Gunakan IHT untuk melakukan tugas-tugas berikut.
(a) Buatlah grafik konduktivitas termal tembaga murni, aluminium 2024, dan baja tahan karat AISI 302 pada rentang suhu $300 \leq T \leq 600 \text{ K}$. Tampilkan semua data dalam satu grafik, dan berikan komentar mengenai tren yang kamu amati.
(b) Buatlah grafik konduktivitas termal helium dan udara pada rentang suhu $300 \text{ K} \leq T \leq 800 \text{ K}$. Tampilkan data tersebut dalam satu grafik, dan berikan komentar mengenai tren yang Anda amati.
(c) Buatlah grafik viskositas kinematik oli mesin, etilena glikol, dan air cair pada rentang suhu $300 \leq \text{ K} T \leq 360 \text{ K}$. Tampilkan semua data dalam satu grafik, dan berikan komentar mengenai tren yang Anda amati.
(d) Buatlah grafik konduktivitas termal nanofluida air-Al2O3 pada $T = 300 \text{ K}$ terhadap rentang fraksi volume $0 \leq \phi \leq 0,08$. Lihat Contoh 2.2.
(a) Konduktivitas Termal Logam (Tembaga, Al 2024, AISI 302)
- Tembaga Murni (Pure Copper) memiliki $k$ paling tinggi ($\approx 401 \text{ W/m} \cdot \text{K}$ pada $300 \text{ K}$). Nilai $k$ menurun seiring kenaikan suhu karena hambatan getaran kisi (phonon scattering) dan interaksi elektron bebas yang makin dominan pada suhu tinggi.
- Aluminium 2024-T6 memiliki $k$ sedang ($\approx 177 \text{ W/m} \cdot \text{K}$ pada $300 \text{ K}$). Nilai $k$ meningkat sedikit seiring kenaikan suhu pada rentang ini.
- Baja Tahan Karat AISI 302 (Stainless Steel) memiliki $k$ paling rendah ($\approx 15,1 \text{ W/m} \cdot \text{K}$ pada $300 \text{ K}$). Nilai $k$ meningkat secara bertahap seiring kenaikan suhu. Struktur paduan kompleks membatasi jalur bebas rata-rata elektron, sehingga komponen fonon berperan lebih besar pada suhu yang lebih tinggi.
(b) Konduktivitas Termal Gas (Helium dan Udara)
- Helium memiliki $k$ jauh lebih tinggi dibanding udara (sekitar 5–6 kali lipat) karena helium merupakan gas monoatomik ringan dengan kecepatan termal molekul yang jauh lebih tinggi.
- Untuk kedua gas, $k$ meningkat seiring bertambahnya suhu ($k \propto T^{0.7}-T^{0.8}$). Hal ini terjadi karena peningkatan kecepatan rata-rata molekul memfasilitasi transfer energi kinetik molekuler yang lebih cepat melalui benturan.
(c) Viskositas Kinematik Cairan (Oli Mesin, Etilena Glikol, Air)
- Oli mesin memiliki viskositas kinematik ($\nu = \mu/\rho$) paling tinggi, diikuti oleh etilena glikol, dan air cair memiliki viskositas paling rendah.
- Viskositas kinematik ketiga cairan menurun secara eksponensial seiring kenaikan suhu. Kenaikan suhu melemahkan gaya tarik intermolekul (ikatan kohesi) pada fase cair, sehingga hambatan geser fluida berkurang secara signifikan.
(d) Konduktivitas Termal Nanofluida Air-$\text{Al}_2\text{O}_3$
Sesuai model Maxwell pada Contoh 2.2:
$$k_{\text{nf}} = \left[ \frac{k_p + 2k_{\text{bf}} + 2\phi(k_p – k_{\text{bf}})}{k_p + 2k_{\text{bf}} – \phi(k_p – k_{\text{bf}})} \right] k_{\text{bf}}$$
Dengan parameter pada $T = 300\text{ K}$:
- Fluida dasar ($\text{H}_2\text{O}$): $k_{\text{bf}} = 0,613 \text{ W/m} \cdot \text{K}$
- Nanopartikel ($\text{Al}_2\text{O}_3$): $k_p = 36 \text{ W/m}\cdot\text{K}$
Substitusikan nilai-nilainya:
$$k_{\text{nf}} = \left[ \frac{k_p + 2k_{\text{bf}} + 2 \phi (k_p – k_{\text{bf}})}{k_p + 2k_{\text{bf}} – \phi(k_p – k_{\text{bf}})} \right] k_{\text{bf}}$$
$$k_{\text{nf}} = \left[ \frac{36 + 2 \cdot 0,613 + 2 \phi(36 – 0,613)}{36 + 2 \cdot 0,613 – \phi(36 – 0,613)} \right] \cdot 0,613$$
$$k_{\text{nf}} = \left[ \frac{36 + 1,226 + 2 \phi(35,387)}{36 + 1,226 – \phi(35,387)} \right] \cdot 0,613$$
$$k_{\text{nf}} = \left[ \frac{37,226 + 70,774 \phi}{37,226 – 35,387 \phi} \right] \cdot 0,613$$
$$k_{\text{nf}} = \frac{22,819 + 43,384 \phi}{37,226 – 35,387 \phi}$$
Maka fungsi yang bisa kita gunakan untuk menghitung konduktivitas nanofluida dengan menggunakan pendekatan fraksi volume nanopartikel
$$\mathbf{k_{\text{nf}} \approx \frac{22,819 + 43,384 \phi}{37,226 – 35,387 \phi}}$$
Konduktivitas termal nanofluida ($k_{\text{nf}}$) meningkat secara linier seiring bertambahnya fraksi volume nanopartikel ($\phi$). Kehadiran partikel padat bermaterial konduktivitas tinggi ($\text{Al}_2\text{O}_3$) secara langsung meningkatkan kemampuan konduksi efektif dari campuran fluida.
