Studi Difusi Termal

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

1

STUDI DIFUSIVITAS TERMAL PADA MEDIUM TANAH MELALUI PENGUKURAN SUHU (Study on Thermal Diffusion at Soil Medium through Measurement of Temperature) Aries Astradhani Subgan Laboratorium Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Papua, Jln. Gunung Salju Amban, Manokwari 98314, Telp. (0986) 215938, Fax. (0986) 213089. ABSTRACT This study is aimed to analyze the thermal diffusion in medium soil through temperature measurement. The data of medium soil temperature provide information about the phenomenon of heat transfer at medium soil. This research will also look for significant differences of thermal diffusion at medium soil in two condition of different covering; it is also seeing by the different soil temperature and pattern change of soil temperature. The equality two mean tests method (two party tests) was used to see the significance of thermal diffusion. There are significant differences of soil temperature according to covering condition and deepness tested by ANOVA (Varian analysis) in two directions. At the same time there is significance difference about pattern change of soil temperature from time to time according to the covering condition to the deepness used by analysis of fouries. The finilings show that there were significant differences at medium soil for coat of z (4-6) with condition of difference in covering. Significant difference was also shown by soil temperature according to the condition of covering and deepness. Key Words: thermal diffusion, soil temperature, condition of covering, varians analysis, two party tests, Fourier analysis

PENDAHULUAN Permukaan bumi merupakan penyerap utama radiasi matahari . Oleh sebab itu permukaan bumi merupakan sumber panas bagi udara di atasnya dan bagi lapisan tanah di bawahnya. Pada siang hari suhu permukaan tanah akan lebih tinggi dibandingkan dengan suhu pada lapisan tanah yang lebih dalam. Hal ini karena permukaan tanah menyerap radiasi matahari secara langsung pada siang hari, setelah itu panas merambat ke lapisan tanah yang lebih dalam. Sebaliknya pada malam hari permukaan tanah akan kehilangan panas terlebih dahulu, akibatnya suhu pada permukaan tanah akan lebih rendah dibandingkan dengan suhu pada lapisan yang lebih dalam. Pada malam hari panas akan merambat dari lapisan yang lebih dalam menuju permukaan. Karena pola dan tingkahlaku perambatan panas tersebut, maka fluktuasi suhu tanah akan tinggi pada permukaan dan akan semakin kecil dengan bertambahnya kedalaman. Suhu tanah maksimum pada permukaan akan tercapai pada saat intensitas radiasi matahari mecapai maksimum, tetapi untuk lapisan yang lebih dalam suhu maksimum tercapai beberapa saat kemudian. Semakin lama untuk lapisan yang lebih dalam, hal ini karena dibutuhkan waktu untuk

perpindahan panas dari permukaan ke lapisanlapisan tanah selanjutnya. Proses perpindahan panas yang terjadi di dalam tanah adalah perpindahan panas secara konduksi. Proses perpindahan panas ini terjadi karena adanya gerakan molekul dalam tanah. Karena suhu adalah suatu pernyataan tentang kinetik energi molekul benda, adanya suatu beda suhu di dalam suatu benda umumnya akan menyebabkan perpindahan energi kinetik oleh banyaknya tumbukan dari molekulmolekul yang bergerak dari daerah yang lebih panas ke daerah sekitarnya yang lebih dingin. Proses stedi (steady;) atau proses takstedi (unsteady) terjadi dalam proses transfer panas. Bilamana laju aliran panas dalam suatu sistem tidak berubah dengan waktu (konstan), maka suhu dititik manapun tidak berubah. Hal ini yang dikatakan kondisi keadaan-stedi. Dengan kondisi keadaanstedi (steady state), kecepatan fluks-masuk pada titik manapun dari sistem manapun harus tepat sama dengan kecepatan fluks-keluar, dan tidak dapat terjadi perubahan energi-dalam. Aliran panas dalam suatu sistem takstedi terjadi bila suhu diberbagai titik dari sistem tersebut berubah dengan waktu. Dengan adanya perubahan suhu, maka akan terjadi perubahan energi dalam

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

Perubahan kandungan panas dari sebuah permukaan tanah antara permukaan Z1 = 0 dan beberapa kedalaman Z2 diberikan oleh : ∂q h ∆z ………............ (1) AS = -(qh2 – qh1) ≈ ∂z Dimana qh positif ke arah bawah (Gambar 1 Aliran fluks panas pada lapisan tanah) (Sisip Gbr.1) Kerapatan fluks panas tanah positif arah bawah ketika ΔS = - (qh2 - qh1) positif, maka lebih banyak panas yang masuk di bagian atas daripada yang meninggalkan bagian bawah lapisan tanah sehingga tanah menjadi panas. Jika ΔS = - (qh2 - qh1) negatif, maka lebih banyak panas yang keluar daripada yang masuk ke permukaan sehingga tanah menjadi dingin. Teori transfer panas dalam tanah telah digunakan untuk menentukan sifat-sifat termal ratarata dari regim suhu yang diamati, juga untuk pendugaan perubahan harian dan musiman suhu tanah. di alam, tanah yang homogen hanya terdapat pada lapisan-lapisan yang tipis, sehingga suhu tanah umumnya bukanlah fungsi sinus sederhana. Dengan kenyataan ini maka ekspansi ke fungsi fourier memegang peranan yang penting. Dengan ekspansi fungsi fourier perubahan suhu di permukaan (Z=0) sebagai kondisi batas dinyatakan dengan

Untuk tanah yang homogen, difusivitas termal dapat diduga dengan teknik beda berhingga dengan pemecahannya sebagai berikut :

persamaan, T (0,t) = T +

N −1 2

∑(a

n

Cos nωt + bn Sin nωt ) …...(2)

n =0

Dimana

N −1

2 an = N

∑ f (t ) Cos nωt

2 N

∑ f (t ) Sin nωt

bn =

t =0 N −1 t =0

Untuk menduga difusivitas termal pada medium tanah dapat digunakan beberapa metode pendugaan diantaranya metode amplitudo langsung 1 (MAL 1), metode amplitudo langsung 2 (MAL 2), metode langsung dan metode analisis numerik. Dalam banyak situasi praktis dihadapi syarat-syarat atau kondisi batas dan geometri sedemikian rupa sehingga penyelesaian analitis untuk itu tidak bisa sama sekali dilakukan atau apabila penyelesaian analitis dapat dikembangkan, hal itu sangat kompleks, sehingga evaluasi dengan angka-angka menjadi rumit. Untuk situasi yang demikian, pendekatan yang paling baik ialah yang didasarkan atas teknik beda berhingga (finite-difference technique).

DT =

Tt (i +t ) − Tt i Tz (i +1) + Tz (i −1) − 2Tz i

2

 ( Z ( i +1) − Z i ) 2    … (3) t 2 − t1  

METODE PENELITIAN

a. Penelitian dilakukan di lapangan berumput dan dilakukan pada pagi hari hingga sore hari (pukul 06.00 - 18.00 WITA) selama 7 hari. Lokasi yang dipilih ini merupakan dataran pada altitude ± 734 m dpl. b. Metode penelitian adalah metode eksperimen c. Peralatan yang digunakan : 1. Termometer (12 buah) 2. Stop watch (1 buah) 3. Meteran/mistar (2 buah) 4. Altimeter (1 buah) 5. Dinding adiabatik (2 buah) 6. Tali d. Prosedur penelitian 1. Lokasi yang dipilih diberi pembatas tali dengan ukuran ± 2 x 4 m2 yang dibagi dua bagian (bidang) dengan ukuran masingmasing 2 x 2 m2 2. Salah satu bidang dibersihkan dengan mencabut vegetasi/rumput yang menutupinya secara hati-hati. Bidang tersebut dibiarkan selama ±1 minggu (untuk menjamin bahwa bidang benar-benar tidak bervegetasi). Pengamatan dapat dilaksanakan bila bidang ini sudah tidak bervegetasi. 3. Persiapan pengukuran yakni menentukan titik-titik pengamatan dan menempatkan termometer pada kedalaman (Z) yang telah ditentukan yaitu Z0=0 cm, Z1=5 cm, Z2=10 cm, Z3=15 cm, Z4=20 cm, Z5=25 cm. (Titik-titik pengamatan pada Gambar 2). (Sisip Gbr. 2) 4. Melaksanakan pengamatan secara serempak di setiap titik setiap interval 30 menit. e. Variabel yang diamati yaitu suhu tanah pada 6 kedalaman dan pada tanah bervegetasi dan tanah tidak bervegetasi f. Prosedur analisis data

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

1. Menghitung suhu rata-rata menurut kedalaman 2. Suhu tanah terhadap waktu dianalisis dengan analisis fourier sebagai berikut:

T (t) = T +

N −1 2

∑(a

Cos jωt + b j Sin jωt ) …… (4)

j

n =1

Dimana t = 0, 1, 2,..., N-1 Dengan aj =

2 N

N −1

∑ f (t ) Cos

Dimana j = 1, 2, 3, ..., bj =

2 N

jωt

t =0

N −1

∑ f (t ) Sin

N −1 2 jωt

t =0

dimana j = 1, 2, 3, ...,

N −1 2

Pentingnya harmonik ke-j ditentukan ber-dasarkan persentasi sumbangan keragaman total dari Cj 2 hubungan : SKj = 2S 2 2 2 Dengan Cj = aj + bj2 dan S2 adalah varians data. 3. Menentukan difusivitas dengan metode analisis numerik pemecahannya sebagai berikut: DT =

Tt (i +1) − Tt i Tz (i +1) + Tz (i −1) − 2Tz i

termal dengan

 ( Z ( i +1) − Z i ) 2    t 2 − t1  

Untuk melakukan penghitungan difusivitas termal, suhu yang diolah adalah suhu rata-rata tiap 30 menit dari tiga kedalaman dengan mengambil z = 5 cm (berdasarkan interval kedalaman tanah). 4. Menguji perbedaan suhu tanah menurut kondisi tutupan dan menurut kedalaman dengan menggunakan anava dua arah. 5. Menguji perbedaan difusivitas termal untuk kondisi tutupan yang berbeda dilakukan dengan cara uji kesamaan dua rata-rata (uji dua pihak), terlihat pada Tabel 1. (Sisip Tabel 1)

3

HASIL DAN PEMBAHASAN

a. Hasil

perhitungan suhu rata-rata menurut kedalaman. Gambaran data ini menunjukkan bahwa suhu lapisan tanah bagian atas cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan suhu pada lapisan bagian bawah. b. Hasil analisis fourier suhu tanah terhadap waktu menurut kedalaman (Gambar 3). (Sisip Gbr.3, ada 2 grafik) Hasil analisis memperlihatkan bahwa semua deret data statistik dapat diwakili hanya oleh harmonik pertama karena harmonik ini sudah mampu menjelaskan keragaman data lebih besar dari 75 % yaitu masing-masing 79,5 %, 78,8 %, 79,5 %, 86,1 %,81,7 %, 78,3 % untuk tanah bervegetasi dan 84,5 %, 77,9 %, 79,1 %, 79,3 %, 76,7 % dan 75,9 % untuk tanah tidak bervegetasi. Dengan demikian dapat ditarik kesimpulan bahwa suhu tanah tidak bervegetasi lebih tinggi dibandingkan dengan tanah bervegetasi. Jika diamati tiap lapisan, fluktuasi suhu pada permukaan lebih besar. Semakin jauh dari permukaan fluktuasinya akan semakin kecil. Hal ini berkaitan dengan input energi yang diterima dan proses transfer panas dalam tanah, dimana permukaan tanah yang lebih dulu menerima energi panas kemudian energi itu ditransfer ke lapisan selanjutnya. Proses ini mengakibatkan suhu maksimum pada lapisan yang lebih dalam tercapai beberapa saat kemudian. c. Hasil perhitungan difusivitas termal pada dua kondisi tutupan berbeda dengan menggunakan metode analisis numerik (pada Tabel 2 disajikan nilai rata-rata difusivitas termal harian). (Sisip Tabel 2) d. Hasil uji dengan Anova dua arah. Hasil data yang diperoleh dijumlahkan berdasarkan kedalamannya masing-masing sehingga diperoleh total datanya. Dengan mengambil taraf nyata α = 0,05, hasil analisis ragam (Tabel 3) (SisipTabel 3) menunjukkan bahwa: 1. Terdapat perbedaan yang signifikan pada suhu tanah bervegetasi dan tanah tidak bervegetasi (dinyatakan pada arah kolom). Faktor-faktor yang mempengaruhi suhu tanah antara lain garis lintang, musim, radiasi netto pada permukaan, tekstur tanah, kadar uap lembab, tutupan tanah. Dengan demikian pada kasus ini faktor dominan

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

yang mempengaruhi suhu tanah adalah faktor tutupan. 2. Terdapat perbedaan yang signifikan pada suhu lapisan bagian atas dengan suhu pada lapisan bagian bawah dengan karakteristik tutupan yang berbeda (dinyatakan pada arah baris). Hasil analisis sebelumnya diperoleh gambaran bahwa fluktuasi suhu tanah akan tinggi pada permukaan dan akan semakin kecil dengan bertambahnya kedalaman. Tanah adalah medium yang dapat menampung panas. Selama proses perambatan panas dari lapisan atas ke lapisan bawah, sebagian panas yang diterima oleh tanah tidak akan diteruskan tetapi akan ditahan oleh tanah tersebut. Pada fenomena ini, peran kedalaman peredam (damping depth) menentukan laju transfer panas di samping faktor karakteristik fisik tanah yang lain. 3. Untuk pengujian kombinasi (interaksi) diperoleh perbedaan suhu tanah yang signifikan untuk kondisi bervegetasi dan tidak bervegetasi pada tiap kedalaman. e. Hasil uji dengan analisis numerik. Data difusivitas termal yang diperoleh diuji dengan menggunakan uji kesamaan dua ratarata (uji dua pihak). Hasil menunjukkan bahwa terdapat perbedaan yang signifikan difusivitas termal pada tanah yang bervegetasi dan tanah tidak bervegetasi pada lapisan Z(4-6) sedangkan pada lapisan Z(1-3) tidak memperlihatkan perbedaan signifikan. Tanah bervegetasi memiliki kondisi yang lebih lembab dibandingkan dengan tanah tidak bervegetasi atau dengan pemahaman yang sama bahwa kadar air pada tanah bervegetasi lebih besar di bandingkan dengan tidak bervegetasi. Diketahui pula bahwa nilai difusivitas termal akan rendah ketika kondisi tanahnya adalah kering. Pada lapisan Z(4-6) nilai difusivitas termal untuk tanah bervegetasi lebih besar daripada tanah tidak bervegetasi tetapi untuk lapisan Z(1-3) relatif homogen. Tanah bervegetasi pada lapisan ini memiliki aktivitas penguapan yang tinggi sehingga diduga bahwa karakteristik fisik tanah pada lapisan ini untuk dua kondisi yang berbeda relatif homogen. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan 1. Suhu tanah pada dua kondisi yang berbeda senantiasa berfluktuasi, baik menurut waktu maupun menurut kedalaman. Tutupan

ISSN : 1412 - 1328

4

tanah dan intensitas radiasi matahari sepanjang hari merupakan faktor yang menentukan dinamika suhu tanah sehingga implikasinya terdapat perbedaan suhu yang signifikan pada kondisi yang berbeda dan menurut kedalaman. 2. Hasil uji kesamaan dua rata-rata menunjukkan bahwa terdapat perbedaan difusivitas termal pada lapisan Z(4-6) sedangkan pada lapisan di atasnya Z(1-3) tidak memperlihatkan perbedaan. Diduga bahwa karakteristik fisik tanah pada lapisan bagian atas untuk dua kondisi tanah yang berbeda adalah relatif homogen. B. Saran-saran 1. Pada penelitian yang menyangkut suhu tanah, akan sangat baik ketika memperhitungkan sifat-sifat fisik tanah antara lain kadar air, kapasitas panas spesifik dan kepadatan tanah pada lokasi penelitian (data penunjang). 2. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, perlu dibandingkan suhu tanah pada siang hari dan pada malam hari, atau penelitian diadakan pada tanah yang bervegetasi dengan kondisi tutupan yang berbeda atau pada lahan pertanian. 3. Agar diperoleh data yang lebih baik maka waktu pengamatan sebaiknya dilakukan dalam selang waktu yang lebih kecil misalnya selang waktu 5 menit. 4. Untuk menghindari berbagai kesalahan dalam pembacaan skala suhu pada termometer maka sebaiknya digunakan termometer digital. DAFTAR PUSTAKA Fuhrer, O. 2000. Inverse Heat Conduction In Soil, ETH Zurich, Dept. Physics. http://www.ezksun2.unizh.ch/staff/homepages /fuhrer /dipl/diplomarbeit.htm. Hillel. D. 1998. Introduction to Soil Physics. Terjemahan. Robiyanto Hendro Susanto dan Rahmad Hari Purnomo. Mitra gama widya . Holman. J. P. 1994. Heat Transfer . Sixth Edition. Terjemahan. E. Jasjfi. Erlangga. Lakitan, B. 1994. Rajawali Press.

Dasar-dasar Klimatologi.

Monteith, J.L., and Unsworth, M. H. 1990. Principles of Environmental Physics. Second Edition. Edward Arnold. London.

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

Palilingan, R. N. 2003. Fisika Lingkungan. Media Pustaka.

Walpole, R. E. 1995. Pengantar Statistika. Edisi ke-3. PT Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

5

DAFTAR TABEL Tabel 1. Pengisian nilai difusivitas termal harian pada dua kondisi tutupan berbeda Permukaan tidak DTi Permukaan bervegetasi bervegetasi 1 DT b1 DT b1’ 2 DT b2 DT b2’ 3 DT b3 DT b3’ 4 DT b4 DT b4’ 5 DT b5 DT b5’ 6 DT b6 DT b6’ Nilai DT (difusivitas termal) dihitung dengan menggunakan metode analisis numerik Tabel 2. Hasil perataa-rataan difusivitas termal harian a. Pada lapisan Z(1-3) Nilai Difusivitas Termal (Cm2s-1) Waktu Tanah Tanah Tidak (Hari) Bervegetasi Bervegetasi 1 0,00560 0,00456 2 0,00967 0,00480 3 0,00534 0,00529 4 0,01033 0,01015 5 0,00879 0,01137 6 0,00664 0,00951 7 0,00556 0,00888 Jumlah 0,05192 0,05457 Rata-rata 0,00742 0,00780

b. Pada lapisan Z(4-6) Nilai Difusivitas Termal (Cm2s-1) Waktu Tanah Tanah Tidak (Hari) Bervegetasi Bervegetasi 1 0,00989 0,00246 2 0,00520 0,00203 3 0,00415 0,00156 4 0,00949 0,00462 5 0,00619 0,00360 6 0,01334 0,00137 7 0,00812 0,00144 Jumlah 0,05639 0,01708 Rata-rata 0,00806 0,00244

Catatan: Lapisan Z(1-3) = Lapisan pada kedalaman 0 Cm, 5 Cm dan 10 Cm. Lapisan Z(4-6) = Lapisan pada kedalaman 15 Cm, 20 Cm dan 25 Cm Tabel 3. Hasil analisis ragam bagi Anova dua arah dengan interaksi Sumber Jumlah Derajat Kuadrat f hitung Keragaman Kuadrat Bebas Tengah

f tabel 5% 1%

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

6

Nilai Tengah Baris

613,62

5

122,724

208,01

2,35

3,29

Nilai Tengah Kolom

35,36

1

35,36

59,9

3,96

7,01

5

22,34

37,86

2,35

3,29

72 83

0,59

Interaksi

111,7

Galat Total

42,68 803,36

DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Aliran Fluks panas dalam lapisan tanah qh1

qh1 = qh2 + Δz Δz

qh2 Gambar 2. Titik-titik pengamatan pada tanah bervegetasi dan tidak bervegetasi

Z1 = 5 cm Z3 = 15 cm Z5 = 25 cm

Z1 = 5 Cm Z3 = 15 Cm Z5 = 25 Cm

Z0 = 0 Cm Z2 = 10 Cm Z4 = 20 Cm

Z0 = 0 Cm Z2 = 10 Cm Z4 = 20 Cm

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

7

Gambar 3. Penggambaran pola perubahan suhu tanah terhadap waktu menurut kedalaman pada tanah bervegetasi dan tidak bervegetasi Grafik Fungsi Fourier Suhu Tanah Bervegetasi Tiap Kedalaman 36 35 34 33 32 31

Suhu Tanah (0C)

30 29 28 27 26 Gra fik Fungsi Fourie r S uhu Ta na h Tida k Be rve ge ta si 25 Tia p Ke da la m a n 24

46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19

23 22 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Waktu Pengamatan Waktu Per 30 Menit Z=0 Cm

Z=5 Cm

Z=10 Cm

Z=15 Cm

Z=20 Cm

Suhu Tanah (0C)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 21 3 1 4 15 16 1 7 18 1 9 20 21 2 2 23 24 W a ktu Pe nga m a ta n W a ktu Pe r 3 0 M enit Z =0 Cm

Z =5 Cm

Z =10 Cm

Z =15 Cm

Z =20 Cm

Z =25 Cm

Z=25 Cm

Natural, Oktober 2006. Vol 5. No.2

ISSN : 1412 - 1328

8