Apabila kita panaskan ujung sepotong logam sambil memegang ujungnya yang lain, beberapa saat kemudian ujung yang lain itu menjadi panas juga. Hal ini berarti bahwa kalor dapat merambat melalui batang logam tanpa ada bagian-bagian logam yang pindah bersama kalor itu. Perpindahan kalor secara kontak langsung tersebut yang terjadi dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah dikenal dengan konduksi. Logam seperti besi, aluminium, tembaga, dan lainnya merupakan konduktor yang baik

          Gambar 1.5.4. Perpindahan kalor secara konduksi

Perpindahan kalor dengan cara konduksi dapat dijelaskan dengan menggunakan teori partikel zat. Konduksi kalor dapat dipandang sebagai akibat perpindahan energi kinetik dari satu partikel ke partikel lain melalui tumbukan. Di tempat yang dipanaskan, energi kinetik partikel-partikel benda bertambah besar. Partikel-partikel yang energi kinetiknya lebih besar ini memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel-partikel tetangganya melalui tumbukan, sehingga partikel-partikel tetangganya bergetar dengan energi kinetik lebih besar pula. Selanjutnya partikel-partikel ini memindahkan lagi energi kinetiknya ke tetangga berikutnya, demikian seterusnya. Secara keseluruhan tidak ada perpindahan partikel di dalam zat itu.

Dalam logam, kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebas yang terdapat dalam struktur atom logam. Elektron bebas adalah elektron yang dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Di tempat yang dipanaskan, energi elektron-elektron bertambah besar. Oleh karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energi ini dengan cepat dapat diberikan ke elektron-elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini kalor berpindah lebih cepat. Oleh karena itu, logam tergolomg konduktor yang sangat baik. Berdasarkan kemampuan zat menghantarkan kalor, zat dibagi atas dua golongan besar, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang mudah menghantar kalor. Isolator ialah zat yang sukar menghantar kalor.

Pemanfaatan konduktor keseharian, misalnya alat masak panci yang terbuat dari aluminium. Kita memasak makanan tanpa perlu nyala api bersentuhan langsung dengan makanan. Untuk itu kita gunakan panci yang terbuat dari aluminium (konduktor) untuk menghantarkan kalor dari api ke bahan makanan atau air yang dimasak. Agar kita dapat memegang gagang panci tanpa merasa panas karena konduksi, maka gagang panci biasanya dibuat dari kayu atau plastik (isolator).

 Contoh 1.5.1:

Dalam kehidupan sehari-hari, panci yang digunakan untuk memasak dibuat dari bahan aluminium, sedangkan tangkai pegangannya dibuat dari kayu. Berikanlah argumentasi, mengapa dibuat seperti itu?

Penyelesaian:

Panci dibuat dari bahan aluminium, agar panas yang diberikan nyala api dapat dengan mudah berpindah pada air yang sedang dimasak, supaya waktu yang dibutuhkan lebih singkat. Sedangkan tangkainya dibuat dari kayu, yaitu agar tangan yang memegang panci tidak merasa kepanasan. Jadi aluminium adalah konduktor, sedangkan kayu adalah isolator.

Berdasarkan hasil eksperimen dan penalaran ditemukan bahwa kecepatan mengalirnya kalor dengan cara konduksi bergantung pada lima faktor, yaitu selisih suhu T, luas penampang A, tebal zat L, lamanya kalor mengalir t, dan jenis zat (lihat Gambar 1.5.5).

      Gambar 1.5.5 Menentukan kecepatan alir kalor

Berdasarkan percobaan ditemukan bahwa kalor yang mengalir:

• sebanding dengan selisih suhu (ΔT) antara kedua ujung potongan zat yang ditinjau

• sebanding dengan luas penampang potongan (A)

• berbanding terbalik dengan tebal atau panjang potongan (L)

• sebanding dengan selang waktu lamanya kalor mengalir.

Berdasarkan paparan ini, maka secara matematik banyaknya kalor H yang mengalir dari

ujung bersuhu T₁ ke ujung bersuhu T₂ dapat dinyatakan dengan persamaan:

         H = k. A.                                         (1.5.1)

dengan   H = jumlah kalor yang mengalir per satuan waktu, k = konduktivitas termal zat, L = panjang logam, A = luas penampang, dan DT = perbedaan temperatur ke dua ujung.

Konduktivitas termal (k) berbagai zat ditunjukkan seperti pada Tabel 1.5.1. Suatu zat yang memiliki konduktivitas termal (k) besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang baik. Umumnya logam masuk dalam kategori ini, walaupun ada variasi yang besar antara logam-logam tersebut seperti diperlihatkan pada Tabel 1.5.1. Suatu zat yang memiliki konduktivitas termal (k) kecil, seperti fiberglass, polyurethane, dan bulu merupakan panghantar kalor yang buruk yang disebut isolator.

Tabel 1.5.1. konduktivitas termal (k)  berbagai zat

Sumber: Giancoli (2001):502

Contoh  1.5.2

Sebatang tembaga panjangnya 1 meter dengan luas penampang 10 cm². Ujung logam yang satu menempel pada bak yang berisi es 0⁰C dan ujung yang lain menempel pada ketel yang berisi air mendidih 100⁰C. Anggap perubahan temperatur merata. Koefisien konduktivitas tembaga pada selang suhu tersebut adalah 0,9 kal/⁰C s.cm. Analisislah secara deduktif, berapa kalori panas yang merambat dari ketel ke bak es tadi selama 15 detik?

Penyelesaian

L = 1 meter = 100 cm,            K = 0,9 kal/⁰C.s.cm,   A = 10 cm²,  t  = 15 sekon

 H = ... ?          Q = ...?

Gunakan persamaan 1.5.1.

         H   = k  A 

   = (0,9 kal/⁰C s cm)  (10 cm²)

   =  9 kal/s.

         Q   =  H t =  9 kal/s  15 s = 135 kalori.

Contoh  1.5.3

            Sebuah jendela kaca ruang bangunan berpengatur suhu (ber-AC) panjangnya 3 m, tingginya 2m, dan tebalnya 10 mm. Suhu di pemukaan dalam kaca 24⁰C. Suhu di permukaan luar kaca 34⁰C.  Analsislah secara deduktif berapakah kalor yang mengalir keluar dari ruang itu melalui jendela kaca yang dimaksud? (k = 8,0x10^-4)

Penyelesaian

Gunakan persamaan 1.5.1.

 H =  k  A 

     =  (8,0x10^-4) (6m²) 

    =  4,8 = 4800 J/s

Jadi, banyaknya kalor yang mengalir keluar dari ruang itu melalui jendela kaca adalah 4800 joule tiap detik.

Contoh 1.5.4: Pemecahan masalah:

Dua batang penghantar mempunyai panjang dan luas penampang yang sama disambung menjadi satu seperti pada gambar di bawah ini. Koefisien konduksi termal batang penghantar kedua = 2 kali koefisien konduksi termal batang pertama. Jika batang pertama dipanaskan sehingga T₁ = 100°C dan T₂ =25°C, tentukan suhu pada sambungan (T) adalah

Penyelesaian:

Visualisasi masalah: Variabel-variabel yang teridentifikasi:menunjukkan bukti pemahaman konsep

Diketahui:

L₁ = L₂, dan A₁ = A₂

T₁ = 100°C dan T₂ =25°C

k₂= 2k₁

Ditanya: Ts = ....?

Jawab:

Deskripsi:

Untuk menentukan suhu sambungan dua batang,  ingat dan pahamilah dulu konsep konduksi yang akan digunakan dalam cara cepat ini.

Kesesuaian persamaan dengan deskripsi:

Rencana solusi yang masuk akal:

Kalor per satuan waktu yang ada di titik T sambungan adalah sama, maka dapat dinyatakan:

Perkembangan logika:

Telah diketahui: L₁ = L₂, A₁ = A₂, dan k₂= 2k_1, maka diperoleh:

Contoh 1.5.5

Berikut ini adalah nilai konduktivitas termal bahan (J/s.m.⁰C)

Berdasarkan tabel tersebut, analisislah secara induktif bahan yang paling tepat untuk membuat alat masak dan pegangan alat memasak.

Penyelesaian:

Kalor jenis adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat ntuk menaikkan suhunya sebesar 1⁰C atau 1 K. Jadi, zat yang memiliki kalor jenis rendah akan cepat menjadi panas karena memerlukan kalor yang sedikit untuk meniakkan suhu zat. Dalam proses memasak, sifat ini sangat menguntungkan karena hemat energi dan efisien dari segi waktu. Konduktivitas panas suatu zat adalah ukuran kemampuan zat menghantarkan kalor. Makin besar konduktivitas panas suatu zat, makin cepat zat tersebut menghantarkan kalor. Tentunya sifat ini akan mempercepat proses memasak. Jadi, di antara bahan di atas, aluminium adalah bahan yang paling tepat untuk membuat alat masak dan kayu sebagai pegangan alat memasak.