12.1 Conduction

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiBukan logam
   Huraian

   Atom di hujung panas bergetar lebih kuat dan memindahkan tenaga kepada atom jiran melalui getaran kekisi; proses ini perlahan.

   Contoh

   Pemegang kayu senduk lambat menjadi panas.

2. IsiLogam
   Huraian

   Selain getaran kekisi, elektron bebas bergerak laju dan berlanggar dengan atom jauh, memindahkan tenaga dengan cepat.

   Contoh

   Sudu kuprum dalam teh panas cepat panas di hujung pemegang.

Peta buih bergandaMekanisme konduksi haba (heat conduction)

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiSebelum dan selepas keadaan mantap
   Huraian

   Mula-mula sebahagian haba menaikkan suhu bahan; apabila suhu setiap titik tetap, semua haba yang masuk diteruskan keluar.

   Contoh

   Rod dipanaskan di satu hujung: selepas beberapa minit bacaan termometer di sepanjang rod tidak berubah lagi.

2. IsiSalah faham lazim
   Huraian

   Keadaan mantap tidak bermakna suhu sama di semua titik; suhu masih berbeza mengikut kedudukan.

   Contoh

   Hujung panas 100 °C dan hujung sejuk 0 °C kekal begitu dalam keadaan mantap.

IstilahIstilah konduksi

Keadaan mantap (steady state)

Suhu setiap titik dalam bahan tidak berubah dengan masa; kadar haba masuk = kadar haba keluar, tiada haba diserap untuk menaikkan suhu.

Kecerunan suhu (temperature gradient)

Kadar perubahan suhu terhadap jarak sepanjang arah aliran haba, dθ/dx. Unit: K m⁻¹.

Kekonduksian terma, k (thermal conductivity)

Kadar aliran haba melalui satu unit luas keratan rentas bagi satu unit kecerunan suhu, k = −(dQ/dt)/(A dθ/dx). Unit: W m⁻¹ K⁻¹.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiTakrif
   Huraian

   Kecerunan suhu = dθ/dx, iaitu perubahan suhu per unit jarak sepanjang arah aliran haba.

   Contoh

   Rod 0.40 m dengan hujung 80 °C dan 20 °C: magnitud kecerunan = 150 K m⁻¹.

2. IsiTanda dan unit kecerunan suhu
   Huraian

   Unit kecerunan suhu ialah K m⁻¹. Kecerunan bernilai negatif dalam arah aliran haba kerana suhu menurun dari hujung panas ke hujung sejuk.

   Contoh

   Rod 0.25 m dengan hujung 90 °C dan 40 °C: dθ/dx = (40 − 90) ÷ 0.25 = −200 K m⁻¹.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiHubungan
   Huraian

   dQ/dt ∝ A dθ/dx; menggandakan A atau kecerunan suhu menggandakan kadar aliran haba.

   Contoh

   Dua rod sama dipasang selari menggandakan A, maka kadar aliran haba dua kali.

2. IsiKesan kecerunan suhu
   Huraian

   Bagi luas yang sama, kecerunan suhu lebih curam (beza suhu lebih besar atau rod lebih pendek) memberi kadar aliran haba lebih tinggi.

   Contoh

   Rod 0.25 m dengan beza 50 K (200 K m⁻¹) mengalirkan haba dua kali kadar rod sama 0.50 m (100 K m⁻¹).

NotaHubungan kadar aliran haba

Kadar aliran haba berkadar terus dengan luas keratan rentas dan kecerunan suhu: dQ/dt ∝ A dθ/dx. Dengan pemalar k: dQ/dt = −kA dθ/dx. Tanda negatif menunjukkan haba mengalir ke arah suhu berkurang (dθ/dx negatif). Bagi rod seragam bertebat dalam keadaan mantap: dQ/dt = kA(θ₁ − θ₂)/L.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiTakrif k
   Huraian

   k ialah kadar aliran haba melalui satu unit luas keratan rentas bagi satu unit kecerunan suhu; unit W m⁻¹ K⁻¹.

   Contoh

   Kuprum k ≈ 400 W m⁻¹ K⁻¹ manakala kaca k ≈ 0.80 W m⁻¹ K⁻¹.

2. IsiMakna nilai k
   Huraian

   Bahan dengan k besar ialah konduktor haba yang baik; bahan dengan k kecil ialah penebat. Pada kecerunan suhu dan luas yang sama, kadar aliran haba berkadar terus dengan k.

   Contoh

   Periuk dibuat daripada aluminium (k ≈ 240 W m⁻¹ K⁻¹) supaya cepat panas, manakala pemegangnya plastik (k ≈ 0.2 W m⁻¹ K⁻¹) supaya tidak panas.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiPenggunaan
   Huraian

   Bagi rod bertebat seragam: dQ/dt = kA(θ₁ − θ₂)/L.

   Contoh

   k = 400 W m⁻¹ K⁻¹, A = 2.0 × 10⁻⁴ m², L = 0.50 m, beza 100 K: dQ/dt = 16 W.

2. IsiTanda negatif
   Huraian

   Haba mengalir ke arah suhu berkurang; dθ/dx negatif, maka dQ/dt positif.

   Contoh

   Kecerunan −200 K m⁻¹ memberi dQ/dt = −400 × 2.0 × 10⁻⁴ × (−200) = +16 W.

Peta alirContoh: konduksi satu dimensi

1. Rod kuprum bertebat, k = 400 W m⁻¹ K⁻¹, A = 2.0 × 10⁻⁴ m², L = 0.50 m, hujung 100 °C dan 0 °C.
2. Kecerunan suhu = (0 − 100) K ÷ 0.50 m = −200 K m⁻¹
3. dQ/dt = −kA dθ/dx = −400 × 2.0 × 10⁻⁴ × (−200)
4. dQ/dt = 16 W

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiKadar sama
   Huraian

   Dalam keadaan mantap tiada haba terkumpul di antara muka, maka dQ/dt sama melalui setiap lapisan.

   Contoh

   Dinding bata dengan lapisan penebat: haba yang melalui bata sama dengan yang melalui penebat.

2. IsiKecerunan berbeza
   Huraian

   Lapisan dengan k kecil mempunyai kecerunan suhu (susutan suhu) lebih besar.

   Contoh

   Dalam contoh dinding, penebat nipis 0.020 m menanggung susutan 20 K, bata hanya 5 K.

NotaLapisan bahan berbeza (composite layers)

Bagi lapisan bersiri dengan luas sama dalam keadaan mantap, kadar aliran haba melalui setiap lapisan adalah sama. Kecerunan suhu lebih besar dalam bahan k kecil (penebat). dQ/dt = kA₁ΔT₁/L₁ = kA₂ΔT₂/L₂; ΔT keseluruhan = ΔT₁ + ΔT₂, maka dQ/dt = AΔT ÷ (L₁/k₁ + L₂/k₂).

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiKaedah rintangan terma
   Huraian

   dQ/dt = AΔT/(L₁/k₁ + L₂/k₂).

   Contoh

   L/k = 0.125 dan 0.50 m² K W⁻¹, A = 1.0 m², ΔT = 25 K: dQ/dt = 40 W.

2. IsiSuhu antara muka
   Huraian

   Samakan kadar dalam dua lapisan: k₁A(θ₁ − θ)/L₁ = k₂A(θ − θ₂)/L₂.

   Contoh

   Plat X dan Y (L/k = 0.04 dan 0.20) antara 60 °C dan 0 °C: θ = 50 °C.

Peta alirContoh: dinding dua lapisan

1. Dinding A = 1.0 m²: bata k₁ = 0.80 W m⁻¹ K⁻¹, L₁ = 0.10 m; penebat k₂ = 0.040 W m⁻¹ K⁻¹, L₂ = 0.020 m. Dalam 30 °C, luar 5 °C (bata di dalam).
2. L₁/k₁ = 0.125 m² K W⁻¹; L₂/k₂ = 0.50 m² K W⁻¹; jumlah 0.625
3. dQ/dt = 1.0 × 25 K ÷ 0.625 = 40 W
4. Susutan suhu bata = 40 × 0.125 = 5 K, maka suhu antara muka = 30 − 5 = 25 °C

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiRod bertebat
   Huraian

   Tiada kehilangan haba sisi; kadar aliran haba sama di semua keratan; graf θ-x lurus.

   Contoh

   Rod kuprum dibalut penebat: termometer pada jarak sama memberi susutan suhu sama.

2. IsiRod tidak bertebat
   Huraian

   Haba hilang dari sisi; kadar berkurang ke hujung sejuk; graf θ-x melengkung dengan kecerunan semakin kecil.

   Contoh

   Rod tanpa balutan di udara: suhu turun cepat berhampiran hujung panas, kemudian mendatar.

Peta buih bergandaRod bertebat lawan tidak bertebat