Sifat Termal Bahan, Fisika Material

SIFAT TERMAL BAHAN

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. Tanggapan padatan terhadap macam-macam tambahan energi tersebut tentulah berbeda. Pada penambahan energi melalui pemanasan misalnya, tanggapan padatan termanifestasikan mulai dari kenaikan temperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besar energi yang masuk.

Pada peristiwa photolistrik tanggapan tersebut termanifestasikan sebagai emisi elektron dari permukaan  metal tergantung dari frekuensi cahaya yang kita berikan, yang tidak lain adalah besar energi yang sampai ke permukaan metal.  Dalam mempelajari sifat non-listrik material, kita akan mulai dengan sifat thermal, yaitu tanggapan material terhadap penambahan energi secara thermal (pemanasan). Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal; yang pertama adalah penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom / ion di sekitar posisi keseimbangannya, dan yang kedua berupa energi kinetik yang dikandung oleh electron bebas. Ditinjau secara makroskopis, jika suatu padatan menyerap panas maka energi internal yang ada dalam padatan meningkat yang diindikasikan oleh kenaikan temperaturnya. Koefisien daya hantar berlainan dengan koefisien muai panas, walaupun keduanya dipengaruhi oleh suhu. Naiknya suhu suatu bahan/material, maka akan mengakibatkan perubahan susunan atom yang mengiringi pencairan dan pengaturan  kembali susunan atom=atom yang diakibatkan perubahan suhu, yang pada akhirnya akan mengganggu daya hantar panas bahan tersebut. Sifat termal merupakan sifat yang menunjukkan respon material terhadap panas yang diterima suatu bahan/material. Untuk mengetahui sifat termal suatu bahan, maka perlu dibefakan antar temperatur/suhu dengan kandungan kalor.

Temperatur / suhu adalah tinggi rendahnya (level ) thermal dari suatu aktivitas, sedangkan kandungan kalor adalah besarnya energi thermal.

Suatu benda dapat mengalami muai panas (Thermal Expansion), yaitu pemuaian yang dialami bahan ketika mengalami perlakuan termal.Besarnya pemuaian bahan / material ditentukan oleh jenis benda, ukuran benda mula-mula, dan besarnya kalor yang diberikan. Pemuaian ini dapat mengakibatkan pertambahan panjang (∆l) dan juga pertambahan volume..

 merupakan koefisien  muai panjangdan koefisien muai volume suatu zat. Daya hantar panas(Thermal Conductivity) merupakan kemampuansuatu material atau bahan dalam meneruskan panas, yang biasanya terjadi pada benda padat, dan biasanya terjadi secara konduksi.

Jadi perubahan energi pada atom-atom dan electron bebas menentukan sifat-sifat thermal padatan. Sifat-sifat thermal yang akan kita bahas adalah  kapasitas panas, panas spesifik,  pemuaian, dan konduktivitas panas.

Kapasitas Panas  

Kapasitas 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. Konsep mengenai kapasitas panas dinyatakan dengan dua cara, yaitu

a.       Kapasitas panas pada volume konstan, Cv.

 

dengan  E  adalah energi internal padatan yaitu total energi yang ada dalam padatan baik dalam bentuk vibrasi atom maupun energi kinetik elektron bebas. 

b.      Kapasitas panas pada tekanan konstan, Cp

  dengan  H adalah  enthalpi. Pengertian enthalpi dimunculkan dalam thermodinamika karena sesungguhnya adalah amat sulit meningkatkan kandungan energi internal pada tekanan konstan. Jika kita masukkan energi panas ke sepotong logam, sesungguhnya energi yang kita masukkan tidak hanya meningkatkan energi internal melainkan juga untuk melakukan  kerja pada waktu pemuaian terjadi. Pemuaian adalah perubahan volume, dan pada waktu volume berubah dibutuhkan energi sebesar perubahan volume kali tekanan udara luar dan energi yang diperlukan ini diambil dari energi yang kita masukkan. Oleh karena itu didefinisikan enthalpi guna mempermudah analisis, yaitu

H=E+PV

dengan  P  adalah tekanan dan  V  adalah volume.

  Karena pada tekanan konstan

Jika perubahan volume juga bisa diabaikan maka   kapasitas panas pada tekanan konstan dapat dianggap sama dengan kapasitas panas pada volume konstan.

Panas Spesifik

Panas spesifik  (specific heat)  adalah kapasitas panas per satuan massa per derajat K, yang juga sering dinyatakan sebagai kapasitas panas per mole per derajat K. Untuk membedakan dengan kapasitas panas yang ditulis dengan huruf besar (C_v dan  C_p), maka panas spesifik dituliskan dengan huruf kecil (c_v dan c_p).

Perhitungan Klasik. 

Menurut hukum Dulong-Petit (1820), panas spesifik padatan unsur adalah hampir sama untuk semua unsur, yaitu sekitar 6 cal/mole K. Boltzmann kemudian menunjukkan bahwa angka yang dihasilkan oleh Dulong Petit dapat ditelusuri melalui pandangan bahwa energi dalam padatan tersimpan dalam atom-atomnya yang bervibrasi. Energi atom-atom ini diturunkan dari teori kinetik gas.  Dalam teori kinetik gas, molekul gas ideal memiliki tiga derajat kebebasan dengan energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan adalah  sehingga energi kinetik rata-rata dalam tiga dimensi adalah . Energi per mol adalah , ( N, bilangan Avogadro)

Yang merupakan energi internal gas ideal.

Dalam padatan, atom-atom saling terikat sehingga selain energi kinetik terdapat pula energi potensial sehingga energi rata-rata per derajat kebebasan bukan  melainkan . Energi per mole padatan menjadi

Panas spesifik pada volume konstan

Angka inilah yang diperoleh oleh Dulong‑Petit. Pada umumnya hukum Dulong‑Petit cukup  teliti  untuk  temperatur  di  atas  temperatur    kamar.  Namun  beberapa  unsur memiliki  panas  spesifik  pada  temperatur  kamar  yang  lebih  rendah  dari  angka Dulong‑Petit,  misalnya B, Be, C, Si.  Pada  temperatur  yang  sangat  rendah  panas spesifik semua unsur menuju nol. 

Perhitungan  Einstein.  Einstein  memecahkan  masalah  panas  spesifik  dengan menerapkan  teori  kuantum.  Ia  menganggap  padatan  terdiri  dari  N  atom,  yang masing‑masing  bervibrasi  (osilator)  secara  bebas  pada  arah  tiga  dimensi,  dengan frekuensi f_E. Mengikuti hipotesa Planck tentang terkuantisasinya energi, energi tiap osilator adalah

dengan  n  adalah  bilangan  kuantum,  n  =  0,  1,  2,....Jika  jumlah  osilator  tiap  status energi  adalah  E_n dan E₀ adalah jumlah  asilator  pada  status  0,  maka  sesuai  dengan fungsi Boltzmann

Dengan N atom yang masing-masing merupakan osilator bebas yang berosilasi tiga dimensi, kita dapatkan total energi internal.

Frekuensi  f_E  ,  yang  kemudian  disebut  frekuensi  Einstein,  ditentukan  dengan  cara mencocokkan  kurva  dengan  data‑data  eksperimental.  Hasil  yang  diperoleh  adalah bahwa pada temperatur rendah kurva Einstein menuju nol jauh lebih cepat dari data eksperimen. 

Perhitungan Debye. Penyimpangan  ini,  menurut  Debye,  disebabkan  oleh  asumsi yang  diambil  Einstein  bahwa  atom‑atom  bervibrasi  secara  bebas  dengan  frekuensi sama, f_E. Analisis yang perlu dilakukan adalah menentukan spektrum frekuensi g(f) dimana  g(f)df didefinisikan  sebagai jumlah  frekuensi  yang  diizinkan  yang  terletak antara  f  dan  (f +  df)  (yang  berarti  jumlah  osilator  yang  memiliki  frekuensi  antara  f dan  f +  df ).  Debye  melakukan  penyederhanaan  perhitungan  dengan  menganggap padatan sebagai medium  merata yang bervibrasi dan mengambil hipotesa spektrum gelombang berdiri sepanjang kristal sebagai pendekatan pada vibrasi atom.

Dengan c_s kecepatan rambat suara dalam padatan.

Debye  juga  memberi  postulat  frekuensi  osilasi  maksimum,  f_D,  karena  jumlah keseluruhan frekuensi yang diizinkan tidak akan melebihi 3N (N adalah jumlah atom yang  bervibrasi  tiga  dimensi).  Panjang  gelombang  minimum  adalah tidak  lebih  kecil  dari  jarak  antar  atom  dalam  kristal.  Dengan  mengintegrasi  g(f)df kali energi rata‑rata ia memperoleh energi internal untuk satu mole volume kristal.

Phonon. Dalam analisisnya, Debye memandang padatan sebagai kumpulan phonon karena  perambatan  suara  dalam  padatan  merupakan  gejala  gelombang  elastis. Spektrum  frekuensi  Debye  yang  dinyatakan  pada  persamaan sering  disebut spektrum  phonon.  Phonon  adalah  kuantum  energi  elastik  analog  dengan  photon yang merupakan kuantum energi elektromagnetik.

Kontribusi Elektron. Hanya elektron di sekitar energi Fermi yang terpengaruh oleh kenaikan temperatur dan elektron‑elektron inilah yang bisa berkontribusi pada panas spesifik.  Pada  temperatur  tinggi,  elektron  menerima  energi  thermal  sekitar  kBT dan berpindah pada tingkat energi yang lebih tinggi jika tingkat energi yang lebih tinggi kosong.  Energi  elektron  pada  tingkat  Fermi,  E_F,  rata‑rata  mengalami  kenaikan energi  menjadi E_f + k_BT  yang  kemungkinan  besar  akan  berhenti  pada  posisi tingkat energi yang lebih rendah dari itu.

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 konuktifitas 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 getaran 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, karena lebih banyak elektron yang tersedia untuk berpartisipasi dalam proses transferrence panas.

KOEFISIEN MUAI LINIER

Peristiwa yang mengikuti penambahan temperatur pada bahan adalah perubahan ukuran dan keadaannya. Gaya antar  atom dipandang sebagai kumpulan pegas yang menjadi penghubung antar atom bahan.  Pada setiap temperatur  atom padatan tersebut akan bergetar.  Kenaikan temperatur akan mengakibatkan penambahan jarak rata-rata atar atom bahan.  Hal ini mengakibatkan terjadinya pemuaian (ekspansi) pada seluruh komponen padatan tersebut. Perubahan ukuran pada dimensi linier disebut sebagai muai linier.

            Jika panjang dimensi linier bahan adalah l, maka perubahan panjang akibat perubahan temperatur ∆T adalah sebesar ∆l. Untuk perubahan temperatur yang kecil, maka pertambahan  panjang pada temperatur tertentu (l_t)   akan sebanding dengan perubahan temperatur dan panjang mula-mula (l₀ ).

α  adalah koefisien muai linier yang memiliki nilai berbeda untuk masing-masing bahan.

 PANAS JENIS  

Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu bahan bermassa m sebesar satu derajat dinamakan panas jenis dari bahan tersebut. Sehingga, jika panas sejumlah Q ditambahkan ke suatu bahan bermassa m yang mempunyai panas jenis c, perubahan suhu ΔT = T_aw – T_ak.

Di dalam sistem MKS, satuan untuk panas adalah kilokalori dan didefinisikan sedemikian hingga panas jenis air adalah satu yang bermakna bahwa apabila satu kilokalori panas diberikan kepada satu kilogram air, maka suhu air akan naik sebesar satu derajat Celsius. 

Apabila dua atau lebih zat dengan suhu yang berbeda‐beda dicampurkan, mereka akan setimbang termal setelah beberapa saat karena panas akan mengalir dari zat bersuhu lebih tinggi ke zat yang bersuhu lebih rendah sampai semua zat mempunyai suhu yang sama. Jika bahan‐bahan penyusun sistem diisolasi sedemikian hingga tidak ada pertukaran panas dengan lingkungannya, proses tersebut dinamakan adiabatik. Karena panas merupakan satu bentuk dari energi, hokum kekekalan energi mensyaratkan bahwa untuk suatu proses adiabatik jumlah seluruh perpindahan panas antar penyusun sistem harus sama dengan nol. Catatan: jika panas ditambahkan kepada suatu sistem, maka Tak > Taw dan Q bernilai positif; jika panas diambil dari sistem maka Tak < Taw dan Q bernilai negatif. 

Dua bentuk utama energi panas dalam padatan adalah vibrasi atom sekitar posisi kesembiangannya dan energi kinetik elektron bebas. Oleh karena itu sifat-sifat thermal padatan yang penting seperti kapasitas panas, pemuaian, dan konduktivitas thermal, tergantung dari perubahan-perubahan energi atom dan elektron bebas. Kenaikan kapasitas panas terkait dengan kemampuan phonon dan elektron untuk meningkatkan energinya. Prinsip eksklusi membatasi kebebasan elektron untuk menaikkan energinya karena kenaikan energi tergantung ketersediaan tingkat energi yang  masih kosong. Hanya elektron di sekitar tingkat energi Fermi yang memiliki akses ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga kontribusi elektron pada kapasitas panas secara relatif tidaklah besar.

Pemuaian terjadi karena ketidak-simetrisan gaya ikat antar atom. Gaya yang diperlukan untuk memperpanjang jarak atom adalah lebih kecil dari gaya untuk memperpendek jarak. Oleh karena itu penyerapan energi thermal akan cenderung memperpanjang jarak atom. 

Konduksi panas dalam metal lebih diperankan oleh elektron dari pada phonon, walaupun dalam hal kapasitas panas phonon lebih berperan.

Faktor-Faktor  Lain  Yang  Turut  Berperan.

Memasukkan  energi panas  ke  padatan  tidak  hanya  menaikkan  energi  vibrasi  atom maupun  elektron.  Pada  padatan  tertentu  terjadi  proses-proses  lain yang  juga  memerlukan  energi  dan  proses-proses  ini  akan berkontribusi pada kapasitas panas. Proses-proses seperti perubahan susunan  molekul  dalam  alloy,  pengacakan  spin  elektron  dalam material  magnetik,  perubahan  distribusi  elektron  dalam  material superkonduktor,  akan  meningkatkan  panas  spesifik  material  yang bersangkutan. Proses-proses ini akan membuat kurva panas spesifik terhadap  temperatur  tidak  monoton;  di  atas  temperatur  di  mana proses-proses  ini  telah  tuntas,  panas  spesifik  kembali  pada  nilai normalnya.

KESIMPULAN

Dua bentuk utama energi panas dalam padatan adalah vibrasi atom sekitar posisi kesembiangannya dan energi kinetik elektron bebas. Oleh  karena  itu  sifat-sifat  thermal  padatan  yang  penting  seperti kapasitas  panas,  pemuaian,  dan  konduktivitas  thermal,  tergantung dari perubahan-perubahan energi atom dan elektron bebas. Kenaikan kapasitas  panas  terkait  dengan  kemampuan  phonon  dan  elektron untuk  meningkatkan  energinya.  Prinsip  eksklusi  membatasi kebebasan  elektron  untuk  menaikkan  energinya  karena  kenaikan energi tergantung ketersediaan tingkat energi yang masih kosong.

Hanya elektron di sekitar tingkat energi Fermi yang memiliki akses ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga kontribusi elektron pada kapasitas panas secara relatif tidaklah besar.

Pemuaian  terjadi  karena  ketidak-simetrisan  gaya  ikat  antar  atom. Gaya yang diperlukan untuk memperpanjang jarak atom adalah lebih kecil  dari  gaya  untuk  memperpendek  jarak.  Oleh  karena  itu penyerapan  energi  thermal  akan  cenderung  memperpanjang  jarak atom. 

Konduksi  panas  dalam  metal  lebih  diperankan  oleh  elektron  dari pada  phonon,  walaupun  dalam  hal  kapasitas  panas  phonon  lebih berperan.