Panas (heat) adalah salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari sebuah sistem ke sistem lain karena adanya perbedaan temperatur [2]. Panas dapat berpindah dengan tiga cara yaitu :
1. Konduksi
Gambar.2.20. Perpindahan panas konduksi [2].
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan energi dari partikel-partikel yang mempunyai energi yang lebih ke partikel yang energinya lebih kecil yang berdampingan dengannya sebagai hasil dari interaksi antar partikel [2]. Perpindahan panas konduksi ini dapat dirumuskan dengan :
(2.6) Qcond = Laju perpindahan panas secara konveksi [Watt]
k = Konduktivitas termal [W/m] As = Luas permukaan benda [m2 atau ft2]
36 Ts = Temperatur benda [Kelvin atau Reamur]
T∞ = Temperatur Sekeliling benda [Kelvin atau Reamur]
2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan energi panas dari permukaan yang padat (solid) ke cairan atau gas yang bergerak, hal ini melibatkan efek kombinasi konduksi dan pergerakan fluida [2].
Gambar 2.21. Perpindahan panas konveksi [2].
Laju perpindahan panas secara konveksi diekspresikan dengan hukum pendinginan Newton,yaitu :
(2.7) Qconv = Laju perpindahan panas secara konveksi [Watt]
h = koefisien konveksi [W/m2]
As = Luas permukaan benda [m2 atau ft2] Ts = Temperatur benda [Kelvin atau Reamur]
T∞ = Temperatur Sekeliling benda [Kelvin atau Reamur]
Hubungan bilangan Nusselt dan bilangan Rayleigh terhadap sifat-sifat fluida dapat dilihat dari persamaan – persamaan berikut dan pada tabel 2.3:
(2.8)
37 Tabel 2.3. Hubungan empiris untuk bilanganNusselt rata-rata untuk konveksi
38 3. Radiasi.
Gambar 2.22. Perpindahan panas secara radiasi [2].
Radiasi adalah energi yang dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik (atau foton) karena adanya perubahan konfigurasi elektron atom/molekul [2]. Radiasi yang dipancarkan benda dapat dituliskan dengan :
(2.10)
Qrad = Laju perpindahan panas radiasi [Watt] = Emisivitas permukaan 0 ≤
≤
1
σ
= 5,67.10-8 W/m2K4 atau 0,1714.10-8Btu/h.ft2.R4 (Konstanta Stefan Boltzman)As = Luas permukaan benda [m2 atau ft2] Ts = Temperatur benda [Kelvin atau Reamur]
Tsurr = Temperatur Sekeliling benda [Kelvin atau Reamur]
Laju perpindahan panas radiasi dari dua buah benda persegi yang berdekatan dapat dihubungkan dengan penjelasan berikut :
Gambar 2.23. Dua buah plat yang berdekatan dengan posisi horizontal [2].
(2.11)
Q1-2 = Laju perpindahan panas radiasi dari dua buah benda persegi
39 2.8.1 Kalor Spesifik
Kalor spesifik adalah energi yang dibutuhkan untuk menaikan atau menurunkan temperatur satu derajat persatu unit massa suatu subtansi. Energi ini tergantung pada bagaimana proses dilakukan. Pada thrmodinamika, terdapat dua jenis kalor spesifik yaitu : kalor spesifik pada volume konstan Cv dan kalor spesifik pada tekanan konstan Cp.
Kuantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan joule (J). Laju aliran kalor dihitung dalam satuan joules per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha. [1].
Secara fisik, kalor spesifik pada volume konstan dapat digambarkan sebagai energi yang dibutuhkan untuk menaikan atau menurunkan temperatur satu derajat persatu unit massa suatu subtansi selama volume dijaga konstan. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan hal yang sama selama tekanan konstan disebut sebagai kalor spesifk pada tekana konstan atau Cp.
(2.12) (2.13)
Kalor spesifik pada tekanan konstan Cp selalu lebih besar dari Cv karena pada tekanan konstan, sistem dapat memuai dan energi untuk kerja ekspansi ini juga harus disuplai ke dalam sistem tersebut . [1].
2.8.2 Kalor laten
Kalor laten adalah jumlah energi yang diserap ataupun dilepaskan saat perubahan fasa terjadi. Lebih lanjut, jumlah energi yang diserap selama proses pencairan disebut sebagai jumlah kalor laten peleburan dan jumlahnya sama dengan jumlah energi yang dibutuhkan selama proses pembekuan. Begitu pula dengan jumlah energi yang diserap selama proses penguapan yang disebut sebagai jumlah kalor laten penguapan dan jumlahnya sama dengan jumlah energi yang dilepaskan selama proses pengembunan.
40 Besarnya kalor laten tergantung pada temperatur dan tekanan ketika perubahan fasa itu terjadi. [1].
QL = Le . m (2.14)
QL = Kalor laten Zat [J]
Le = Kapasitas kalor spesifik laten[J/kg] m = Massa zat [kg]
2.8.3 Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu subtansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas sensible. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut. [1].
Qs = m . Cp . ΔT (2.15)
Qs = Kalor sensibel zat [J]
Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel [J/kg. K] ΔT = Beda temperatur [K]
41 2.9. Konduktivitas Panas Efektif
Gambar.2.24. Analogi konduksi murni dan konveksi alamiah dalam ruang tertutup [2].
Ketika bilangan nusselt diketahui, laju pindahan panas melalui sebuah ruang yang tertutup dapat ditentukan dengan rumus :
Q = h (T1 –T2) =
A
s(T1 –T2) ; h =(2.16)
Laju pindahan panas melalui benda padat (konduksi) dengan ketebalan Lc, dan luas penampang As adalah :
Q
kon= k A
s (2.17)• T1&T2 = Temperatur dua benda yang berdekatan, T1>T2
Perbandingan dua buah persamaan di atas mengungkapkan bahwa perpindahan panas secara konveksi dalam ruangan tertutup mirip dengan pindahan panas konduksi melalui lapisan fluida yang tertutup menghasilkan bahwa konduktivitas termal k digantikan dengan kNu. Dan kNu diistilahkan dengan konduktivitas panas efektif.
42 2.9.1. Plat Persegi Yang Berdekatan Dengan Posisi Horizontal
Gambar 2.25. Dua buah plat persegi yang berdekatan dengan posisi horizontal [2].
Sebagai pendekatan yang pertama, koefisien konveksi untuk ruang horizontal yang dipanaskan dari bawah dapat diperoleh dari korelasi di bawah ini yang diajukan oleh Globe dan Dropkin dalam [3] :
(2.19)
2.9.2. Plat Persegi Yang Berdekatan Dan Membentuk Sudut Dengan Bidang Datar.
Gambar 2.26. Plat persegi yang berdekatan dan membentuk sudut dengan bidang datar [2].
Perpindahan panas pada dua buah plat yang berdekatan dan membentuk sudut dengan bidang datar bergantung pada aspek perbandingan H/L dengan sudut kemiringan tertentu.
43 Untuk perbandingan H/L yang besar (H/L≥12), persamaan di bawah ini (Hollands et al :1976 dalam [2] dapat digunakan hingga sudut kemiringan mencapai 70o. Untuk RaL<105, 0 < θ < 70o
, dan H/L ≤ 12
Nu = 1 + 1,44 (2.20)
• Pangkat + (positif) menunjukkan apabila bilangan yang di dalam kurung lebih kecil dari nol, maka nilainya dibuat menjadi nol.
Dan masih menurut Hollands et al dalam [3], untuk H/L≥12 dan sudut kemiringan lebih kecil dari sudut kritis (tabel 2.4), bilangan nusselt dapat dihitung dengan hubungan berikut :
Nu = 1 + 1,44 (2.21)
• Pangkat + (positif) menunjukkan apabila bilangan yang di dalam kurung lebih kecil dari nol, maka nilainya dibuat menjadi nol.
Tabel 2.4. perbandingan H/L dan Sudut kritis θcr .
Untuk perbandingan H/L yang lebih kecil, Catton dalam [3] menyarankan korelasi di bawah ini :
44 2.9.3. Plat persegi vertikal yang berdekatan.
Gambar 2.27. Plat persegi vertikal yang berdekatan [2].
Untuk plat persegi vertikal yang berdekatan, Catton (1978) dalam [2] merekomendasikan dua korelasi di bawah ini berdasarkan Berkovsky dan Polevikov (1977) :
(2.23)
(2.24)
Dan untuk perbandingan H/L yang lebih besar dapat digunakan korelasi berikut :
(2.25)
(2.26)
Semua sifat fluida dievaluasi pada suhu rata-rata