BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Analisis termal  dapat didefinisikan sebagai pengukuran sifat-sifat suatu

materi sebagai fungsi terhadap temperatur. Dalam prakteknya, istilah analisis

termal digunakan hanya untuk menutupi sifat-sifat spesifik tertentu.  Sifat-sifat

tersebut antara lain entalpi, kapasitas panas, massa, dan koefisien ekspansi termal.

Pengukuran koefisien ekspansi termal logam adalah contoh sederhana dari analisis

termal. Contoh lain adalah pengukuran perubahan massa dari oksida garam atau

garam terhidrat saat garam-garam tersebut terurai karena panas. Dengan peralatan

modern, materi dalam skala yang luas dapat dipelajari.

Apabila material dipanaskan dengan laju pemanasan tetap, terjadi perubahan

kimia, seperti oksidasi dan degradasi, dan atau perubahan fisika, seperti transisi

gelas pada polimer, konversi/inversi pada keramik dan perubahan fase pada

logam. Analisis termal digunakan sebagai pelengkap analisis difraksi sinar-X.

Mikroskopi optik dan elektron digunakan untuk pengembangan material baru dan

untuk pengendalian produksi, kadang-kadang digunakan untuk menetapkan

perubahan temperatur dan energi berkaitan dengan perubahan struktural; pada

kesempatan lain digunakan secara kualitatif untuk menetapkan jejak ”sidik jari”

karakteristik material tertentu.

Berbagai teknik analisis termal digunakan untuk mengukur satu atau lebih

sifat fisik dari sampel sebagai fungsi temperatur. Salah satunya adalah DTA yang

mengukur perubahan aliran energi. Pada metode tersebut dapat dilakukan

pemanasan dan pendinginan tepogram, akan tetapi pada umumnya operasi

dilakukan degan menaikkan temperatur secara perlahan-lahan. Ruang sampel

dapat mengandung udara, oksigen, nitrogen, argon dan lain-lain atau vakum.

Sampel dalam jumlah beberapa puluh miligram cukup memadai.

Dalam bidang metalurgi dan ilmu material kegunaan dari DTA ini adalah

untuk mempelajari transisi fasa yang terjadi dibawah pengaruh atmosfer,

temperatur, laju pemanasan atau pendinginan.

1

B. Tujuan Penulisan

Tujuan ditulisnya makalah ini selain untuk memenuhi tugas mata kuliah

Kimia Anorganik III adalah untuk:

(1) memberikan pengenalan terhadap instrumen analisis termal DTA;

(2) memberikan gambaran fisik instrumen DTA;

(3) menjelaskan cara mengoperasikan instrumen DTA; dan

(4) memberikan informasi mengenai pengolahan data DTA.

2

BAB II

PEMBAHASAN

A. Pengenalan DTA

Salah satu teknik yang digunakan dalam analisis termal yakni analisis

termal diferensial (DTA) yang mengukur perbedaan temperatur, ΔT, antara

sampel dan material pembanding yang inert sebagai fungsi waktu; untuk itu DTA

digunakan untuk mendeteksi  perubahan panas. Material referensi (referent inert)

yang biasa digunakan adalah almina (Al2O3). Hal ini dikarenakan termogram

alumina menunjukkan konstan sampai suhu 1000an oC, berarti alumina tidak

mengalami perubahan sampai suhu tersebut. Sementara material sampel

merupakan bahan yang akan diuji secara termal. Temperatur sampel  dan blanko

harus sama hingga terjadi suatu kondisi termal, seperti peleburan, dekomposisi,

atau perubahan dalam struktur kristal, yang terjadi dalam sampel, dimana dalam

kasus ini dapat terjadi perubahan yang sifatnya eksotermik (suhu sampel berada di

atas referen) atau pun endotermik (suhu sampel berada di bawah referen)

Perbedaan temperatur dapat juga timbul di antara dua sampel yang inert

ketika respon keduanya terhadap pemanasan tidaklah sama. Sehingga dengan

demikian, DTA dapat digunakan untuk mempelajari sifat-sifat termal dan

perubahan fase  yang tidak menjurus pada suatu perubahan di dalam entalpi. Garis

dasar (base line) pada kurva DTA memperlihatkan proses yang terputus

(diskontinu) pada saat terjadinya transisi temperatur dan slope pada kurva tersebut

pada beberapa titik akan bergantung pada konstitusi mikrostruktural pada

temperatur tersebut.

Kurva DTA dapat digunakan untuk tujuan identifikasi, sebagai contoh, pada

penelitian terhadap lempung dimana kesamaan stuktur dari pandangan wujud

difraksi yang berbeda sulit untuk diinterpretasikan. Daerah di bawah puncak

(peak) DTA dapat dirujuk pada suatu perubahan entalpi dan ini tidaklah

dipengaruhi oleh kapasitas panas dari sampel.

Instrumen DTA komersial  tersedia dengan skala temperatur -190 sampai

1600ºC. Ukuran sampel biasanya kecil, beberapa miligram, karena akan  lebih

sedikit masalah dengan gradien termal dalam sampel yang mungkin akan

3

mengurangi sensitivitas dan akurasi. Rangkaian DTA biasanya didesign dengan

sensitivitas maksimum  untuk perubahan termal, tapi rangkaian ini seringkali

kehilangan respon dari kalorimeter. Jika data kalorimetri dibutuhkan, biasanya

akan lebih baik  dan lebih mudah untuk menggunakan Pembacaan Diferensial

Kalorimetri (DSC). 

B. Deskripsi Fisik (Gambar) DTA

Gambar 1. Alat DTA

Beberapa fitur kunci dari suatu analisis termal diferensial adalah sebagai

berikut:

a. Wadah cuplikan yang di dalamnya terdapat termokopel, kontainer

sampel  dan blok logam atau blok keramik

b. Tanur

c.  Pengatur suhu

d.  Sistem pencatat (recorder)

Manfaat atau kegunaan utama dari tanur yaitu menyediakan kondisi atau

daerah panas yang stabil dan besar dan harus mampu menanggapi dengan cepat

terhadap perubahan dari pengatur suhu (temperature programmer). Pengaturan

suhu sangatlah penting untuk memperoleh laju pemanasan yang konstan. Sistim

perekaman harus mempunyai suatu inersia yang rendah untuk tetap tanggap

4

terhadap variasi reproduksi di dalam percobaan (eksperimen) yang bersifat

membangun.                             

Wadah cuplikan terdiri dari beberapa thermokopel, masing-masing untuk

sampel yang dianalisis dan untuk pembanding, yang dikelilingi oleh suatu blok

untuk memastikan proses distribusi panas. Sampel diletakkan pada cawan

peleburan yang kecil dengan satu lekukan yang dirancang pada bagian alasnya

untuk memastikan peletakan yang pas dan nyaman di atas bead termokopel.

Cawan peleburan itu bisa dibuat dari bahan-bahan seperti Pyrex, silika, nikel atau

platinum, tergantung pada suhu dan sifat alami dari test/uji yang dilibatkan.

Penempatan termokopel-termokopel tersebut harusnya tidak boleh berkontakkan

langsung dengan sampel untuk menghindari kontaminasi dan degradasi sampel,

meskipun sensitivitas dalam hal ini bisa dikompromi.

Blok-blok logam bersifat sedikit lebih cenderung akan mengapung pada

base-line (garis dasar) jika dibandingkan dengan keramik yang memiliki porositas

tertentu. Sebaliknya, konduktivitas termalnya yang tinggi memberikan puncak

(peak) yang lebih kecil.

Selama percobaan-percobaan pada range temperatur 200 sampai 500oC,

permasalahan yang ditemui yakni di dalam mentransfer panas yang bersesuaian

dari benda uji. Ini bisa diatasi dengan menggunakan thermokopel-thermokopel

berbentuk cakram datar (flat discs) untuk memastikan kontak optimum dengan

alas datar dari kontainer sampel  yang dibuat dari aluminium atau platinum foil.

Untuk memastikan reproduksibilitas, yang perlu dipastikan kemudian yaitu

termokopel dan kontainer sampel secara konsisten ditempatkan dengan tanggapan

satu sama lain.

DTA bekerja dengan software Proteus® pada MS windows®. Software

Proteus® memiliki segala yang  dibutuhkan  untuk membuat pengukuran dan

menghitung data hasil. Melalui kombinasi menus yang mudah dipahami dan

rutinitas otomatis, suatu alat diciptakan, yaitu yang sangat mudah digunakan, dan

pada saat yang sama memungkinkan analisis yang canggih. Software Proteus®

dilisensikan dengan instrument dan tentu saja dapat diinstal pada sistem komputer

lain.

5

Pengontrol aliran gas untuk satu gas tersedia untuk aliran gas yang dapat

dihasilkan berulangkali. Ukuran yang luas dari wadah (dapat terbuat dari

aluminium, platinum, alumina, dll) tersedia untuk material dan aplikasi yang

paling mungkin. Rangkaian lengkap dari standar untuk wadah sampel metal

(logam) dan keramik tersedia untuk kalibrasi temperatur dan nilai entalpi. 

C. Prinsip Kerja DTA

Prinsip kerja DTA yaitu apabila temperatur sampel dan material diferen

dipanaskan pada temperatur konstan maka material diferen akan mengalami

kenaikan suhu sesuai dengan kenaikan suhu yang mengenainya, sementara itu

pada sampel akan terjadi kenaikan suhu atau penurunan suhu pada batas tertentu

sesuai dengan peristiwa yang terjadi pada sampel. Jika perubahan pada sampel

telah sempurna maka temperatur sampel akan konstan kembali, seiring dengan

material diferennya.

Ketika peristiwa yang terjadi adalah eksotermal, maka panas akan

dilepaskan oleh sampel sehingga dalam sampel akan terjadi kenaikan temperatur

yang ditandai dengan dengan satu puncak maksimum pada kurva DTA. Sedang

apabila perubahan terjadi pada sampel adalah proses endotermal maka akan

terjadi penyerapan panas oleh sampel yang ditandai dengan penurunan temperatur

dari sampel sehingga kurva DTA yang diperoleh adalah sebagai puncak

minimum.

Alat-alat yang digunakan dari DTA adalah sebagai berikut :

a. Sample holder beserta thermocouples, sample containers dan blok

keramik atau logam. Yang banyak digunakan adalah Al2O3

b. Furnace (tanur): furnace yang digunakan harus stabil pada zona panas

yang besar dan harus mampu merespon perintah dengan cepat dari

temperatur programmer

c. Temperature programmer: penting untuk menjaga laju pemanasan agar

tetap konstan

d. Sistem perekaman (recording)

6

Sample holder terdiri dari thermocouple yang masing-masing terdapat pada

material sampel dan reference. Thermocouple ini dikelilingi oleh sebuah blok

untuk memastikan tidak ada kebocoran panas. Sampel ditaruh di kubikel kecil

dimana bagian bawahnya dipasangkan thermocouple. Thermocouple diletakkan

langsung berkontakan dengan sampel dan material referensi. Gambar 2

menunjukkan skematis dari DTA yang digunakan untuk mengkarakterisasi

sampel.

Gambar 2. Gambar skematis sel DTA

Blok logam cenderung lebih bagus dibandingkan dengan keramik, karena

keramik mengandung banyak porositas. Namun di lain hal, konduktivitas thermal

mereka terlalu tinggi sehingga peaks yang ditimbulkan oleh kurva DTA lebih

rendah.

Pemasangan sampel diisolasi dari pengaruh listrik dapur dengan semacam

pembungkus yang biasanya terbuat dari platinum-coated ceramic material. Selama

eksperimen temperatur yang digunakan sampai 1500°C dengan laju pemanasan

dan pendinginan 50 K/menit. Dalam sumber yang berbeda di sebutkan bahwa

DTA dapat mencapai rentang temperatur dari -150-2400°C. Dapur crucible dibuat

7

dari tungsten atau grafit. Sangat penting untuk menggunakan atmosfer inert untuk

mencegah degradasi dari dapur crucible.

Tahap kerja DTA adalah sebagai berikut :

1. Memanaskan heating block

2. Ukuran sampel dengan ukuran material referensi sedapat mungkin identik

dan dipasangkan pada sampel holder

3. Thermocouple harus ditempatkan berkontakan secara langsung dengan

sampel dan material referensi

4. Temperatur di heating block akan meningkat, diikuti dengan peningkatan

temperatur sampel dan material referensi

5. Apabila pada thermocouple tidak terdeteksi perbedaan temperatur antara

sampel dan material referensi, maka tidak terjadi perubahan fisika dan

kimia pada sampel. Apabila ada perubahan fisika dan kimia, maka akan

terdeteksi adanya ΔT.

D. Penanganan Data DTA

Kurva DTA secara garis besar adalah kurva perbedaan temperatur antara

material sampel dengan material referensi. Kurva DTA dapat digunakan

sebagai finger print untuk tujuan identifikasi. Area dibawah peak kurva DTA

dapat diidentifikasi sebagai perubahan entalpi dan tidak dipengaruhi oleh

kapasitas panas sampel. Pada Gambar 2 ditunjukkan contoh kurva DTA dari perak

murni.

Gambar 3. Kurva DTA perak murni

8

DTA banyak digunakan untuk mengkarakterisasi sampel yang terbuat dari

clay atau material karbonat. Keterbatasan dari DTA ini adalah sensitivitasnya

yang cukup rendah. Seperti contoh pada Gambar 4, peak kurva DTA dari mineral

limonite yang ditunjukkan hanya satu, hal ini diakibatkan oleh kecilnya kuantitas

panas yang dikeluarkan sehingga sulit untuk dideteksi.

Gambar 4. Kurva pemanasan DTA pada mineral limonite

Meskipun begitu, kurva DTA dapat merekam transformasi apakah panas

didalam chamber itu diserap atau dikeluarkan. DTA sangat membantu untuk

memahami hasil dari XRD, analisis kimia dan mikroskopi. Keuntungan dari DTA

adalah :

a. dapat menentukan kondisi eksperimental sampel (baik dengan tekanan

tinggi atau vakum)

b. instrument dapat digunakan dalam temperatur tinggi

c. karakteristik transisi dan reaksi pada temperatur tertentu dapat dideteksi

dengan baik

DTA juga dapat digunakan untuk menghitung ukuran kuantitatif seperti

pengukuran entalpi. DTA dapat mendeteksi perubahan yang instan pada massa

sampel. Karena DTA mengijinkan sampel mengalami kehilangan berat saat

pengukuran, DTA sangat berguna untuk material dengan dekomposisi yang cukup

9

intensif seperti elastomer, material eksotermik, dll. Berikut faktor-faktor yang

mempengaruhi hasil pengujian DTA :

a. Berat sampel

b. Ukuran partikel

c. Laju pemanasan

d. Kondisi atmosfir

e. Kondisi material itu sendiri

Jadi dapat didefinisikan kalau DTA adalah teknik untuk merekap perbedaan

temperatur antara sampel material dengan material referensi terhadap waktu atau

temperatur, dimana kedua spesimen diperlakukan dibawah temperatur yang

identik didalam lingkungan pemanasan atau pendinginan pada laju yang dikontrol.

Plot lainnya yang juga bermanfaat adalah mengikuti perubahan termal pada

pendinginan dan pemanasan. Pada penggunaan keduanya, pemisahan antara

proses-proses reversibel, seperti pelelehan/pemadatan, dan proses-proses

irreversibel, seperti reaksi-reaksi dekomposisi, dimungkinkan. Sekuen skematik

DTA yang mengilustrasikan perubahan reversibel dan irreversibel diperlihatkan

pada Gambar 5. dimulai dengan material terhidrasi, dehidrasi menjadi proses

pertama yang terjadi pada pemanasan dan ditunjukkan oleh suatu endoterm.

Material terdehidrasi mengalami transisi polimorfik, yang juga endoterm, pada

suhu yang lebih tinggi.

10

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan

Berdasarkan uraian-uraian di atas dapat diambil kesmipulan berikut ini:

1. Analisis termal  adalah pengukuran sifat-sifat suatu materi sebagai

fungsi terhadap temperatur.

2. Salah satu teknik yang digunakan dalam analisis termal yakni

analisis termal diferensial (DTA) yang mengukur perbedaan

temperatur, ΔT, antara sampel dan material pembanding yang inert

sebagai fungsi waktu; untuk itu DTA digunakan untuk mendeteksi 

perubahan panas.

3. Beberapa fitur kunci instrument DTA adalah wadah cuplikan yang

di dalamnya terdapat termokopel, kontainer sampel  dan blok

logam atau blok keramik, tanur, pengatur suhu, dan sistem pencatat

(recorder).

4. DTA banyak digunakan untuk mengkarakterisasi sampel yang

terbuat dari clay atau material karbonat. Keterbatasan dari DTA ini

adalah sensitivitasnya yang cukup rendah.

11

DAFTAR PUSTAKA

Berger K.G., Akehurst E.E, 1969. Some Applications of Differential Thermal

Analysis to Oils and Fats. International Journal of Food Science &

Technology.

Currel, 1997. Principles of Thermal Analysis, TGA, DSC, STA, NETZSCH

Instruments. Newyork: Marcel Dekker.

Klancnik Grega, Jozef Medved and Primoz Mrvar, 2009. Differential Thermal

Analysis (DTA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) as A

Method Of Material Investigation. Slovenia

Schilling A. And M. Reibelt, 2007. Low-Temperature Differential-Thermal

Analysis to Measure Variations in Entropy. Zurich.

West A.R., 1984. Solid State Chemistry and Its Application, John Wiley and Sons,

Singapore.

12