TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Perpindahan Kalor .1.Konduksi .1.Konduksi
2 1 sin sin θ θ = n n ... 2.15
di mana : n1 = indeks bias medium 1 n2 = indeks bias medium 2
1 = sudut masuk sinar 2 = sudut bias sinar 2.2.2 Absorbsi Radiasi [7] − = 2 cos exp θ τa KL ... 2.16 di mana :
K = koefisien extinction/pemadaman (m-1) L = ketebalan kaca (m)
2.2.3 Radiasi yang Diserap Absorber
Radiasi yang diserap absorber dapat diperoleh dengan persamaan : [8]
T aveI
S=(τα) ... 2.17 di mana :
S = radiasi yang diserap absorber (MJ/m2)
ave )
(τα = transmisivitas-absorbsivitas rata-rata
IT = Radiasi pada bidang miring (MJ/m2)
2.3 Perpindahan Kalor 2.3.1. Konduksi
Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara, namun bendaperantaranya tidak ikut berpindah.Proses konduksi terjadi karena elektron-elektron bebasatau foton(paket gelombang akustik) yang berpindah. Jadi, tidak tampak perpindahannyasecara makroskopik. Jika atom atau molekul suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebihtinggi daripada molekul di tempat lain, maka atom atau molekul tersebut akan bergerakdengan energi lebih besar daripada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapatdipindahkan kepada molekul-molekul atau atom lainnya.
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier.[9]
…………...……….. 2.18
Dimana : q = Laju perpindahan panas (Watt)
k = Konduktivitas Termal (W/m.K)
A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
dT/dx = Gradien temperatur dalam aliran panas
2.3.2. Konveksi
Konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massamedianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya perbedaankecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat pada perbedaan beratjenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi akan mempunyai berat jenisyang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida sejenisnya yang bersuhu lebih rendah.Karena itu, maka fluida yang bersuhu tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilahyang berakibat pada terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.
Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sebagai berikut.[10]
……….. 2.19
Dimana : h = Koefisien konveksi (W/m2.K) A = Luas permukaan kolektor surya (m2) Tw = Temperatur dinding (K)
T = Temperatur fluida (K)
2.3.3. Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Di samping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperatur benda tersebut. Kedua hal tersebut yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.
Banyaknya kalor yang dipindahkantiap satuan waktu melalui proses radiasi dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmannsebagai :
P = e σ A T4 ……… 2.20
Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer.
Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsung menimpa permukaan bumi karena:
a) Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang b) Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer,
sehinggamengalami absorpsi lebih sedikit dari pada jika sudut timpanya miring terhadapnormal.
Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu :
1) Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi) 2) Emisivitas (permukaan yang terradiasi)
3) Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi
4) Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber radiasi).[11]
Gelombang elekromagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang bertingkah laku seperti benda hitam.
Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda yang bertingkahlaku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya.
Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu kita sebut sebagai penyerap paling baik atau permukaan hitam. Jadi permukaan yang tidak memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat :
1. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse).
2. Pada semua temperatur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak daripada benda hitam.
3. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah datangnya sinar.[11]
Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkahlaku seperti benda hitam :
1. Emisivisitas
Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temperatur yang sama. Emisivitas merupakan ukuran kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas sama dengan satu (ε=1) tetapi objek sesungguhnya memiliki emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semaki benda, maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah
2. Absorpsivitas (Penyerapan)
Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi dimana tidak semua energi diserap oleh permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.
3. Transmisivitas
Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi–tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas yang rendah (ε rendah) dalam daerah inframerah.[12]
2.4. Tinjauan Mekanika Fluida