Para insinyur biasanya menggunakan konsep tahanan termal (R = resistansi termal) untuk menyatakan kemampuan suatu bahan dalam menghambat aliran kalor. Tahanan termal merupakan perbandingan antara ketebalan suatu bahan dengan konduktivitas termal bahan tersebut. Secara matematis bisa dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan :

R = tahanan alias hambatan termal

l = ketebalan bahan

k = konduktivitas termal

Tambahan :

Pada umumnya zat padat merupakan konduktor termal yang baik, sedangkan zat cair dan zat gas merupakan konduktor termal yang buruk. Konduktor termal = penghantar panas alias kalor. Zat cair dan zat gas bisa disebut juga sebagai isolator termal terbaik. Isolator termal = penghambat panas alias kalor.

Penerapan Konduksi dalam kehidupan sehari-hari

Mengapa ubin terasa lebih sejuk daripada karpet ?

Ubin memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada karpet. Karenanya ubin merupakan penghantar kalor yang bagus, sedangkan temannya si karpet merupakan pernghantar kalor yang buruk. Ketika kita menginjak karpet, kalor mengalir dari kaki menuju karpet. Hal ini terjadi karena suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu karpet. Karena si karpet merupakan penghantar kalor yang buruk maka kalor alias panas yang mengalir dari kaki kita menumpuk di permukaan karpet. Akibatnya permukaan karpet menjadi lebih hangat. Kaki mu pun ikut2an terasa hangat…

Ketika kita menginjak ubin atau keramik, kalor mengalir dari kaki menuju si ubin atau keramik. Karena si ubin merupakan penghantar kalor yang baik maka kalor alias panas yang mengalir dari kaki kita tidak tertahan di permukaan ubin. Kalor mengalir dengan lancar sehingga kaki kita terasa dingin…

Kalau rumahmu ada di malang atau bandung (daerah dingin), sebaiknya alasi lantai kamarmu dengan karpet biar kakimu tidak kedinginan. Sebaliknya, kalau rumahmu ada di jakarta, surabaya, yogya, dkk (daerah panas), sebaiknya jangan alasi lantai kamarmu dengan karpet… Bukan kesejukan yang dirimu rasakan, tapi malah bikin bete.

Ada orang yang bilang, kalau kita tidur di atas ubin (tanpa alas), kita bisa sakit. Sebenarnya hal itu disebabkan karena banyak kalor alias panas dari tubuhmu yang mengalir menuju ubin. Kalor tuh energi yang berpindah. Ketika tubuhmu kehilangan banyak kalor, maka energi dalam tubuhmu berkurang… Ini yang bikin dirimu cepat sakit. Siangnya sudah makan yang enak2 dan bergizi, malamnya dirimu membuang percuma si energi yang diperoleh dari makanan. Mending pakai saja untuk pacaran

Fungsi jendela dan pintu apa sich ?

Pada malam hari, suhu udara di luar rumah lebih rendah daripada suhu udara dalam rumah. Adanya perbedaan suhu udara ini bisa menyebabkan kalor kabur keluar rumah. Karenanya, biasanya pada malam hari kita menutup pintu atau jendela. Selain bertujuan menghalau maling yang mau menggarap harta kekayaan pemilik rumah, salah satu fungsi jendela atau pintu adalah menahan kalor agar tidak kabur dari dalam rumah. Biasanya pintu atau jendela terbuat dari kayu. Konduktivitas termal kayu cukup kecil sehingga bisa berperan sebagai isolator. Fungsi lain dari jendela atau pintu adalah menahan udara. Udara yang terperangkap pada sisi dalam jendela atau pintu berfungsi sebagai isolator yang baik (penghambat kalor yang hendak kabur). Biar paham, perhatikan tabel di atas. Konduktivitas termal udara sangat kecil. Semakin kecil konduktivitas termal suatu benda, semakin sulit si kalor mengungsi melalui benda tersebut.

Pada malam hari yang dingin sebaiknya jangan suka buka pintu atau jendela kamar. Ingat ya, tanpa diperintah si kalor dengan sendirinya kabur dari benda (atau tempat) yang bersuhu tinggi menuju benda (atau tempat) yang bersuhu rendah. Kalau pintu rumahmu tidak ditutup, nanti kalor mengalir semaunya menuju luar rumah yang memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin banyak kalor yang kabur dari dalam rumah atau kamar, suhu udara dalam kamar menjadi rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara udara dalam kamar dengan tubuhmu, maka kalor akan kabur dari dalam tubuhmu menuju udara. Semakin banyak kalor yang kabur, semakin banyak energi yang terbuang percuma. Nanti dirimu bisa sakit karena tubuh kekurangan energi…. Kecuali kalau dirimu pakai jaket, selimut dkk….

Fungsi pakaian tuh apa sich ?

Selain mempertahankan status kita sebagai manusia normal, pakaian juga berfungsi untuk menjaga suhu tubuh kita agar tetap stabil. Pakaian yang kita gunakan biasanya disesuaikan dengan suhu udara. Ketika suhu udara cukup rendah, pakaian yang kita gunakan lebih tebal. Selimut atau pakaian yang tebal (jaket dkk) membuat udara tidak bisa bergerak dengan lancar. Udara terperangkap di antara kulit dan jaket/selimut. Karena terdapat perbedaan suhu antara tubuh kita dan udara yang terperangkap, maka kalor mengalir dari tubuh menuju udara tersebut. Karena mendapat sumbangan kalor dari tubuh, suhu udara yang terperangkap meningkat (udara menjadi lebih hangat). Perhatikan tabel konduktivitas termal di atas…. Nilai konduktivitas termal (kemampuan menghantar kalor) udara sangat kecil. Karenanya, kalor tidak bisa kabur keluar dari tubuh. Suhu tubuh kita pun tetap terjaga… Apabila kita tidak menggunakan jaket pada saat udara cukup dingin, kalor bisa seenaknya kabur dari tubuh kita. Semakin banyak kalor yang kabur maka tubuh bisa kehilangan banyak energi…

Mengapa kebanyakan orang yang mengendarai sepeda motor biasanya menggunakan jaket ?

Tujuannya cuma satu : mencegah agar kalor tidak kabur dari dalam tubuh. Ketika kita mengendarai sepeda motor, tubuh kita bergerak. Udara juga ikut2an bergerak (udara yang bergerak = angin). Adanya angin membuat udara yang panas digantikan oleh udara yang lebih dingin. Akibatnya akan ada perbedaan suhu antara tubuh (suhu lebih tinggi) dengan udara (suhu lebih rendah). Jika kita tidak menggunakan jaket, maka kalor dengan seenaknya kabur dari tubuh… Kasusnya mirip dengan penjelasan sebelumnya…

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

www.gurumuda.com