Selamat Datang Dalam Kuliah Terbuka Ini

1. SelamatDatangDalamKuliah Terbuka Ini

2. Kuliahterbuka kali iniberjudul“MengenalSifat Material II”

3. DisajikanolehSudaryatno Sudirhammelaluiwww.darpublic.com

4. Sesi 7SifatThermal

5. Sifat-sifat thermal yang akan dibahas adalah kapasitas panas panas spesifik pemuaian konduktivitas panas

6. 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. Pada penambahan energi melalui pemanasan tanggapan padatan termanifestasikan dalam gejala-gejala kenaikan temperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besar energi yang masuk. • Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal: • penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom / ion di sekitar posisi keseimbangannya • energi kinetik yang dikandung oleh elektron-bebas.

7. Kapasitas Panas (heat capacity) Kapasitas panas pada volumekonstan, Cv E : energiinternalpadatanyaitu total energi yang adadalampadatanbaikdalambentukvibrasiatommaupunenergikinetikelektron-bebas T : temperatur Kapasitaspanaspadatekanankonstan, Cp H : enthalpi. Pengertianenthalpidimunculkandalamthermodinamikakarenaamatsulitmeningkatkankandunganenergi internal padatekanankonstan. energi yang kitamasukkantidakhanyameningkatkanenergi internal melainkanjugauntukmelakukankerjapadawaktupemuaianterjadi.

8. volume tekanan energi internal Jikaperubahan volume terhadapTcukupkecilsukuinibisadiabaikansehingga

9. Panas Spesifik Kapasitas panas per satuan massa per derajat K dituliskan dengan huruf kecil cv dan cp Perhitungan Klasik Molekul gas ideal memiliki tiga derajat kebebasan energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan Energi kinetik rata-rata (3 dimensi): KonstantaBoltzman Energi per mole Bilangan Avogadro Atom-atom padatan saling terikat energi rata-rata per derajat kebebasan cal/mole Menurut hukum Dulong-Petit (1820), cv Hampir sama untuk semua material yaitu 6 cal/mole K

10. 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 Be ([He] 2s2), B ([He] 2s2 2p1), C ([He] 2s2 2p2), Si ([Ne] 3s2 3p2) Unsur-unsur ini orbital terluarnya tersisi penuh atau membuat ikatan kovalen dengan unsur sesamanya. Oleh karena itu pada temperatur kamar hampir tidak terdapat elektron bebas dalam material ini. Lebih rendahnya kapasitas panas yang dimiliki material ini disebabkan oleh tidak adanya kontribusi elektron bebas dalam peningkatan energi internal. Sebaliknya pada unsur-unsur yang sangat elektropositif seperti Na ([Ne] 3s1) kapasitas panas pada temperatur tinggi melebihi prediksi Dulong-Petit karena adanya kontribusi elektron bebas dalam penyimpanan energi internal

11. Panas Spesifik Perhitungan Einstein Padatan terdiri dari N atom, yang masing-masing bervibrasi (osilator) secara bebas pada arah tiga dimensi, dengan frekuensi fE Frekuensiosilator Konstanta Planck bilangan kuantum, n = 0, 1, 2,.... Jika jumlah osilator tiap status energi adalah Nn dan N0 adalah jumlah asilator pada status 0, maka menuruti fungsi Boltzmann Jumlah energi per status: Total energi dalam padatan: sehingga energi rata-rata osilator

12. energi rata-rata osilator misalkan Karena turunan dari penyebut, maka dapat ditulis DenganN atom yang masing-masingmerupakanosilatorbebas yang berosilasitigadimensi, makadidapatkan total energi internal

13. Panasspesifikadalah fE : frekuensi Einstein ditentukandengancaramencocokkankurvadengan data-data eksperimental. Hasil yang diperolehadalahbahwapadatemperaturrendahkurva Einstein menujunoljauhlebihcepatdari data eksperimen Ketidakcocokaninidijelaskanoleh Debye

14. Panas Spesifik Perhitungan Debye Menurut Debye, penyimpanganhasilperhitungan Einstein disebabkanolehasumsi yang diambil Einstein bahwa atom-atom bervibrasisecarabebasdenganfrekuensisama, fE Analisis yang perludilakukanadalahmenentukanspektrumfrekuensig(f) dimanag(f)dfdidefinisikansebagaijumlahfrekuensi yang diizinkan yang terletakantarafdan (f + df) Debye melakukanpenyederhanaanperhitungandenganmenganggappadatansebagai medium merata yang bervibrasidanmengambilpendekatanpadavibrasi atom sebagai spectrum-gelombang-berdirisepanjangkristal kecepatan rambat suara dalam padatan Debye memandang padatan sebagai kumpulan phonon karena perambatan suara dalam padatan merupakan gejala gelombang elastis

15. Postulat Debye: Frekuensiyang adatidakakanmelebihi 3N (Nadalahjumlah atom yang bervibrasitigadimensi). Panjanggelombang minimum adalah tidaklebihkecildarijarakantar atom dalamkristal Energi internal untuksatu mole volume kristal Ddidefinisikansebagai temperatur Debye

16. Dengan pengertian temperatur Debye, didefinisikan fungsi Debye Fungsi Debye tidak dapat diintegrasi secara analitis, namun dapat dicari nilai-nilai limitnya jika jika Pada temperatur tinggi cv mendekati nilai yang diperoleh Einstein Pada temperatur rendah

17. kBT F(E) 1 T = 0 T > 0 0 0 EF E 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 kurangdari 1% elektronvalensi yang dapatberkontribusipadapanasspesifik padakebanyakan metal sekitar 5 eV padatemperaturkamarkBTsekitar 0,025 eV kontribusielektrondalampanasspesifikadalah

18. cv/T slope = A ′ T 2 PanasSpesifik Total Untuk temperatur rendah, dapat dituliskan atau

19. Panas Spesifik Pada Tekanan Konstan, cp Hubungan antara cpdan cv diberikan dalam thermodinamika koefisien muai volume kompresibilitas volume molar Faktor-Faktor Lain Yang Turut Berperan Pemasukan panas pada padatan tertentu dikuti proses-proses lain, misalnya: perubahan susunan molekul dalam alloy, pengacakan spin elektron dalam material magnetik, perubahan distribusi elektron dalam material superkonduktor, Proses-proses ini akan meningkatkan panas spesifik material yang bersangkutan

20. Pemuaian Pada tekanan konstan Dengan menggunakan model Debye • :konstanta Gruneisen  :kompresibilitas

21. cp, αL, γ, untuk beberapa material.[6].

22. KonduktivitasPanas Jikaqadalahjumlahkalori yang melewatisatusatuanluas (A) per satuanwaktukearahx maka KonduktivitasPanas aliranpanasberjalandaritemperaturtinggiketemperaturrendah Pada temperatur kamar, metal memiliki konduktivitas thermal yang baik dan konduktivitas listrik yang baik pula karena elektron-bebas berperan dalam berlangsungnya transfer panas Pada material dengan ikatan ion ataupun ikatan kovalen, di mana elektron kurang dapat bergerak bebas, transfer panas berlangsung melalui phonon Dalam polimer perpindahan panas terjadi melalui rotasi, vibrasi, dan translasi molekul

23. σTuntuk beberapa material pada 300 K .[6]. Lorentz number

24. KonduktivitasPanasOlehElektron pengertianklasik gas ideal Jika L adalah jalan bebas rata-rata elektron, maka transmisi energi per elektron adalah kerapatan elektron Jumlah energi yang ter-transfer ke arah x kecepatan rata-rata Energi thermal yang ditransfer melalui dua bidang paralel tegak-lurus arah x dengan jarak x pada perbedaan temperatur T adalah

25. Rasio Wiedemann-Franz Rasio ini adalah rasio antara konduktivitas thermal dan konduktivitas listrik listrik hampir sama untuk kebanyakan metal Lorentz number

26. Isolator Panas Isolator thermal yang baikadalah material yang porous. Rendahnyakonduktivitas thermal disebabkanolehrendahnyakonduktivitasudara yang terjebakdalampori-pori Namunpenggunaanpadatemperaturtinggi yang berkelanjutancenderungterjadipemadatan yang mengurangikualitasnyasebagai isolator thermal Material polimer yang porousbisamendekatikualitasruanghampapadatemperatursangatrendah; gas dalampori yang membekumenyisakanruang-ruanghampa yang bertindaksebagai isolator

27. Kuliah Terbuka MengenalSifat Material II Sesi-6 SudaryatnoSudirham