SIFAT TERMAL BAHAN
Sifat termal bahan dikaitkan dengan perpindahan kalor.
Perpindahan kalor ada 2, yaitu :
-
Keadaan tetap ( steady
heat flow )
-
Keadaan berubah (
transient heat flow)
- Perpindahan Kalor Keadaan Tetap
Dalam keadaan yang sebenarnya perpindahan kalor bersifat
rumit. Oleh karena itu untuk kepentingan praktis, persamaannya disederhanakan.
Perpindahan kalor suatu bahan tidak hanya tergantung pada
tahanan ( resistance ) bahan tersebut tetapi tahanan dari kedua permukaan bahan
tersebut, atau koefisien permukaan bahan tersebut.
Persamaan aliran kalor : q = UA ( t1-t2)
Dimana, q = aliran kalor
U= transmitan keseluruhan
A=
luas bahan atau elemen
t1-t2=perbedaan suhu udara dua permukaan
Persamaan lain : q=
1/R A (t1-t2)
U=1/R
U=__________1__________________
1/hi+1/ho+(d1/k1+d2/k2+...+dn/kn)
Dimana, hi=
koefisien permukaan dalam
ho=koefisien permukaan luar
k=konduktifitas termal
d=tebal lapisan
Tahanan termal
R adalah jumlah dari tahanan termal dari kedua permukaan
dan jumlah tahanan dari masing masing lapisan.
R=1/hi+1/ho+d1/k1+.....dn/kn
= Ri+Ro+R1+.......+Rn
Faktor-faktor
yang mempengaruhi konduktifitas termal
1.Kandungan uap air
Konduktifitas termal air sebesar 25x konduktifitas udara
tenang.Oleh karena itu apabila suatu benda berpori diisi air maka akan
berpengaruh terhadap konduktifitas termal.Konduktifitas termal yang rendah pada
bahan insulasi adalah selaras dengan kandungan udara dalam bahan tersebut.
Hubungan antara konduktifitas termaldan kandungan uap air
dituangkan dalam persamaan sbb:
Kh=Kd(1+0,0125h)
Dimana, Kh=Konduktifitas termal pada kandungan uap air h
Kd=Konduktifitas termal dalam keadaan kering
H=kandungan uap air (%berat)
2.Suhu
Pengaruh suhu terhadap konduktifitas termal suatu bahan
adalah kecil.
Namun secara umum dapat dikatakan bahwa konduktifitas
termal akan meningkat apabila suhu meningkat.
3.Kepadatan dan
Porositas
Konduktifitas termal berbeda pengaruh terhadap kepadatan
apabila poro-pori bahan semakin banyak maka konduktifitas termak rendah.
Perbedaan konduktifitas termal bahan dengan kepadatan yang sama, akan
tergantung kepada perbedaan struktur, yang meliputi: ukuran, distribusi,
hubungan pori/lubang.
Batas
Konduktifitas Termal Bahan.
Konduktifitas termal bahan insulasi terbatas kepada
konduktifitas gas dalam pori-por. Tidak mungkin bahan yang berpori memiliki
konduktifitas termal lebih rendah dari udara tenang (still air).
Namun demikian ada bahan insulasi (foam) yang mempunyai
konduktifitas termal lebih rendah dari udara tenang.
Beberapa sifat konduktifitas termal bahan dan sifat
lainnya.
Klasifikasi Perincian Berat jenis Kalor spesifik konduktifitas
Kgm/m³ Kkal/kgm˚c. Kkal/m²
Papan Asbestos
semen 1602 0,20 0,56
Gypsum
board 993 0,25 0,15
Tanah pengisi Tanah 1201 0,20 0,32
Bahan lantai Aspal 2243 0,22 1,12
Marmer 2723 0,20 2,16
Teraso 2435 0,20 1,49
Bahan kaca Kaca 2483 0,16 0,64
Bahan insulasi Asbestos,selimut 144 0,20 0,05
Asbes,
Papan insulasi 705 - 0,09
Papan
gabus 96 0,47 0,04
Mineral
wool 16-160 0,21 0,03
Bahan bata Batu
bata 1826 0,18 0,71
Beton
(ringan) 320 0,21 0,07
Beton
(padat) 2323 0,21 1,30
Plester 1762 0,22 0,58
Bahan atap Atap
genteng 1922 0,22 0,75
Tanah - -
Baja 7849 0,12 45,88
Kayu Kayu 481 0,45 0,11
Koefisien Permukaan
Koefisien permukaan berpengaruh terhadap perpindahan kalor secara konduksi,
konveksi, dan radiasi.
Faktor-faktor yang mempengaruhi perpindahan kalor pada
permukaan :
1.Emisifitas permukaan (e)
2. Kekasaran permukaan
3. Kecepatan udara diatasnya atau disebelahnya
4. Suhu
- Emisifitas
Permukaan
Emisifitas permukaan yang semakin tinggi akan menyebabkan
peningkatan kalor yang hilang
secara radiasi.
Apabila suatu permukaan memancarkan radiasi kepada suatu
daerah yang memiliki suhu yang lebih
rendah, maka koefisien permukaan akan meningkat.
2.Kecepatan udara yang semakin tinggi pada sebuah permukaan akan meningkatkan kadar aliran
kalor secara konveksi paksa, dan meningkatkan koefisien permukaan.
3.Perbedaan Suhu antara permukaan dan udara diatasnya akan menyebabkan meningkatnya
koefisien permukaan disebabkan perpindahan kalor secara konveksi.
4..Semakin kasar sebuah permukaan, akan menyebabkan meningkatnya perpindahan kalor secara
konveksi yang juga menyebabkan koefisien permukaan meningkat, hal ini
disebabkan terjadinya turbulensi (perputaran) udara yang mengalir didekatnya.
5.koefisien permukaan yang vertikal berbeda dengan koefisien permukaan yang
horizontal.
2.1.1
Sifat Termal Bahan
Perbedaan
suhu antara dalam dan luar bangunan menyebabkan perpindahan kalor. Kadar kalor
yang melalui setiap unsur bangunan bergantung kepada sifat termal bahan
konstruksi bangunan. Bahagian berikut akan menerangkan sifat-sifat termal bahan
yang merangkumi
·
kalor spesifik dan
kapasitas termal,
·
konduksi termal dan
konduktan,
·
tahanan dan resistan,
·
konduksi permukaan dan
tahanan permukaan dan
·
emisiviti.
2.1.1.1
Kalor Spesifik dan Kapasitas Termal
Kalor spesifik sebuah bahan adalah sejumlah kalor yang
diperlukan untuk menaikkan suhu sebuah massa bahan sebanyak 1 0C.
Unit kalor tentu adalah J kg-1 0C-1.
Bahan yang lebih besar nilai kalor tentu akan menyerap kalor yang lebih besar
untuk setiap unit kenaikan suhunya. Kapasitas termal, yang berkaitan dengan
massa dan kalor tentu daripada unsur tersebut, memainkan peranan yang penting.
Bagi dinding yang menggunakan konstruksi berat, diperlukan sejumlah kalor yang
besar untuk menaikkan suhu unsur tersebut sebelum memindahkan kalornya ke sisi
dalaman. Akibatnya, terdapat ‘masa lambat’ antara gandaan kalor suria maksimum
pada permukaan luar dan masa perpindahan kalor maksimum oleh permukaan ruang
dalaman terhadap udara di dalam.
‘Masa lambat’, f, didefinisikan sebagai beda masa antara masa suhu permukaan dalam mencapai
maksimum dan suhu permukaan luar mencapai maksimum. Masa lambat suatu unsur
selari dengan muatan termal dan terbalik dengan konduktannya. Oleh itu, dinding
batu bata yang berat dan tebal memiliki masa lambat yang tinggi, manakala
dinding yang ringan dan nipis akan mempunyai masa lambat yang rendah.
2.1.1.2
Konduksi Termal dan konduktan
Konduksi termal suatu bahan, k, didefinisikan sebagai kadar aliran kalor (secara konduksi)
melalui seunit luas sekeping bahan dengan seunit ketebalan dan seunit perbedaan
suhu (Harkness, 1978; Billington, 1952). Konduktan daripada kepingan bahan
didefinisikan sebagai kadar perpindahan kalor melalui seunit luas sebuah bidang
apabila perbedaan suhu antara permukaannya adalah 1 0C. Konduksi
adalah merupakan sifat sesungguhnya daripada bahan.
Konduksi termal dipengaruhi oleh empat faktor yaitu,
·
kandungan uap air,
·
suhu,
·
berat jenis dan,
·
keadaan pori-pori bahan.
Sebuah objek dengan nilai konduksi yang besar (nilai-k) adalah pengalir yang baik. Sebaliknya
apabila memiliki nilai k yang kecil
objek itu merupakan pengalir yang buruk atau penebat yang baik. Sifat-sifat
penebatan hanya dapat dikekalkan apabila berada dalam keadaan kering. Dalam
semua kes, konduksi meningkat selari dengan meningkatnya kandungan lembapan
(Billington, 1952). Konduksi termal air adalah kira-kira 25 kali udara bersih.
Oleh itu tidak menghairankan apabila penggantian udara dalam liang atau antara
butir halus dalam bahan dengan air akan mempunyai pengaruh yang sangat besar
terhadap konduksi termal bahan. Kehadiran air akan menggandakan konduksi termal
daripada dinding papan dan batu bata pada amnya dan juga mempunyai pengaruh
yang besar terhadap bahan-bahan bangunan yang lain.
Pengaruh suhu terhadap konduksi
termal bahan adalah kecil berbanding selang suhu yang biasa ditemui dalam
bangunan. Secara umum, konduksi termal cenderung meningkat selari dengan
kenaikan suhu. Situasi ini lebih kerap berlaku dalam kes bahan ringan
(light-weight) dengan perbandingan udara dalam rongga yang besar.
Konduksi juga
dipengaruhi oleh berat jenis dan ‘keliangan’ (porosity). Nilai konduksi berubah
apabila terdapat perubahan berat jenis dan kandungan lembapan sesuatu bahan.
Bahan dengan berat jenis yang tinggi merupakan pengalir yang baik, sebaliknya
apabila berat jenis semakin rendah, kandungan udara dalam rongga semakin besar
maka semakin rendah pula konduksi termal. Secara umum dapat disimpulkan
konduksi termal yang rendah bagi kebanyakan bahan penebatan sesungguhnyanya
sesuai dengan udara yang dikandungi bahan tersebut.
2.1.1.3
Rintangan dan Tahanan
Kebalikan daripada konduksi (1/k) adalah tahanan, r, dengan unit m 0C W –1. Rintangan didefinisikan
sebagai balikan daripada konduktan:
|
0C/W (2.2)
di
mana,
R - Rintangan
C - Kalor
tentu udara (W/kg/0C)
d - Pekali rangkap pindah (W/j/m2/0C).
k - Konduksi
termal (W/j/m/0C)
r - Berat jenis udara,
2.1.1.4
Konduktan Permukaan dan Rintangan Permukaan
Perpindahan kalor dalam
bangunan perlu mengambil kira perpindahan kalor daripada udara ke udara melalui
dinding, khususnya daripada udara luar ke udara dalam atau sebaliknya. Selain
rintangan daripada dinding, terdapat pula rintangan yang diakibatkan oleh permukaannya.
Rintangan pada permukaan ini nipis dan disebut dengan ‘rintangan filem’ atau
‘rintangan permukaan’. Rintangan permukaan yang terdapat pada dinding adalah
rintangan permukaan dalaman dan luaran, sesuai dengan kehadiran lapisan filem
udara pada kedua sisi dinding ini. Kebalikan daripada rintangan permukaan
adalah ‘konduktan permukaan’ yang ditandakan dengan f.
2.1.1.5
Emisiviti
Perpindahan kalor secara radiasi daripada satu objek
kepada objek lainnya. Dalam proses ini bahan perantaranya tidak menjadi panas.
Intensitas kalor yang dipancarkan oleh suatu permukaan diberikan oleh hukum
Stefan Boltzmann:
|
W (2.3)
di mana
q r - Gandaan kalor radiasi suria (W/j)
s - konstan
Stefan Boltzman, 1.797x108
e - emisiviti bagi sebuah bumbung atau dinding (m2)
A - Luas permukaan dalaman bagi sebuah
bumbung atau dinding (m2)
T - Suhu udara dalam ruang pada suatu
masa (K)
Emisiviti sebuah permukaan didefinisikan sebagai
perbandingan daripada energi yang dipancarkan oleh permukaan dengan energi yang
dipancarkan oleh sebuah objek hitam pada suhu yang sama seperti permukaan itu.
Nilai emisiviti, e, dan juga kebeserapan, a, daripada sebuah objek hitam adalah satu unit. Oleh itu, objek
hitam adalah penyerap dan juga pemancar yang sempurna daripada segi radiasi
termal.
Emisiviti sebuah permukaan bagi radiasi gelombang panjang
adalah perbandingan radiasi termal dari satu luas terhadap radiasi daripada
satu luas daripada sebuah pemancar berwarna hitam pada suhu yang sama;
|
(2.4)
Emisiviti merupakan fungsi daripada (1) sifat permukaan,
warna dan kekasaran. Permukaan yang halus dan terang memiliki emisiviti yang
rendah; dan (2) suhu permukaan. Untuk setiap panjang gelombang berlaku persamaan
seperti berikut:
|
(2.6)
di mana e adalah emisiviti dan r adalah radiasi suria
Apabila emisiviti sama dengan daya serapan pada suatu
suhu, maka persamaan di atas berubah menjadi:
|
(2.7)
2.1.1.6
Rintangan Termal Ruang Udara
Konduksi termal untuk udara sangat rendah (Billington,
1978). Oleh itu sebuah ruang yang tertutup rapat merupakan sebuah rintangan
yang baik. Perpindahan kalor secara konduksi adalah kecil berbanding dengan
radiasi kalor dari satu permukaan ke permukaan lain. Selain itu juga berlaku proses perpindahan kalor secara
perolakan di dalam ruang udara tersebut. Perpindahan kalor secara perolakan
lebih besar berbanding dengan konduksi.
Konduksi termal udara tenang (still
air) samada di bawah bahan-bahan bangunan, liang dalam dinding ataupun bumbung
dianggap memiliki rintangan termal yang tinggi. Kebanyakan proses perpindahan
kalor melalui sebuah rongga berlaku secara radiasi, yaitu antara permukaan yang
berhadapan pada rongga tersebut dan hanya sedikit kalor dipindahkan secara
konduksi melalui udara (Harkness, 1978).
Apabila liang dilapik
dengan lapisan nipis logam penebat (seperti aluminium
foil) sebagai penebatan yang bersifat memantul, maka rintangannya akan
meningkat. Hal ini disebabkan daya serapan untuk lapisan tersebut terhadap
radiasi adalah rendah (daya serapan gelombang pendek adalah kira-kira 0.05).
Mengecat dengan warna putih (daya serapan kira-kira 0.90) tidak akan
menghasilkan rintangan yang lebih baik berbanding dengan menggunakan lapisan
nipis logam (Harkness, 1978). Secara umum, permukaan logam yang berkilat adalah
bahan penebat gelombang panjang, sedangkan permukaan dengan cat putih sesuai
untuk radiasi suria.
2.1.1.7
Rintangan Menyeluruh
Dinding atau bumbung bangunan biasanya terdiri daripada
beberapa lapisan yang berbeda bahannya. Rintangan menyeluruh daripada lapisan
tersebut didapati dengan menambahkan setiap rintangan lapisan tersebut. Oleh
itu, persamaan rintangan menyeluruh adalah:
|
0C/W (2.9)
di mana RT
adalah rintangan menyeluruh bagi lapisan-lapisan sedangkan R1,R2 dan R3 adalah
rintangan untuk lapisan 1, 2 dan 3
2.1.1.8
Keberhantaran atau Nilai-U
Keberhantaran atau nilai U daripada sebuah objek didefinisikan sebagai kebalikan daripada
rintangan menyeluruh. Unit keberhantaran adalah sama dengan konduktan, yaitu W
m –1 0 C –1.
Pada praktikalnya, keberhantaran melalui dinding bangunan daripada udara
luar ke udara dalam sentiasa diambil kira. Dalam hal ini rintangan filem luaran
dan dalaman harus diambil kira secara berasingan daripada rintangan dinding
ataupun bumbung.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar