Kegagalan Analogi Electrical & Thermal Domain

INTI URAIAN

Barangkali pertanyaan dasar yg sempat menggantung di kepala sekitar 10 tahun yang lalu  sebagian mulai ada yang terjawab. Bekerja dalam kajian bidang MEMS ( Micro-Electro-Mechanical-Systems ) membuat orang harus bekerja di banyak kawasan besaran fisik: ( multi-physical domains ):

  • kawasan besaran mekanik  (electrical energy-domain)
  • kawasan besaran elektrik (mechanical energy-domain)
  • kawasan besaran panas    (thermal energy-domain)

Dalam kurikulum Teknik Elektro di ‘jaman jahiliyah yang indah’ dulu, dalam 3 kuliah Rangkaian Listrik (RL-1, RL-2, dan RL-3), serta 3 kuliah Tekmik Kendali (SPD, SP-1,

SP-2), mahasiswa sudah diajarkan memahami adanya PADANAN /ANALOGi antar besaran-besaran fisik di atas. Biasanya dari segi arah/’topologi’ nya dilakuka penggolongan

2 jenis besaran, dengan PADANAN sbb:

Jenis/Topologi Besaran Elektrik Mekanik Termal
Besaran Bujur (“Through” Phys Quantity)    Arus Gaya Daya Panas
Besaran Lintang (“Accross Phys Quantity) Tegangan Posisi,Kecepatan Suhu/Temperatur

Sampai di sini, sekilas terlihat contoh padanan/analogi di atas nampak ‘OK’, dan ‘tidak ada masalah’ …

Tapi ketika melihat unsur-unsur dasar (basic elements) serta melihat padanan/analogi nya, 10 tahun yll, mulai ketemu pertanyaan, karena kalau sekarang dibuat tabel padanan unsur-unsur dasar (building-blocks) dari ketiga domain di atas, ternyata ada RUANG KOSONG / empty cell di dalam tabel di bawah ini

Domain Elektrik Domain Mekanik Domain Termal
Resistansi Elektrik (R) Angka Gesekan (D) Resistansi Termal (R)
Kapasitansi Elektrik (C) Massa (C) Kapasitansi Termal (C)
Induktansi Elektrik (L) Angka Kelenturan Pegas (K) ?????

Analogi domain elektrik dan mekanik memang ‘hampir sempurna’

Sebagai ilustrasi, pada kedua domain dapat dijumpai gejala-gejala yang erat kaitannya dengan entitas GELOMBANG:

  • gejala resonansi          (mis resonansi akustik/mekanik)
  • gejala rambatan gelombang (mis rambatan gel akustik/seismik/hidrolik)

Pada gejala resonansi yang parameter-parameternya (frekuensi resonansi dan faktor kualitas) ditentukan oleh kombinasi nilai-2 R,L, dan C (dalam domain elektrik) serta parameter padanan-nya (dalam domain mekanik).

Gejala-gejala khas ‘Gelombang’ spt di atas TIDAK DIJUMPAI di dalam domain TERMAL.

-> Resonansi Termal?  tidak dikenal

Penyebabnya: di dalam domain termal hanya dikenal 1 jenis unsur penyimpan energi:

Kapasitansi Termal yg analog dengan Kapasitansi Elektrik

Sedang unsur penyimpan energi ‘pasangan’ nya, analogi dari Induktansi Elektrik tidak dikenal di dalam domain termal.

-> Rambatan ‘Gelombang Panas’? tidak dikenal

Penyebabnya: tebak an saya, Gelombang merambat sebagai akibat interaksi dan ‘kerjasama’ dari 2 topologi besaran di atas:

-> besaran lintang (medan listrik, posisi partikel)

-> besaran bujur   (medan magnet,  gaya)

dan keberadaan 2 buah unsut penyimpan energi yang BEKERJA BERLAWANAN, spt halnya KAPASITOR dan INDUKTOR.

Pada gelombang elektromagnet maupun gelombang akustik dimungkinkan karena adana kedua jenis elemen d atas di dalam medium perambatannya.

Sementara dalam peristiwa hantaran panas di dalam zat padat (konduksi) nampaknya hanya ada 1 jenis elemen penyimpan energi:

–> Kapasitansi Panas

–> ‘Induktansi Panas’ tidak ada

***

Peristiwa hantaran panas di dalam medium zat padat, baik secara fisik maupun secara matematik lebih menyerupai gejala DIFUSI MASSA/PARTIKEL  ( misal: difusi molekul

gula di dalam medium zat cair, atau juga difusi atom dopant di dalam silikon, misalnya )

Secara matematik, persamaan dasar (the Governing Equation) dari proses hantaran panas (thermal conduction) memang SAMA dengan persamaan dasar proses difusi (sama-sama ‘mentaati’ hukum Fick:

-> Pada Difusi Massa/Partikel

Besarnya Fluksi massa yg menembus bahan medium /satuan luas SEBANDING dgn gradien konsentrasi

F = D dC/dx

-> Pada Difusi Termal

Besarnya Fluksi panas yg menembus bahan medium /satuan luas SEBANDING dgn gradien suhu

F = K dT/dx

Jika persamaan hukum Fick di atas digabung dengan persamaan kontinuitas ( = prinsip kekekalan massa atau prinsip kekekalan energi ), maka akan diperoleh persamaan yang bentuknya ‘familiar’ bagi kita, karena merupakan 1 dari ke 4 Persamaan Maxwell:

PERSAMAAN POISSON (atau LAPLACE jika tanpa sumber)

KESIMPULAN (sementara)

1. Di dalam skala makro, analogi antar besaran fisik tidak selalu menghasilkan korespondensi satu-satu

( sebagai contoh di atas, analogi domain elektrik dan mekanik cukup ‘sempurna’ tapi analogi antara kedua besaran tsb dgn domain termal ternyata ‘gagal’ )

2. Di dalam skala makro, di dalam domain elektrik dan mekanik dapayt dijumpai gejala-gejala yang umumnya dikaitkan dengan gejala Gelombang:

-> Gejala Resonansi

-> Gejala Propagasi Gelombang

Sementara itu peristiwa hantaran panas di dalam medium lebih mirip dengan peristiwa difusi massa /partikel.

Dengan kata lain, domain termal lebih menunjukkan sifat-sifat partikel (particle properties).

Catatan: gejala panas di sini dibatasi hanya pada gejala hantaran panas (heat conduction) pada medium zat padat.

Gejala perpindahan panas melalui mekanisme konvksi dan radiasi tidak termasuk dalam lingkup pembahasan

****

‘Pencerahan’ ataupun ‘pembingungan’ spt di atas baru saya rasakan setelah membaca artikel-artikel pengembangan sains dan teknologi untuk ‘memanipulasi’ rambatan GELOMBANG (elektromagnet: RF, Optical, Seismik, Akustik) di dalam medium sehingga membuka kemungkinan dibuatnya alat-alat yang aneh di masa depan:

  • Tabir (RF Cloak)yg bisa membuat sebuah obyek ‘hilang’ dari deteksi radar (gelombang RF): konon sudah bisa di realisasikan
  • Tabir (Optical Cloak) yg bisa membuat sebuah obyek ‘hilang’ dari pandangan mata (konon masih sulit di realisasikan)
  • Tabir Seismik: membelokkan gelombang seismik ( gempa bumi ) sehingga tidak menerjang suatu area?
  • Tabir Akustik: membelok kan gelombang bunyi sehingga hanya pendengar yg dituju yang bisa mendengarkan?
  • Tabir Panas: membelok kan arah hantaran panas sehingga bisa membuat “lensa panas” atau”perisai panas”

ACKNOWLEDGEMENT:

Salut untuk para kolega di LTRGM (Lab Gelombang Mikro):

  • Pak Munir
  • Pak Joko Suryana
  • Bu  Chaerunnisa

yang telah cukup lama aktif melakukan riset di hidang Metamaterial untuk ‘memanipulasi’ rambatan gelombang EM spt di atas

DAFTAR PUSTAKA

————–

[1] my FB post this morning:

<http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=50470>

Thermal Cloak Hides Heat

————————

In a new approach to invisibility cloaking, French researchers propose isolating or cloaking objects from sources of heat

This entry was posted in Uncategorized. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *