Laporan PraktikumLaboratorium Teknik Material IIIModul C Konduktivitas dan Difusivitas Termal Refratorioleh :Nama: Fadlin Qisthi NasutionNIM:13711027Kelompok: 8Anggota (NIM): M. Ikhsan Alturisa (13711003)Fauzan Maghdavi (13711022)Garry Gautama (13711035)Andriana Furqon(13711056)Tanggal Praktikum: 26 Maret 2014Tanggal Pengumpulan Laporan :30 Maret 2014Nama Asisten (NIM) : Joseph Arden (13710014)

Laboratorium Teknik Metalurgi dan Teknik MaterialProgram Studi Teknik MaterialFakultas Teknik Mesin dan DirgantaraInstitut Teknologi Bandung2014BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Material refraktori banyak digunakan dan dibutuhkan di industri yang menggunakan Furnace, Kiln atau dapur peleburan, seperti industri gelas, kaca, baja, aluminium dan pembakaran seperti industri keramik, sebagai bahan penyekat antara produk yang bersuhu tinggi dengan udara luar, atau sebagai wadah tempat produk mengalami proses peleburan. Material refraktori sangat terkait dengan sifat termalnya, meliputi konduktifitas, difusifitas, ekspansi termal, dan kapasitas panas (terkait dengan kemampuan material dalam menyimpan panas). Adanya perubahan dari sifat-sifat tersebut akan sangat berpengaruh terhadap kualitas dari material refraktori yang dihasilkan. Oleh karena itu, pentingnya mengetahui dan memahami tentang konduktifitas termal pada material refraktori, difusifitas, kapasitas panas dan faktor-faktor yang mempengaruhi konduktifitas termal serta berbagai fenomena mengenai mekanisme perpindahan panas. (penjelasan mengenai refraktori digunakan sebagai pengantar sehingga praktikan mengerti praktikum yang akan dilakukan, asisten hendaknya dapat menjelaskan secara umum mengenai refraktori, dan jenis- jenis serta perbedaan jenis refraktori tersebut berdasarkan kegunaan, misal refraktori asam, basa 1.2 Tujuan Menentukan nilai koefisien konduktifitas, koefisien ekspansi termal, serta kapasitas panas spesifik dan kapasitas panas per mol dari refraktori.

BAB IITEORI DASAR

Refraktori didefinisikan sebagai material konstruksi yang mampu mempertahankan bentuk dan kekuatannya pada temperatur sangat tinggi dibawah beberapa kondisi seperti tegangan mekanik (mechanical stress) dan serangan kimia (chemical attack) dari gas-gas panas, cairan atau leburan dan semi leburan dari gelas, logam atau slag [Hancock, 1988 ].Agar suatu material dapat digolongkan menjadi refraktori, maka material tersebut harus memenuhi persyarat umum seperti berikut :Persyaratan umum material refraktorioTahan terhadap suhu tinggi oMemiliki Thermal Shock Resistance yang baikoTahan terhadap lelehan terak logam, kaca, gas panas, dll.oTahan terhadap beban pada kondisi perbaikanoTahan terhadap beban dan gaya abrasioMenghemat panas (kapasitas panas tinggi)oMemiliki koefisien ekspansi panas yang rendahoTidak boleh mencemari bahan yang bersinggungan.Hal penting lain yang harus diperhatikan pada refraktori adalah sifat termalnya. Pada refraktori, kualitasnya ditentukan berdasarkan sifat termalnya. Sifat termal pada refraktori juga menjadi dasar pemilihan material yang digunakan sebagai refraktori pada suatu kondisi. Berikut ini adalah sifat termal yang harus diperhatikan dan penting pada refraktori.

KondutivitasKonduktivitas: kemampuan material untuk menghantarkan panas melalui kontak langsung dengan atom-atom atau molekul penyusunnya, dari daerah temperatur tinggi ke daerah temperatur rendah (satuan SI: Wm-1K-1).DifusivitasDifusivitas: perbandingan konduktifitas termal terhadap kapasitas panas volumetric (satuan SI: m2 s-1).Kapasitas PanasKapasitas panas: kapasitas panas per satuan massa per derajat K atau kapasitas panas per mol per derajat K (satuan SI: J kg-1 K-1). Kapasitas panas dapat juga dinyatakan sebagai kemampuan dari suatu material untuk menyimpan/ menahan panas dari lingkungan luar. Merepresentasikan sejumlah energi yang diperlukan untuk menghasilkan peningkatan temperatur.Ekspansi TermalEkspansi termal: Perubahan dimensi pada suatu material yang diakibatkan oleh adanya perubahan panas. Perubahan dimensi dapat terjadi karena dengan adanya perubahan panas, maka atom-atom akan bervibrasi makin cepat yang berakibat pada berubahnya jarak antar atom.

BAB IIIPENGOLAHAN DATA

3.1 Data PengamatanKeteranganNilai

Tegangan18 volt

Hambatan kawat4 Ohm

Arus4.5 A

Temperatur permukaan panasawal24,6C

akhir86,6C

Panjang23 cm

Lebar2 cm

Tinggi11,5 cm

Daya81 W

Time (s)Temp. (C)Temp. (K)Time (min)t(dT/dt)log (t/(dT/dt))1/t

1025,9298,90,16666670,22635-0,6452245356

2025,9298,90,33333330,46231-0,3350633493

3025,9298,90,50,70759-0,1502198482

4025,9298,90,66666670,96186-0,0168873551,5

5025,9298,90,83333331,224830,0880767231,2

6025,9298,911,49620,174989651

70262991,16666671,775670,2493617060,857

8026,1299,11,33333332,062940,3144872730,75

9026,3299,31,52,357740,3724954510,667

10026,5299,51,66666672,659770,4248433370,6

11026,7299,71,83333332,968750,4725729720,545

12026,8299,823,28440,5164560430,5

13027,2300,22,16666673,606450,5570804920,462

14027,3300,32,33333333,934640,5949049480,429

15027,5300,52,54,268690,6302943620,4

16027,9300,92,66666674,608340,6635441180,375

17028,1301,12,83333334,953330,6948968380,353

18028,4301,435,30340,7245543840,333

19028,7301,73,16666675,658310,7526866210,316

20029,2302,23,33333336,01780,7794379280,3

21029,6302,63,56,381640,8049321310,286

22029,9302,93,66666676,749570,8292762880,273

23030,3303,33,83333337,121370,8525636390,261

24030,6303,647,49680,8748759250,25

250313044,16666677,875630,8962852420,24

26031,4304,44,33333338,257630,916855530,231

27031,7304,74,58,642590,9366437850,222

28032,1305,14,66666679,030280,955701050,214

29032,5305,54,83333339,420480,9740732350,207

30032,9305,959,8130,9918017990,2

33033,9306,95,511,00231,0414849630,182

36035,1308,1612,20521,08654490,167

39036,1309,16,513,41651,127638830,154

42037,3310,3714,63141,1652858830,143

45038,4311,47,515,84541,1999042350,133

48039,4312,4817,05441,2318364450,125

51040,5313,58,518,25441,2613672650,118

54041,6314,6919,44181,2887364710,111

57042,7315,79,520,61331,3141483140,105

60043,6316,61021,7661,3377786250,1

63044,6317,610,522,89711,3597802440,095

66045,7318,71124,00421,3802872370,091

69046,8319,811,525,08521,3994182170,087

72047,8320,81226,13841,4172790,083

75048,8321,812,527,16221,4339647430,08

78049,8322,81328,15541,4495617020,077

81050,9323,913,529,11711,4641486770,074

84051,9324,91430,04681,4777982260,071

87052,8325,814,530,94411,490577680,069

90053,8326,81531,8091,5025500160,067

93054,8327,815,532,64181,5137745980,065

96055,7328,71633,44321,5243078260,063

99056,7329,716,534,2141,5342036920,061

102057,7330,71734,95541,5435142760,059

105058,6331,617,535,66891,5522901730,057

108059,6332,61836,35641,5605808730,056

111060,5333,518,537,01991,5684350950,054

114061,5334,51937,66181,5759010730,053

117062,4335,419,538,28481,5830268080,051

120063,3336,32038,8921,5898602770,05

123064,2337,220,539,48661,5964496030,049

126065,1338,12140,07221,6028431860,048

12906633921,540,65271,6090897960,047

132066,9339,92241,23241,6152386140,045

135067,8340,822,541,81571,6213392420,044

138068,5341,52342,40741,6274416470,043

141069,5342,523,543,01261,6335960740,043

144070,3343,32443,63681,6398528950,042

147071,2344,224,544,28561,646262410,041

1500723452544,9651,6528745980,04

153072,8345,825,545,68131,6597388110,039

156073,7346,72646,44121,6669034330,038

159074,5347,526,547,25151,6744154850,038

162075,1348,12748,11941,6823202030,037

165075,9348,927,549,05241,6906605930,036

168076,8349,82850,05841,6994769640,036

171077,4350,428,551,14541,7088064730,035

174078,2351,22952,32181,7186826760,034

17707935229,553,59631,7291351130,034

180079,8352,83054,9781,7401889370,033

183080,4353,430,556,47611,7518646020,033

186081,2354,23158,10021,7641776270,032

189081,9354,931,559,86021,7771384360,032

192082,5355,53261,76641,790752290,031

195083,3356,332,563,82921,8050193160,031

198083,9356,93366,05941,8199346250,03

201084,6357,633,568,46811,8354885140,03

204085,3358,33471,06681,851666760,029

20708635934,573,86711,8684509760,029

210086,6359,63576,8811,8858190240,029

3.2 Pengolahan DataPlot grafik antara pembacaan temperatur termokopel (T) waktu t (menit)

Hitung pada waktu t tertentu yang terlihat di dalam tabel data.

kemudian plot grafik versus

y = -1.2775x + 2.3918

Hitung nilai kapasitas panas spesifik Cp (dalam J/K.kg) dari material refraktori Alumino-Silicate. Diketahui densitas untuk beberapa refraktori adalah sebagai berikut: Alumino-Silicate= 2.2-2.3 x 103 kg m-3 Fireclay= 2.16 x 103 kg m-3 Magnesite= 2.90 x 103 kg m-3 ;

Alumino-Silicate:

Fireclay:

Magnesite:

Berat atom rata-rataAr Si = 28; Ar Al = 27; Ar Mg = 24; Ar O = 16Mr SiO2 = 28 + 2(16) = 60 g/molMr Al2O3 = 2(27) + 3 (16) = 102 g/molMr MgO = 24 + 16 = 40 g/molMengubah nilai kapasitas panas spesifik yang anda peroleh menjadi nilai kapasitas panas per mol atom. Nilai kapasitas panas per mol untuk semua solid menurut Dulong dan Petit (klasik) adalah 3R = 24.94 J/K.molAlumina-Silicate: 60% Al2O3 + 40% SiO2Fireclay: 30% Al2O3 + 70% SiO2Magnesite: 100% MgOAlumina-SilicateCp(mol) = Cp (60% Mr Al2O3 + 40% Mr SiO2)*(10-3)= *(0.6*102 + 0.4*60)*(10-3)= 58.049 J/mol KFireclayCp(mol) = Cp (30% Mr Al2O3 + 70% Mr SiO2)*(10-3)= *(0.3*102 + 0.7*60)*(10-3)= 52.697 J/mol KMagnesiteCp(mol) = Cp (Mr MgO)*(10-3)= *(40)*(10-3)= 21.614 J/mol K

BAB IVANALISIS DATA

Dari percobaan ini, didapat nilai konduktifitas (K) , difusifitas termal () dan kapasitas panas spesifik (Cp) dari suatu refraktori yang kita uji. Nilai-nilai tersebut kemudian dibandingkan nilainya dengan nilai-nilai yang ada di literatur.Sifat termalData percobaanData literatur

Konduktivitas termal (k) W/mK1.21 W/mK

Difusifitas termal ()m2/s7.5x10-5 m2/s

Kapasitas panas (Cp) Alumino-SilicateJ/K.kg773 J/K.kg

Kapasitas panas (Cp) FireclayJ/K.kg960 J/K.kg

Kapasitas panas (Cp) Magnesite540.36 J/K.kg1130 J/K.kg

Bisa dilihat dari data di atas, hasil percobaan berbeda dengan literatur. Hal ini bisa disebabkan oleh beberapa faktor. Hal utama yang menyebabkan terjadinya perbedaan adalah ketidakpastian nilai kalor yang dialirkan. Nilai kalor didapat dari perhitungan sebagai berikut.

Q = perpindahan panas (W)I = Arus (A)R = Tahanan listrik (ohm)

Berdasarkan rumus diatas, nilai Q didapat dari arus dan tahanan. Pada saat praktikum, nilai Voltase yang ada pada alat tidak valid, sehingga menghasilkan nilai I dan R yang tidak valid pula. Hal ini menyebabkan hasil perhitungan dalam menentukan koefisien konduktivitas menjadi tidak valid.Hal lain yang bisa membuat nilai percobaan dan data literatur menjadi berbeda adalah pada data literatur, diasumsikan bata refraktori ideal. Sedangkan pada percobaan ini mungkin bata yang digunakan memiliki komposisi, inklusi dan porositas yang berbeda dari keadaan ideal. Hal-hal tersebut tidak diperkirakan pada percobaan ini dan tidak diketahui. Hal-hal tersebut dapat membuat mempengaruhi sifat termal dari refraktori tersebut sehingga dapat menyebabkan perbedaan nilai koefisien sifat termal bila dibandingkan dengan literatur.

BAB VKESIMPULAN DAN SARAN5.1 KesimpulanSifat termalData percobaan

Konduktivitas termal (k) W/mK

Difusifitas termal ()m2/s

Spesific heat (Cp) Alumino-SilicateJ/K.kg

Spesific heat (Cp) FireclayJ/K.kg

Spesific heat (Cp) Magnesite540.36 J/K.kg

Spesific heat (Cp,m) Aluminosilicate58.049 J/mol K

Spesific heat (Cp,m) Fireclay52.697 J/mol K

Spesific heat (Cp,m) Magnesite21.614 J/mol K

5.2 Saran1. Kalibrasi alat agar bisa mengurangi kesalahan pada saat pengukuran.2. Gunakan perhitungan dengan polinomial yang lebih besar agar perhitungan lebih akurat.

DAFTAR PUSTAKA

Callister, W. D. Materials Science and Engineering: an Introduction, John Wiley & Sons, New York, 2000, chapter 19Chesters, J. H. Refractories: Production and Properties, the Metals Society, London, 1983, pg. 262-315Gaskell, David R. an Introduction to Transport Phenomena in Materials Engineering Macmillian Publishing, New York, 1992, pg. 235-239, 295-296 Hancock, . J. D , 1988, Practical Refractories, Cartworth IndustriesLamond, Joseph F., Pielert, J.H. Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-making Materials, ASTM International, 2006

LAMPIRAN

Tugas Setelah Praktikum1. Bandingkan dan diskusikan hasil percobaan yang anda peroleh dengan data literature.Sudah didalam analisis data2. Apakah pembacaan waktu yang lebih lama akan menyebabkan penyimpangan dari plot garis lurus pada grafik log (t dT/dt) vs 1/t? kenapa hal ini bisa terjadi?Pembacaan waktu yang lebih lama mengakibatkan data yang diperoleh lebih sedikit sehingga perubahan temperature terhadap waktu yang dicatat juga lebih sedikit sehingga pengolahan data yang dilakukan juga lebih tidak valid3. Sebutkan penggunaan material refraktori dan jenis material refraktori yang digunakan?Penggunaan Pada Smelting Baja menggunakan High Alumina Refractory.

Material refraktori adalah suatu material yang mempunyai sifat-sifat termal yang sangat tepat digunakan pada temperatur yang sangat tinggi. Refraktori mempunyai kekuatan yang baik dan mampu mempertahankan bentuknya pada kondisi operasi seperti temperatur tinggi, tegangan, serta serangan kimia dari gas-gas panas, cairan atau leburan dan semi leburan dari gelas, logam atau slagBentuk refraktori ada 2 yaitu :1. Bricks.Bricks berbentuk seperi batu bata dan cara pemasangannya sama seperti menyusun tembok untuk batu bata. Contoh material refraktorinya adalah fireclay, silimanit, magnesit, dolomite, krom magnesit dan silica.1. MonolithRrefraktori yang berbentuk serbuk atau lazim disebut monolith biasanya untuk membuatnya dilakukan metoda semprot Contoh material refraktorinya adalah castable refractories, platic refractories, ramming refractories, dllJenis-jenis refraktori berdasarkan komposisi kimia :1. Refraktori asam : Merupakan refraktori yang digunakan dalam kondisi asam dimana slag dan atmosfernya bersifat asam. Refraktori asalm bersifat stabil terhadap asam namun mudah diserang oleh alkali. Contohnya : silica, firebrick, alumino silica.1. Refraktori netral : Merupakan refraktori yang digunakan dalam kondisi basa ataupun asam, bersifat stabil terhadap asam dan basa. Contohnya : alumina (Al2O3), chromia ( Cr2O3) dan karbon.1. Refraktori basa : Merupakan refraktori yang digunakan pada lingkungan yang memiliki slag dan atmosfer basa. Refraktori basa tahan terhadap alkali namun bereaksi dengan asam. Contohnya : magnesia (MgO) , dolomite, dan chrome-magnesia.1. Refraktori special : merupakan refraktori yang memiliki sifat khusus untuk dipakai pada kondisi atau fungsi terterntu. Contoh : zirconia,spinel, boran nitride.Mekanisme perambatan panas pada material (konduksi, konveksi, radiasi) KonduksiKonduksi panas merupakan, panas yang bergerak melewati medium padat sebanding dengan gradient temperatur pada arah aliran, dan luas penampang A.Persamaan matematika yang menghubungkan laju panas gradien temperatur dan luas penampang untuk konduksi anas pada arah x:dideskripsikan oleh Hukum Fourier

Konveksi Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan , dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Ketika permukaan padatan bertemperatur Ts kontak dengan aliran fluida pada temperatur yang berbeda T, maka gradien temperatur dari permukaan padatan ke fluida akan memberikan peningkatan terhadap batas termal q = h(Ts - T)RadiasiPada proses radiasi, energi termal diubah menjadi energi radiasi. Energi ini dihantarkan dalam gelombang elektromagnetik, khususnya daerah inframerah (700 nm - 100 m). E = e T4.

Sifat-sifat penting refraktori material adalah :1. Komposisi kimia.Material yang murni akan memiliki nilai konduktivitas yang lebih tinggi dibanding material yang telah dicampur dengan senyawa lainnya. Hal ini disebabkan karena material murni lebih homogen sehingga panas lebih cepat mengalir. Apabila terjadi penambahan unsur-unsur lain di dalam material maka dapat menurunkan konduktifitas termal.1. Porositas.Meningkatnya volume porositas di dalam refraktori akan menurunkan konduktifitas termal refraktori.Panas yang merambat sepanjang porositas akan bergerak lambat dan tidak efisien. Pada porositas internal, umumnya terdapat udara, dimana udara memiliki konduktifitas termal yang sangat rendah.1. Strength dan tahan abrasiMampu menahan pembebanan dari bahan pada temperatur tinggi. Selain itu mampu menahan abrasi dari gas panas, slag dan bahan.1. InertTidak reaktif terhadap bahan yang bersinggungan langsung dan tidak mencemari bahan1. Kapasitas panas tinggiAkan menghemat energi panas karena energi panas yang akan terhantar keluar akan sedikit.1. Wetting Angle1. Thermal Shock1. Thermal Expansion1. Hot Modulus of Rupture1. Konduktivitas Thermal1. Temperatur Melting tinggi

Sifat yang dibutuhkan oleh material refraktori adalah : Tahan terhadap suhu tinggi Tahan terhadap Perubahan suhu yang mendadak Tahan terhadap lelehan terak logam, kaca, gas panas, dll. Tahan terhadap beban pada kondisi perbaikan Tahan terhadap beban dan gaya abrasi Menghemat panas Memiliki koefisien ekspansi panas yang rendah Tidak boleh mencemari bahan yang bersinggungan.Ternyata yang dijadikan refraktori bukan hanya keramik, tetapi logam juga bisa dijadikan sebagai refraktori. Berikut 3 jenis refraktori logam, yaitu :1. Molybdenum refraktori1. Tantalum refraktori1. Tungsten refraktori

TUGAS TAMBAHAN

1. Refraktori selain keramikTungsten Metal:1. Incandescent, fluorescent and automotive lamp filaments1. Anodes and targets for x-ray tubes1. Electrodes for inert gas arc welding1. Electrodes for xenon are lamps1. Rocket nozzles1. Heating elements and radiation shieldsMolybdenum1. Die-casting dies1. Missile and rocket engine components1. Electrodes and stirring rods in glass manufacture1. Electric furnace heating elements, boats, heat shields and muffle liner1. Zinc refining pumps, launders, valves, stirrers and thermocouple wells1. Nuclear reactor control rod production1. Filaments & support wires for automobile headlight1. Rocket skirts, cones and heat shields1. Missile Components1. Chemical process equipment1. Heat shields in high temperature vacuum furnacesCemented Tungsten Carbide1. Nuclear engineering equipment1. Mining and oil drilling tools1. Forming dies1. Metal forming rollsTungsten Heavy Metal1. Radiation shields1. Aircraft counterweights1. Self-winding watch counterweights1. Aerial camera balancing mechanisms1. Helicopter rotor blade balance weights1. Armament fuses1. Military Ordnance1. Shotgun pelletsTantalum1. Heat exchangers1. Bayonet heaters1. Thermometer wells1. Vacuum tube filaments1. Chemical process equipment1. High temperature furnaces components1. Crucibles for handling molten metal and alloys1. Aerospace engine componentshttp://metals.about.com/od/properties/a/Refractory-Metals.htm1. Special Refractories1. Silikon Karbida (SiC) mempunyai sifat termal yang baik dan konduktivitas listrik yang baik. Namun mudah teroksidasi. Digunakan untuk elemen pemanas listrik pada tungku.1. Zircon (ZrSiO2), Zirkonia1. Beryllia (BeO), Thoria (ThO), Uranium oxide (UO2) digunakan pada aplikasi yang berkaitan dengan nuklir1. Nitride dan Borides punya temperatur melting yang tinggi dan lebih tahan oksidasi.Askeland, Donald. The Science & Engineering of Materials page 555Schwartz, Mel. Encyclopedia of Materials, Parts and Finishes, Second Edition page 642