Konduktivitas Termal Logam: Cara Panas Mengalir Melalui Bahan yang Berbeda
Konduktivitas termal adalah sifat yang mengukur seberapa baik suatu bahan dapat mentransfer panas dari satu titik ke titik lain tanpa memindahkan bahan itu sendiri. Hal ini tergantung pada faktor-faktor seperti struktur, komposisi, dan suhu bahan. Dalam artikel ini, kita akan fokus pada konduktivitas termal logam, yang merupakan padatan dengan konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, serta kepadatan tinggi.
Apa Itu Logam?
Logam didefinisikan sebagai bahan padat yang memiliki struktur kristalin, di mana atom disusun dalam pola teratur. Atom-atom tersebut terdiri dari inti dengan cangkang elektron inti mereka yang erat terikat pada inti. Namun, beberapa elektron paling luar bebas untuk bergerak sepanjang logam, membentuk lautan elektron yang dapat membawa arus listrik dan energi panas.
Logam memiliki banyak sifat yang berguna, seperti kekuatan tinggi, duktilitas, malabilitas, kilau, dan reflektivitas. Mereka juga merupakan konduktor yang baik untuk listrik dan panas, yang berarti mereka dapat mentransfer bentuk-bentuk energi tersebut secara efisien dan cepat.
Bagaimana Panas Ditransfer dalam Logam?
Transfer panas adalah proses memindahkan energi termal dari wilayah dengan suhu lebih tinggi ke wilayah dengan suhu lebih rendah. Ada tiga mode utama transfer panas: konduksi, konveksi, dan radiasi.
Konduksi adalah mode transfer panas yang terjadi pada padatan, di mana panas mengalir melalui kontak langsung antara atom atau molekul. Konveksi adalah mode transfer panas yang terjadi pada fluida (cairan atau gas), di mana panas mengalir melalui pergerakan partikel fluida. Radiasi adalah mode transfer panas yang terjadi melalui gelombang elektromagnetik, seperti cahaya atau radiasi inframerah.
Pada logam, transfer panas terutama terjadi melalui konduksi, karena logam adalah padatan dan memiliki banyak elektron bebas. Elektron bebas dapat bergerak secara acak sepanjang logam dan bertabrakan dengan elektron atau atom lainnya, mentransfer energi kinetik dan energi termal. Semakin banyak elektron bebas yang dimiliki logam, semakin tinggi konduktivitas termalnya.
Faktor Apa yang Mempengaruhi Konduktivitas Termal Logam?
Konduktivitas termal logam tergantung pada beberapa faktor, seperti:
Jenis dan jumlah elektron bebas: Logam dengan lebih banyak elektron bebas memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi karena dapat membawa lebih banyak energi panas. Misalnya, perak memiliki konduktivitas termal tertinggi di antara logam, diikuti oleh tembaga dan emas.
Massa atom dan ukuran: Logam dengan atom yang lebih berat dan lebih besar memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah karena bergetar lebih lambat dan menghalangi pergerakan elektron bebas. Misalnya, timbal memiliki konduktivitas termal yang rendah di antara logam.
Struktur kristal dan cacat: Logam dengan struktur kristal yang lebih teratur dan padat memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi karena memiliki hambatan yang lebih sedikit terhadap aliran elektron. Misalnya, logam dengan struktur kubik memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada logam dengan struktur heksagonal. Cacat seperti impurities, vacancies, atau dislokasi juga dapat mengurangi konduktivitas termal logam dengan menyebarkan elektron.
Suhu: Konduktivitas termal logam bervariasi dengan suhu dalam cara yang berbeda tergantung pada mekanisme dominan transfer panas. Untuk logam murni dan paduan, transfer panas terutama disebabkan oleh elektron bebas (konduksi elektronik). Seiring peningkatan suhu, baik jumlah elektron bebas maupun getaran jaringan meningkat. Oleh karena itu, konduktivitas termal logam menurun sedikit dengan peningkatan suhu. Untuk isolator dan semikonduktor, transfer panas terutama disebabkan oleh getaran jaringan (konduksi fononik). Seiring peningkatan suhu, getaran jaringan meningkat secara signifikan dan menyebarkan elektron lebih sering. Oleh karena itu, konduktivitas termal isolator dan semikonduktor meningkat pesat dengan peningkatan suhu.
Apa Itu Hukum Wiedemann-Franz?
Hukum Wiedemann-Franz adalah hubungan yang menghubungkan konduktivitas listrik dan konduktivitas termal logam pada suhu tertentu. Hukum tersebut menyatakan bahwa:
σK=LT
Di mana,
K adalah konduktivitas termal dalam W/m-K
σ adalah konduktivitas listrik dalam S/m
L adalah bilangan Lorenz, yang merupakan konstanta sama dengan 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T adalah suhu absolut dalam K
Hukum ini mengimplikasikan bahwa logam yang memiliki konduktivitas listrik tinggi juga memiliki konduktivitas termal tinggi, karena kedua sifat tersebut bergantung pada elektron bebas. Hukum ini juga mengimplikasikan bahwa rasio konduktivitas termal terhadap konduktivitas listrik sebanding dengan suhu logam.
Namun, hukum ini memiliki beberapa batasan. Hukum ini hanya berlaku untuk logam murni dan paduan pada suhu sangat tinggi atau sangat rendah. Hukum ini tidak berlaku untuk isolator atau semikonduktor, di mana konduksi fononik mendominasi dibandingkan konduksi elektron. Hukum ini juga tidak berlaku untuk beberapa logam, seperti berilium atau perak murni, yang menyimpang dari hukum ini.
Apakah Nilai Konduktivitas Termal Beberapa Logam Umum?
Konduktivitas termal logam bervariasi secara luas tergantung pada jenis dan kemurnian logam. Tabel di bawah ini menunjukkan beberapa contoh nilai konduktivitas termal untuk beberapa logam umum pada suhu ruangan (25°C).
