Prinsip-prinsip utama dan aplikasi konduksi termal dalam logam

Konduksi termal mengacu pada transfer energi panas di dalam suatu objek atau antara objek yang bersentuhan karena perbedaan suhu. Proses ini terjadi tanpa pergerakan makroskopis materi, melainkan mengandalkan interaksi partikel mikroskopis. Dua mekanisme utama mendorong konduksi termal:

• Pergerakan elektron bebas: Dalam logam, elektron bergerak mendapatkan energi di daerah yang lebih hangat dan mengangkutnya ke daerah yang lebih dingin melalui tumbukan dengan atom.
• Getaran atom/molekul (fonon): Dalam bahan non-logam, panas ditransfer melalui getaran kisi yang merambat sebagai fonon.

Panas selalu mengalir dari daerah bersuhu lebih tinggi ke daerah bersuhu lebih rendah hingga tercapai kesetimbangan. Fenomena ini terjadi baik di dalam objek tunggal maupun antara permukaan yang bersentuhan - dicontohkan ketika tangan hangat menggenggam cangkir kopi panas.

Konduktivitas termal (k) mengukur kemampuan transfer panas suatu material, didefinisikan sebagai fluks panas per gradien suhu. Persamaan yang mengatur adalah:

Di mana q mewakili fluks panas (W/m²), k adalah konduktivitas termal (W/(m·K)), dan dT/dx menunjukkan gradien suhu (K/m). Nilai k yang lebih tinggi menunjukkan kapasitas transfer panas yang lebih unggul.

Umumnya, padatan menunjukkan konduktivitas termal yang lebih besar daripada cairan, yang melampaui gas dalam konduktivitas. Hirarki ini berasal dari kepadatan pengepakan molekul - struktur padatan yang tersusun rapat memfasilitasi transfer energi yang lebih efisien. Misalnya, konduktivitas udara yang rendah (≈0.024 W/(m·K)) membuatnya ideal untuk isolasi, sementara konduktivitas logam yang tinggi cocok untuk aplikasi heat sink.

Tiga mode transfer panas yang berbeda beroperasi di bawah prinsip fisika yang berbeda:

• Konduksi: Transfer panas melalui kontak langsung tanpa pergerakan material
• Konveksi: Transfer panas melalui gerakan fluida (misalnya, sistem HVAC yang mengedarkan udara)
• Radiasi: Transfer gelombang elektromagnetik (terutama inframerah), tidak memerlukan media (misalnya, pemanasan matahari)

Sebagian besar skenario praktis melibatkan mekanisme transfer panas gabungan yang secara bersamaan memengaruhi distribusi suhu.

Konduktivitas luar biasa logam berasal dari awan elektronnya yang terdelokalisasi. Ketika dipanaskan, elektron bergerak ini dengan cepat menyebarkan energi termal melalui kisi melalui tumbukan. Transfer yang dimediasi elektron ini terbukti beberapa orde besaran lebih efisien daripada konduksi fonon dalam non-logam, menjelaskan kinerja termal dominan logam.

Logam umum menunjukkan variasi konduktivitas yang signifikan pada suhu kamar:

• Perak (Ag): 429 W/(m·K)
• Tembaga (Cu): 401 W/(m·K)
• Emas (Au): 317 W/(m·K)
• Aluminium (Al): 237 W/(m·K)
• Besi (Fe): 80 W/(m·K)
• Baja Tahan Karat: 16 W/(m·K)

Meskipun perak memimpin dalam konduktivitas, biayanya membatasi penggunaan untuk aplikasi khusus. Tembaga dan aluminium mendominasi manajemen termal industri (heat sink, penukar panas) karena kinerja dan ekonominya yang seimbang. Konduktivitas baja tahan karat yang lebih rendah sesuai dengan kebutuhan isolasi termal seperti peralatan masak dan wadah penyimpanan.

Pemilihan logam yang optimal memerlukan evaluasi multi-kriteria:

• Kebutuhan konduktivitas tinggi: Aluminium (ringan, ekonomis) atau tembaga (kinerja unggul) untuk pendinginan elektronik
• Ketahanan korosi: Baja tahan karat atau paduan khusus untuk pemrosesan kimia
• Tuntutan struktural: Baja untuk komponen penahan beban meskipun konduktivitasnya sedang
• Optimalisasi kinerja: Pemilihan paduan untuk penukar panas yang menyeimbangkan konduktivitas, kekuatan, dan ketahanan korosi

Komposit canggih menggabungkan keunggulan material untuk manajemen termal yang ditingkatkan. Contohnya termasuk:

• Hibrida aluminium-baja tahan karat yang menggabungkan konduktivitas dengan kekuatan
• Komposit yang diperkuat serat karbon yang menawarkan rasio konduktivitas terhadap berat yang ekstrem

Inovasi ini menjanjikan solusi termal transformatif di seluruh industri.