Sifat Termal Kristal

SIFAT TERMAL BAHAN

Sejumlah energy bias ditambahkan kedalam material  melalui pemanasan, medan listrik, medan magnit, bahkan gelombang cahaya seperti pada peristwa photo listrik yang telah kita kenal. Tanggapan padatan terhadap macam-macam tambahan energy tersebut tentulah berbeda. Pada penambahan energy melalui pemanasan misalnya, tanggapan padatan termanifestasikan mulai darikenaikan temperature sampai pada emisi thermal tergantung dari besar energi yang masuk.

Pada peristiwa photolistrik tanggapan tersebut termanifestasikan sebagai emisielektron dari permukaan  metal tergantung dari frekuensi cahaya yang kita berikan, yang tidak lain adalah besar energi yang sampai kepermukaan metal.  Dalam mempelajari sifat non-listrik material, kita akan mulai dengan sifat thermal, yaitu tanggapan material terhadap penambahan energy secara thermal (pemanasan). Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal; yang pertama adalah penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom / ion di sekitar posisi keseimbangannya, dan yang kedua berupa energy kinetik yang dikandung oleh electron bebas. Ditinjau secara makroskopis, jika suatu padatan menyerap panas maka energi internal yang ada dalam padatan meningkat yang diindikasikan oleh kenaikan temperaturnya.

Koefisien daya hantar berlainan dengan koefisien muai panas, walaupun keduanya dipengaruhi oleh suhu. Naiknya suhu suatu bahan/material, maka akan mengakibatkan perubahan susunan atom yang mengiringi pencairan dan pengaturan  kembali susunan atom-atom yang diakibatkan perubahan suhu, yang pada akhirnya akan mengganggu daya hantar panas bahan tersebut. Sifat termal merupakan sifat yang menunjukkan respon material terhadap panas yang diterima suatu bahan/material. Untuk mengetahui sifat termal suatu bahan, maka perlu dibefakan antar temperatur/suhu dengan kandungan kalor.

Temperatur / suhu adalah tinggi rendahnya (level ) thermal dari suatu aktivitas, sedangkan kandungan kalor adalah besarnya energi thermal. Suatu benda dapat mengalami muai panas (Thermal Expansion), yaitu pemuaian yang dialami bahan ketika mengalami perlakuan termal.Besarnya pemuaian bahan / material ditentukan oleh jenis benda, ukuran benda mula-mula, dan besarnya kalor yang diberikan. Pemuaian ini dapat mengakibatkan pertambahan panjang (∆l) dan juga pertambahan volume.

Daya hantar panas (Thermal Conductivity) merupakan kemampuansuatu material atau bahan dalam meneruskan panas, yang biasanya terjadi pada benda padat, dan biasanya terjadi secara konduksi. Jadi perubahan energy pada atom-atom dan electron bebas menentukan sifat-sifat thermal padatan. Sifat-sifat thermal yang akan kita bahas adalah kapasitas panas, panas spesifik, konduktivitas panas, koefisien muai linier, dan panas jenis.

1.    KAPASITAS PANAS  

Kapasitas Termal adalah sifat yang  mengindikasikan kemampuan materi untuk menyerap panas. Kapasitas panas (heat capacity) adalah jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur padatan sebesar satu derajat K. Konsep mengenai kapasitas panas dinyatakan dengan dua cara, yaitu

a.      Kapasitas panas pada volume konstan, Cv.

dengan  E  adalah energi internal padatan yaitu total energi yang ada dalam padatan baik dalam bentuk vibrasi atom maupun energi kinetik elektron bebas.

b.      Kapasitas panas pada tekanan konstan, Cp

dengan  H adalah  enthalpi. Pengertian enthalpi dimunculkan dalam thermodinamika karena sesungguhnya adalah amat sulit meningkatkan kandungan energi internal pada tekanan konstan. Jika kita masukkan energi panas ke sepotong logam, sesungguhnya energi yang kita masukkan tidak hanya meningkatkan energi internal melainkan juga untuk melakukan  kerja pada waktu pemuaian terjadi. Pemuaian adalah perubahan volume, dan pada waktu volume berubah dibutuhkan energi sebesar perubahan volume kali tekanan udara luar dan energi yang diperlukan ini diambil dari energi yang kita masukkan. Oleh karena itu didefinisikan enthalpi guna mempermudah analisis, yaitu :

H=E+PV

dengan  P  adalah tekanan dan  V  adalah volume. 

Karena pada tekanan konstan

Jika perubahan volume juga bisa diabaikan maka kapasitas panas pada tekanan konstan dapat dianggap sama dengan kapasitas panas pada volume konstan.

2.    PANAS SPESIFIK

Panas spesifik  (specific heat)  adalah kapasitas panas per satuan massa per derajat K, yang juga sering dinyatakan sebagai kapasitas panas per mole per derajat K. Untuk membedakan dengan kapasitas panas yang ditulis dengan huruf besar (C_v dan  C_p), maka panas spesifik dituliskan dengan huruf kecil (c_v dan c_p).

Perhitungan Klasik

Menurut hukum Dulong-Petit (1820), panas spesifik padatan unsur adalah hampir sama untuk semua unsur, yaitu sekitar 6 cal/mole K. Boltzmann kemudian menunjukkan bahwa angka yang dihasilkan oleh Dulong Petit dapat ditelusuri melalui pandangan bahwa energi dalam padatan tersimpan dalam atom-atomnya yang bervibrasi. Energi atom-atom ini diturunkan dari teori kinetik gas.  Dalam teori kinetik gas, molekul gas ideal memiliki tiga derajat kebebasan dengan energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan adalah  sehingga energi kinetik rata-rata dalam tiga dimensi adalah. Energi per mol adalah, ( N, bilangan Avogadro) yang merupakan energi internal gas ideal.

Dalam padatan, atom-atom saling terikat sehingga selain energi kinetik terdapat pula energi potensial sehingga energi rata-rata per derajat kebebasan bukan  melainkan. Energi per mole padatan menjadipanas spesifik pada volume konstan

Angka inilah yang diperoleh oleh Dulong‑Petit. Pada umumnya hukum Dulong‑Petit cukup  teliti  untuk  temperatur  di  atas  temperatur    kamar.  Namun  beberapa  unsur memiliki  panas  spesifik  pada  temperatur  kamar  yang  lebih  rendah  dari  angka Dulong‑Petit,  misalnya B, Be, C, Si.  Pada  temperatur  yang  sangat  rendah  panas spesifik semua unsur menuju nol. 

·      Perhitungan  Einstein

Einstein  memecahkan  masalah  panas  spesifik  dengan menerapkan  teori  kuantum.  Ia  menganggap  padatan  terdiri  dari  N  atom,  yang masing‑masing  bervibrasi  (osilator)  secara  bebas  pada  arah  tiga  dimensi,  dengan frekuensi f_E. Mengikuti hipotesa Planck tentang terkuantisasinya energi, energi tiap osilator adalah

 

dengan  n  adalah  bilangan  kuantum,  n  =  0,  1,  2,....Jika  jumlah  osilator  tiap  status energi  adalah  E_n dan E₀ adalah jumlah  asilator  pada  status  0,  maka  sesuai  dengan fungsi Boltzmann

Dengan N atom yang masing-masing merupakan osilator bebas yang berosilasi tiga dimensi, kita dapatkan total energi internal.

Frekuensi  f_E,  yang  kemudian  disebut  frekuensi  Einstein,  ditentukan  dengan  cara mencocokkan  kurva  dengan  data‑data  eksperimental.  Hasil  yang  diperoleh  adalah bahwa pada temperatur rendah kurva Einstein menuju nol jauh lebih cepat dari data eksperimen. 

·      Perhitungan Debye

Penyimpangan  ini,  menurut  Debye,  disebabkan  oleh  asumsi yang  diambil  Einstein  bahwa  atom‑atom  bervibrasi  secara  bebas  dengan  frekuensi sama, f_E. Analisis yang perlu dilakukan adalah menentukan spektrum frekuensi g(f) dimana  g(f)df didefinisikan  sebagai jumlah  frekuensi  yang  diizinkan  yang  terletak antara  f  dan  (f +  df)  (yang  berarti  jumlah  osilator  yang  memiliki  frekuensi  antara  f dan  f +  df ).  Debye  melakukan  penyederhanaan  perhitungan  dengan  menganggap padatan sebagai medium  merata yang bervibrasi dan mengambil hipotesa spektrum gelombang berdiri sepanjang kristal sebagai pendekatan pada vibrasi atom sebagai spectrum-gelombang-berdiri sepanjang kristal

 

Dengan c_s kecepatan rambat suara dalam padatan.

Debye  juga  memberi  postulat  frekuensi  osilasi  maksimum,  f_D,  karena  jumlah keseluruhan frekuensi yang diizinkan tidak akan melebihi 3N (N adalah jumlah atom yang  bervibrasi  tiga  dimensi).  Panjang  gelombang  minimum  adalah tidak  lebih  kecil  dari  jarak  antar  atom  dalam  kristal.  Dengan  mengintegrasi  g(f)df kali energi rata‑rata ia memperoleh energi internal untuk satu mole volume kristal.

·      Phonon

Dalam analisisnya, Debye memandang padatan sebagai kumpulan phonon karena  perambatan  suara  dalam  padatan  merupakan  gejala  gelombang  elastis. Spektrum  frekuensi  Debye  yang  dinyatakan  pada  persamaan sering  disebut spektrum  phonon.  Phonon  adalah  kuantum  energi  elastik  analog  dengan  photon yang merupakan kuantum energi elektromagnetik.

·      Kontribusi Elektron

Hanya elektron di sekitar energi Fermi yang terpengaruh oleh kenaikan temperatur dan elektron‑elektron inilah yang bisa berkontribusi pada panas spesifik.  Pada  temperatur  tinggi,  elektron  menerima  energi  thermal  sekitar  kBT dan berpindah pada tingkat energi yang lebih tinggi jika tingkat energi yang lebih tinggi kosong.  Energi  elektron  pada  tingkat  Fermi,  E_F,  rata‑rata  mengalami  kenaikan energi  menjadi E_f + k_BT  yang  kemungkinan  besar  akan  berhenti  pada  posisi tingkat energi yang lebih rendah dari itu.

Debye mengusulkan teori modifikasi dari panas spesifik dari padatan dengan asumsi sebagai berikut;

-        Solid adalah sebuah kontinum elastis isotropik dengan atom yang digabungkan elastis satu sama lain.

-        Gerak atom pengaruh dipengaruhi atom yang lain

-        Getaran atom yang digabungkan dan karenanya atom bergetar secara kolektif

-        Getaran kisi memiliki rentang frekuensi yang berbeda.

-        Energi internal solid berada di dalam gelombang berdiri elastis disebarkan melalui kisi kristal.

-        Energi dari gelombang elastis terkuantisasi; gelombang terkuantisasi kisi disebut sebagai .

3.    KONDUKTIVITAS TERMAL

Konduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas.

Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).

·      Faktor Konduktivitas Termal

a.       Suhu

Konduksi termal akan meningkat seiring dengan kenaikan suhu

b.      Kandungan uap air

Konduksi Termal akan meningkat seiring meningkanta kandungan kelembaman.Bila nilai (k) besar maka merupakan pengalir yg baik,tetapi bila nilai (k) kecil maka bukan pengalir yg baik.

c.       Berat jenis

Nilai konduktifitas termal akan berubah bila berat jenisnya berubah. Semakin tinggi berat jenis makan semakin baik pengalir konduktifitas tersebut.

d.      Keadaan pori-pori bahan

Bila semakin besar rongga maka akan semakin buruk konuktifitas termalnya.

·      MEKANISME KONDUKTIVITAS TERMAL

Panas diangkut dalam bahan padat oleh kedua gelombang getaran kisi (fonon) dan elektron bebas. Konduktivitas termal berhubungan dengan masing-masing mekanisme ini dan konduktivitas total jumlah kontribusi keduanya.Dimana k1 mewakili getaran kisi dan konduktivitas termal elektron. Energi termal yang terkait dengan fonon atau gelombang kisi diangkut dalam arah gerak mereka. Hasil kontribusi k1 dari gerakan bersih fonon dari tinggi ke suhu rendah dari tubuh dalam gradiens suhu.

Elektron bebas dapat berpartisipasi dalam konduksi termal elektronik, dengan elektron bebas di daerah spesimen panas  smapai mendapatkan  keuntungan energi kinetik.kemudian bermigrasi ke daerah dingin, di mana beberapa energi kinetika akan dipindahkan ke atom sendiri (sebagai energi getaran) sebagai akibat tumbukan dengan fonon atau ketidaksempurnaan lain dalam kristal. Kontribusi relatif ke, untuk meningkatkan total konduktivitas termal dengan meningkatnya konsentrasi elektron bebas, karena lebih banyak elektron yang tersedia untuk berpartisipasi dalam proses transferrence panas.

4.      KOEFISIEN MUAI LINIER

Peristiwa yang mengikuti penambahan temperatur pada bahan adalah perubahan ukuran dan keadaannya. Gaya antar  atom dipandang sebagai kumpulan pegas yang menjadi penghubung antar atom bahan.  Pada setiap temperatur  atom padatan tersebut akan bergetar.  Kenaikan temperatur akan mengakibatkan penambahan jarak rata-rata atar atom bahan.  Hal ini mengakibatkan terjadinya pemuaian (ekspansi) pada seluruh komponen padatan tersebut. Perubahan ukuran pada dimensi linier disebut sebagai muai linier.

            Jika panjang dimensi linier bahan adalah l, maka perubahan panjang akibat perubahan temperatur ∆T adalah sebesar ∆l. Untuk perubahan temperatur yang kecil, maka pertambahan  panjang pada temperatur tertentu (l_t)   akan sebanding dengan perubahan temperatur dan panjang mula-mula (l₀ ).

Persamaan di atas sama untuk koefisien muai untuk volume. Dengn α  adalah koefisien muai linier yang memiliki nilai berbeda untuk masing-masing bahan.

5.      PANAS JENIS

Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu bahan bermassa m sebesar satu derajat dinamakan panas jenisdari bahan tersebut. Sehingga, jika panas sejumlah Q ditambahkan ke suatu bahan bermassa m yang mempunyai panas jenis c, perubahan suhu ΔT = T_aw – T_ak.

Di dalam sistem MKS,  satuan untuk panas adalah kilokalori dan didefinisikan sedemikian hingga panas jenis air adalah satu yang bermakna bahwa apabila satu kilokalori panas diberikan kepada satu kilogram air, maka suhu air akan naik sebesar satu derajat Celsius. 

Apabila dua atau lebih zat dengan suhu yang berbeda-beda dicampurkan, mereka akan setimbang termal setelah beberapa saat karena panas akan mengalir dari zat bersuhu lebih tinggi ke zat yang bersuhu lebih rendah sampai semua zat mempunyai suhu yang sama. Jika bahan‐bahan penyusun sistem diisolasi sedemikian hingga tidak ada pertukaran panas dengan lingkungannya, proses tersebut dinamakan adiabatik. Karena panas merupakan satu bentuk dari energi, hokum kekekalan energi mensyaratkan bahwa untuk suatu proses adiabatik jumlah seluruh perpindahan panas antar penyusun sistem harus sama dengan nol.

Catatan:jika panas ditambahkan kepada suatu sistem, maka Tak > Taw dan Q bernilai positif; jika panas diambil dari sistem maka Tak < Taw dan Q bernilai negatif. 

Dua bentuk utama energi panas dalam padatan adalah vibrasi atom sekitar posisi kesembiangannya dan energi kinetik elektron bebas. Oleh karena itu sifat-sifat thermal padatan yang penting seperti kapasitas panas, pemuaian, dan konduktivitas thermal, tergantung dari perubahan-perubahan energi atom dan elektron bebas. Kenaikan kapasitas panas terkait dengan kemampuan phonon dan elektron untuk meningkatkan energinya. Prinsip eksklusi membatasi kebebasan elektron untuk menaikkan energinya karena kenaikan energi tergantung ketersediaan tingkat energi yang  masih kosong. Hanya elektron di sekitar tingkat energi Fermi yang memiliki akses ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga kontribusi elektron pada kapasitas panas secara relatif tidaklah besar.

Pemuaian terjadi karena ketidak-simetrisan gaya ikat antar atom. Gaya yang diperlukan untuk memperpanjang jarak atom adalah lebih kecil dari gaya untuk memperpendek jarak. Oleh karena itu penyerapan energi thermal akan cenderung memperpanjang jarak atom. 

Konduksi panas dalam metal lebih diperankan oleh elektron dari pada phonon, walaupun dalam hal kapasitas panas phonon lebih berperan.

Faktor-Faktor  Lain  Yang  Turut  Berperan

Memasukkan  energi panas  ke  padatan  tidak  hanya  menaikkan  energi  vibrasi  atom maupun  elektron.  Pada  padatan  tertentu  terjadi  proses-proses  lain yang  juga  memerlukan  energi  dan  proses-proses  ini  akan berkontribusi pada kapasitas panas. Proses-proses seperti perubahan susunan  molekul  dalam  alloy,  pengacakan  spin  elektron  dalam material  magnetik,  perubahan  distribusi  elektron  dalam  material superkonduktor,  akan  meningkatkan  panas  spesifik  material  yang bersangkutan. Proses-proses ini akan membuat kurva panas spesifik terhadap  temperatur  tidak  monoton;  di  atas  temperatur  di  mana proses-proses  ini  telah  tuntas,  panas  spesifik  kembali  pada  nilai normalnya.

Kristal Bahan Bahan Keramik

Keramik pada awalnya berasal dari bahasa Yunani keramikos yang artinya suatu bentuk dari tanah liat yang telah mengalami proses pembakaran. Kamus dan ensiklopedia tahun 1950-an mendefinisikan keramik sebagai suatu hasil seni dan teknologi untuk menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar, seperti gerabah, genteng, porselin, dan sebagainya. Definisi pengertian keramik terbaru mencakup semua bahan bukan logam dan anorganik yang berbentuk padat. (Yusuf, 1998:2).

Umumnya senyawa keramik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimia dibandingkan elemennya. Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard, ball clay, kwarsa, kaolin, dan air. Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia dan mineral bawaannya. Oleh karena itu sifat keramik juga tergantung pada lingkungan geologi dimana bahan diperoleh. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron-elektron bebas. Kurangnya beberapa elektron bebas keramik membuat sebagian besar bahan keramik secara kelistrikan bukan merupakan konduktor dan juga menjadi konduktor panas yang jelek. Di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh, keras, dan kaku. Keramik secara umum mempunyai kekuatan tekan lebih baik dibanding kekuatan tariknya.

Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi termasuk :

• kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.
• Tahan korosi
• Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor
• Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik
• Keras dan kuat, namun rapuh.

Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik, yakni ikatan ionik dan kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan. Klasifikasi Bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin dan amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun pada jarak jauh keteraturannya tidak ada. Beberapa keramik dapat berada dalam kedua bentuk tersebut, misalnya SiO2.

Jenis ikatan yang dominan (ionik atau kovalen) dan struktur internal (kristalin atau amorf) mempengaruhi sifat-sifat bahan keramik. Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut.

Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya. Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.

Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660 oC. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau dibawah 175 oC, walaupun eksterior pesawat mencapau 1400 oC.

Bila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, atau dipantulkan. Bahan bervariasi dalam kemampuan untuk mentransmisikan cahaya, dan biasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas, mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelas terfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.

Dua mekanisme penting interaksi cahaya dengan partikel dalam padatan adalah polarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalah distorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi, sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik (fonon), dan selanjutnya panas. Seperti dalam atom elektron-elektron dalam bahan berada dalam tingkat-tingkat energi tertentu. Absorbsi energi menghasilkan perpindahan elektron dari tingkat dasar ke tingkat tereksitasi. Ketika elektron kembali ke keadaan dasar disertai dengan pemancaran radiasi elektromagnetik.

Dalam padatan elektron yang energinya tertinggi ada dalam orbital-orbital dalam pita valensi dan orbital-orbital yang tidak terisi biasanya dalam pita konduksi. Gap antara pita valensi dan pita konduksi disebut gap energi. Range energi cahaya tampak 1,8 sampai 3,1 eV. Bahan dengan gap energi di daerah ini akan mengabsorbsi energi yang berhubungan. Bahan itu akan tampak transparan dan berwarna. Contohnya, gap energi CdS sekitar 2,4 eV dan mengabsorbsi komponen cahaya biru dan violet dari sinar tampak. Tampak bahan tersebut berwarna kuning-oranye. Bahan dengan gap energi kurang dari 1,8 eV akan opaque, sebab semua cahaya tampak akan diabsorbsi. Material dengan gap energi lebih besar 3,1 eV tidak akan menyerap range sinar tampak dan akan tampak transparan dan tak berwarna. Cahaya yang diemisikan dari transisi elektron dalam padatan disebut luminesensi. Bila terjadi dalam selang waktu yang pendek disebut flouresensi, bila didalam selang waktu yang lebih panjang disebut fosforisensi.

Cahaya yang ditransmisikan dari satu medium ke medium lain, misalnya dari gelas ke air akan mengalami pembiasan. Pembelokan cahaya ini adalah akibat perubahan kecepatan rambat yang asal mulanya dari polarisasi elektronik. Karena polarisasi meningkat dengan naiknya ukuran atom. Gelas yang mengandung ion-ion berat (seperti kristal timbal) memiliki indeks bias yang lebih besar dari gelas yang mengandung atom-atom ringan (seperti gelas soda). Hamburan cahaya internal dalam bahan yang sebenarnya transparan mungkin dapat mengakibatkan bahan menjadi translusen atau opaque. Hamburan semacam ini terjadi antara lain di batas butiran, batas fasa, dan pori-pori.

Banyak aplikasi memanfaatkan sifat optik bahan keramik ini. Transparansi gelas membuatnya bermanfaat untuk jendela, lensa, filter, alat masak, alat lab, dan objek-objek seni. Pengubahan antara cahaya dan listrik adalah dasar penggunaan bahan semikonduktor seperti GaAs dalam laser dan meluasnya penggunaan LED dalam alat-alat elektronik. Keramik fluoresensi dan fosforisensi digunakan dalam lampu-lampu listrik dan layar-layar tv. Akhirnya serat optik mentransmisikan percakapan telepon dan data komputer yang didasarkan atas refleksi internal total sinyal cahaya.

Keramik biasanya material yang kuat, dan keras dan juga tahan korosi. Sifat-sifat ini bersama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi, membuat keramik merupakan material struktural yang menarik. Aplikasi struktural keramik maju termasuk komponen untuk mesin mobil dan struktur pesawat. Misalnya, TiC mempunyai kekerasan 4 kali kekerasan baja. Jadi, kawat baja dalam struktur pesawat dapat diganti dengan kawat TiC yang mampu menahan beban yang sama hanya dengan diameter separuhnya dan 31 persen berat. Semen dan tanah liat adalah contoh yang lain, keduanya dapat dibentuk ketika basah namun ketika kering akan menghasilkan objek yang lebih keras dan lebih kuat. Material yang sangat kuat seperti alumina (Al₂O₃) dan silikon karbida (SiC) digunakan sebagai abrasif untuk grinding dan polishing.

Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah khusus bila bahan ini digunakan untuk aplikasi struktural. Dalam logam, elektron-elektron yang terdelokalisasi memungkinkan atom-atomnya berubah-ubah tetangganya tanpa semua ikatan dalam strukturnya putus. Hal inilah yang memungkinkan logam terdeformasi di bawah pengaruh tekanan. Tapi, dalam keramik, karena kombinasi ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya tidak mudah bergeser. Keramiknya dengan mudah putus bila gaya yang terlalu besar diterapkan.

Faktor rapuh terjadi bila pembentukan dan propagasi keretakan yang cepat. Dalam padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar mulus penampakannya.

Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan.

Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan sebagai kapasitor. Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0. Akhirnya, keramik yang disebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik akibat tekanan mekanik atau sebaliknya. Sering pula digunakan bahan yang disebut dielektrik. Bahan ini adalah isolator yang dapat dipolarisasi pada tingkat molekular. Material semacam ini digunakan untuk menyimpan muatan listrik.

Kekuatan dielektrik bahan adalah kemampuan bahan tersebut untuk menyimpan elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan penuh, hampir tidak ada arus yang lewat. Namun dengan tegangan tinggi dapat mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Bila hal ini terjadi arus mengalir dalam kapasitor, dan mungkin disertai dengan kerusakan material karena meleleh, terbakar atau menguap. Medan listrik yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan itu disebut kekuatan dielektrik. Beberapa keramik mempunyai kekuatan dielektrik yang sangat besar.Porselain misalnya sampai 160 kV/cm. Sebagian besar hantaran listrik dalam padatan dilakukan oleh elektron. Di logam, elektron penghantar dihamburkan oleh vibrasi termal meningkat dengan kenaikan suhu, maka hambatan logam meningkat pula dengan kenaikan suhu.

Sebaliknya, elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi, sehingga sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan kenaikan suhu.

Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor. Dalam bahan piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser, yang ditemui pada mikrofon, dan sebagainya.

Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyak aplikasi komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar. Salah satu teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar. Kemampuan penghantaran ion didasarkan kemampuan keramik tertentu untuk memungkinkan anion oksigen bergerak, sementara pada waktu yang sama tetap berupa isolator. Zirkonia, ZrO₂, yang distabilkan dengan kalsia (CaO), adalah contoh padatan ionik.