ANALISIS FISIKA Besaran-besaran analisis fisika Analisis Fisika Klasik Oleh Moh. Hayat Akademi Kimia Analisis 2014
ANALISIS FISIKA Besaran-besaran analisis fisika
Analisis Fisika Klasik
Oleh
Moh. Hayat
Akademi Kimia Analisis 2014
BESARAN ANALISIS FISIKA
Besaran-besaran Analisis Fisika
• Besaran-besaran yang terlibat dalam Analisis Fisika berkaitan dengan sifat-sifat fisika dari material.
• Sifat Fisika dari suatu material didefinisikan sebagai perilaku material dalam merespon pengaruh lingkungan dan gaya eksternal
Sifat Fisika Bahan
Sifat-sifat fisika bahan yang terlibat antara lain adalah : • Sifat Mekanik –merespon gaya mekanik :
kekuatan, modulus, dll • Sifat Listrik dan Magnet – merespon medan
listrik dan magnet : konduktivitas, dll • Sifat Termal – berkaitan dengan hantaran dan
kapasitas panas • Sifat Optis – termasuk absorpsi, transmisi, dan
hamburan cahaya • Stabilitas Kimia – respon bahan ketika kontak
dengan lingkungan : ketahanan korosi, dll
Analisis Sifat-Sifat Material
• Apakah komponen dalam suatu produk memiliki daya tahan yang baik terhadap tekanan mekanis?
• Apakah suatu produk harus memiliki konduktivitas listrik yang baik atau sebaliknya harus mampu menahan arus listrik?
• Apakah mampu menghantar panas? Dapat mentransmisikan cahaya?
• Apakah....? Apakah....?
Manfaat
Pengetahuan mengenai sifat-sifat material dibutuhkan untuk:
• Menentukan material yang sesuai dengan kebutuhan desain produk.
• Menentukan proses manufaktur yang sesuai.
• Optimasi kondisi proses untuk meningkatkan nilai ekonomis.
Sifat-sifat Fundamental
Characteristic Behavior Property Units
Strength strong, weak ultimate strength MPa (ksi)
Elastic strength elastic then plastic yield strength MPa (ksi)
Stiffness flexible, rigid modulus of elasticity MPa (Mpsi)
Ductility draws, forms easily % elongation,
% area reduction dimensionless
Hardness resists surface
indentation
Brinell No. MPa (ksi)
Corrosion resistance
resists chemicals,
oxidation
galvanic series activity
number
Characteristic Behavior Property Units
Fatigue resistance endures many load cycles endurance limit MPa (Mpsi)
Conductivity
(heat, electric) conducts, insulates
thermal
conductivity
electrical
conductivity
(Btu/hr) / (F-ft),
Mhos
Creep resistance time dependent
stretching
creep strength MPa (ksi)
Impact resistance shock, impact loads Charpy energy N-m, (ft-lbs)
Density (mass)
Density (weight) heavy, light
mass density
weight density
kg/m3, (slugs/ft3)
N/m3, (lbs/ft3)
Temperature tolerance softens, or melts easily melting point degrees C, F
Sifat Fisika dalam Manufaktur
• Merupakan parameter penting dalam manufaktur karena memberikan pengaruh terhadap kinerja proses.
• Contoh: Dalam mesin, sifat termal material kerja
menentukan cutting temperatur, yang akan berimbas pada berapa lama peralatan dapat digunakan sebelum akhirnya rusak.
Dalam industri mikroelektronik, sifat listrik silikon dan bagaimana sifat-sifat tersebut dipengaruhi proses kimia dan fisika merupakan basis dari industri semikonduktor.
ANALISIS FISIKA KLASIK
Beberapa Analisis Fisika Klasik Penting
1. Densitas
2. Ekspansi Termal
3. Sifat Pelelehan
4. Kalor Jenis
5. Konduktivitas Termal
6. Sifat Listrik
7. Elektrokimia
1. Densitas
• Didefinisikan sebagai massa per unit volume
• Memiliki satuan g/cm3, kg/l, kg/m3
• Ditentukan oleh nomor atom dan faktor-faktor lainnya seperti jari-jari atom dan atomic packing
• Dipengaruhi oleh suhu
Beberapa Pengertian
Pengertian yang berhubungan dengan kerapatan • Densitas • Massa Jenis • Berat Jenis • Kerapatan Relatif : kerapatan suatu material
dibandingkan dengan material lain yang dijadikan standar, tidak memiliki satuan.
• Specific gravity : densitas suatu material dibandingkan dengan densitas air pada suhu 4oC, karena merupakan perbandingan, SG tidak memiliki satuan.
Pentingnya Densitas
• Merupakan salah satu pertimbangan penting dalam penentuan material untuk suatu aplikasi, tapi biasanya bukan merupakan satu-satunya karakteristik yang dipertimbangkan.
• Strength (kekuatan) juga merupakan sifat yang penting. Kedua sifat tersebut seringkali dihubungkan sebagai strength -to -weight ratio, yaitu tensile strength dibagi dengan densitas. Merupakan rasio yang sering digunakan untuk
membandingkan material dalam industri pesawat terbang, otomotif, dan produk lain yang memperhatikan bobot dan energi.
2. Ekspansi Termal
• Densitas dari suatu material merupakan fungsi temperatur.
• Secara umum, densitas suatu material akan turun terhadap kenaikan temperatur.
• Volume per satuan massa naik terhadap kenaikan temperatur.
• Ekspansi termal merupakan istilah yang menggambarkan pengaruh temperatur terhadap densitas.
• Diukur sebagai koefisien ekspansi termal, .
Koefisien Ekspansi Termal
• Perubahan panjang per derajat temperatur, misalnya mm/mm/oC.
• Rasio perubahan panjang lebih disukai dibandingkan perubahan luas atau volume karena lebih mudah diukur dan diaplikasikan.
• Ditentukan dengan persamaan :
L2 - L1 = α L1 (T2 - T1)
dimana :
α adalah koefisien ekspansi termal;
L1 dan L2 merupakan panjang awal dan panjang akhir pada temperatur T1 dan T2
Ekspansi Termal dalam Manufaktur
• Ekspansi termal digunakan dalam shrink fit dan expansion fit assemblies. Satu bagian logam dipanaskan untuk
memperbesar ukuran atau didinginkan untuk memperkecil agar dapat dimasukkan satu sama lain.
Ketika bagian tersebut kembali ke temperatur semula, akan terbentuk sambungan yang kuat.
• Ekspansi termal dapat menimbulkan masalah pada proses heat treatment dan welding, karena kedua proses tersebut dapat menghasilkan thermal stress.
3. Sifat Pelelehan
• Titik leleh (melting point) dari suatu unsur merupakan temperatur terjadinya perubahan wujud unsur murni dari padat menjadi cair.
• Perubahan sebaliknya (dari cair menjadi padat) terjadi pada temperatur yang sama dan disebut titik beku (freezing point).
• Agar perubahan wujud dari padat menjadi cair tersebut dapat terjadi pada Tm dibutuhkan kalor yang disebut Heat of fusion.
Pelelehan Logam Alloy
• Tidak seperti logam murni, kebanyakan alloy tidak memiliki titik leleh tunggal.
• Pelelehan dapat terjadi pada beberapa titik tahapan. Temperatur mulai terjadinya pelelehan disebut solidus, dan temperatur saat semua alloy telah meleleh disebut liquidus.
• Di antara kedua temperatur tersebut, alloy merupakan campuran antara logam padat dan lelehan logam.
• Pengecualian : eutectic alloy yang meleleh (dan membeku) pada temperatur tunggal.
Pelelehan pada Material Nonkristalin
• Pada material nonkristalin (misalnya gelas), terjadi transisi gradual dari wujud padat hingga menjadi wujud cair.
• Padatan akan melunak perlahan-lahan jika temperatur naik, dan akan mencair keseluruhan pada melting point.
• Selama pelunakan, material akan semakin plastis (sifat plastis mengalami peningkatan) hingga mendekati melting point.
Pelelehan dalam Manufaktur
• Metal casting – logam dilelehkan dan dituangkan dalam cetakan. Logam dengan melting point lebih rendah umumnya lebih mudah dicasting.
• Plastic molding- karakteristik pelelehan polimer merupakan sifat penting pada proses pembentukan hampir semua polimer.
• Sintering Serbuk Logam – proses sintering dilakukan pada temperatur mendekati melting point untuk membentuk ikatan pada serbuk.
4. Kalor Jenis
• Banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu satuan massa dari suatu material sebanyak satu derajat.
• Untuk menentukannya dapat digunakan persamaan:
H = c m (T2 - T1)
dimana : H = jumlah kalor yang dibutuhkan; c = kalor jenis material; m = massa; (T2 - T1) = perubahan temperatur.
Kalor Jenis Volumetrik
• Banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu satuan volume dari suatu material sebanyak satu derajat.
• Dapat diperoleh dari perkalian densitas () dengan kalor jenis (c)
Kalor Jenis Volumetrik = c
dimana :
: densitas
c : kalor jenis
5. Konduktivitas Termal
• Konduksi termal adalah perpindahan energi panas melalui suatu material dari satu molekul ke molekul berikutnya, murni melalui pergerakan panas tanpa disertai perpindahan massa.
• Konduktivitas termal dari suatu material merupakan kemampuan untuk memindahkan panas melalui mekanisme tersebut. Diukur sebagai koefisien konduktifitas termal, k
(J/s mm oC). Umumnya bernilai tinggi pada logam, rendah
pada keramik dan plastik.
Difusivitas Termal
• Lebih umum digunakan untuk analisis perpindahan panas
• Merupakan rasio konduktivitas termal terhadap kalor jenis volumetrik.
dimana :
K : difusivitas Termal
k : konduktifitas termal
: densitas
c : kalor jenis
Sifat Termal dalam Manufaktur
• Merupakan faktor penting dalam manufaktur, karena banyak proses yang menghasilkan panas sebagai efek samping.
• Pada beberapa kasus, panas merupakan energi yang dibutuhkan untuk menjalankan suatu proses. Misalnya : perlakuan panas, sintering serbuk logam dan keramik.
• Pada kasus yang lain, panas muncul selama proses. Contoh : cold forming logam.
6. Sifat Listrik
• Rekayasa material menghasilkan beragam material yang memiliki sifat konduksi listrik yang beragam.
• Aliran arus listrik dihasilkan dari pergerakan pembawa muatan – partikel kecil yang memiliki muatan listrik.
Dalam padatan, pembawa muatan adalah elektron dan hole.
Dalam larutan pembawa muatan adalah ion positif dan negatif.
• Pergerakan partikel pembawa muatan disebabkan oleh adanya beda potensial listrik.
• Aliran tersebut dihambat oleh karakteristik internal material, seperti struktur atom dan ikatan antar atom dan molekul.
• Hukum Ohm :
dimana I = arus, A; E = beda potensial, V; dan R = hambatan listrik,
Hambatan Listrik
• Hambatan listrik dari suatu material yang memiliki penampang teratur (misalnya kawat logam) bergantung pada panjang L, luas penampang A, dan resistivitas material
dimana resistivitas memiliki satuan Ωm2/m atau Ωm
Resistivitas
• Sifat yang menggambarkan kemampuan material untuk menghambat arus listrik.
• Nilai resistivitas material tidak konstan; tetapi bervariasi terhadap temperatur.
• Untuk logam, resistivitas meningkat terhadap kenaikan temperatur. Perubahan terhadap temperatur dapat dihitung dari persamaan :
Konduktivitas
• Seringkali lebih nyaman untuk melihat karakteristik material dari kemampuannya dalam menghantar arus, bukan menghambatnya.
• Konduktivitas dari suatu material secara sederhana merupakan kebalikan dari resistivitas.
dimana konduktivitas memiliki satuan (Ωm)-1
Rekayasa Material dan Kelistrikan
• Logam merupakan konduktor listrik terbaik, karena ikatan logamnya.
• Sebagian besar keramik dan polimer, yang elektronnya terikat kuat dalam ikatan kovalen dan/atau ionik, merupakan konduktor yang buruk.
• Material-material tersebut digunakan sebagai isolator listrik karena memiliki resistivitas yang tinggi.
Semikonduktor
• Merupakan material yang dalam kondisi normal bersifat isolator, namun setelah menerima energi dari luar dapat bersifat konduktor.
• Material semikonduktor yang paling umum adalah silikon. Digunakan secara besar-besaran dikarenakan kelimpahannya yang besar di bumi, proses yang mudah dan murah.
• Partikel pembawa muatan dalam semikonduktor adalah elektron dan hole.
Sifat Listrik dalam Manufaktur
• Electric discharge machining – penggunaan energi listrik untuk membentuk loncatan listrik untuk membuang lapisan pengotor dari logam.
• Dalam proses welding, seperti arc welding dan resistance spot welding, digunakan energi listrik untuk melelehkan sambungan logam.
• Kemampuan semikonduktor yang unik dapat digunakan sebagai basis pembuatan IC dan industri mikroelektronik.
7. Elektrokimia
• Berkaitan dengan sifat kelistrikan dan pengaruhnya terhadap zat-zat kimia.
• Sebagian besar mempelajari perubahan kimiawi yang disebabkan oleh adanya arus listrik dan timbulnya kelistrikan karena adanya reaksi kimia.
• Elektrokimia didasarkan pada reaksi redoks.
• Sifat khas dari reaksi redoks adalah adanya transfer elektron dan dapat ditempatkan dalam suatu sel elektrokimia.
Korosi
• Karat – merupakan oksidasi spontan
• Banyak logam memiliki potensial reduksi lebih kecil dari potensial reduksi O2
Fe Fe+2 +2e- Eº= 0.44 V
O2 + 2H2O + 4e- 4OH- Eº= 0.40 V
Fe+2 + O2 + H2O Fe2O3 + H+
Air
Karat
Besi melarut
Fe Fe+2
e-
O2 + 2H2O +4e- 4OH-
Fe2+ + O2 + 2H2O Fe2O3 + 8 H+
Fe2+