Prinsip - Prinsip Perpindahan Panas

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Prinsip - Prinsip Perpindahan Panas

Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali.

Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Perpindahan kalor/panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dimana perpindahan panas ini merupakan satu dari disiplin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. Frank Kreith dan Mark S. Bohn (Principles of Heat Transfer, 2011) dalam bukunya mengklasifikasikan perpindahan panas dalam tiga bagian yaitu : konduksi, konveksi, radiasi. Dimana ketiga hal tersebut dapat di ilustrasi dari proses sederhana pada gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.1 Prinsip proses perpindahan panas

(Sumber: http://budisma.net/2015/01/perpindahan-kalor-konduksi-konveksi-dan-radiasi.html)

Konduksi Konveksi

Radiasi

Gambar 2.1 tersebut menggambarkan adanya proses perpindahan panas konduksi pada batang, konveksi dari wadah menuju air atau api menuju batang serta perpindahan panas radiasi dari api menuju sekitarnya (tangan manusia).

2.1.1. Perpindahan panas konduksi

Pada gambar di bawah ini terdapat sebuah ilustrasi dimana sebuah batang silinder dengan material tertentu dimana tidak ada isolasi pada sisi terluarnya dan salah satu ujungnya dipanaskan dengan api sehingga kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1 > T2. Perpindahan panas konduksi dapat dilihat pada gambar 2.2 berikut ini.

Gambar 2.2 Skematik perpindahan panas pada batang (Sumber: http://maslatip.com/3-cara-perpindahan-panas.html)

Gambar 2.2 menjelaskan bahwa akibat dari proses pemanasan maka perpindahan panas akan dialami oleh batang yaitu dari ujung batang T1 menuju ujung batang T2 yang terjadi secara konduksi, sehingga dapat dituliskan untuk nilai perpindahan panas konduksi dengan persamaan 2.1 berikut:

q_x = k A ∆T

L … … … (2.1) dimana:

qx = laju perpindahan panas konduksi (W) ΔT = perbedaan temperatur (K)

L = panjang batang (m)

A = luas penampang tegak lurus bidang (m²) k = konduktivitas panas dari material (W/m.K)

T2

q

x

T1

Nilai konduktivitas panas untuk beberapa material dapat dilihat pada tabel 2.1.

Tabel 2.1 Tabel nilai konduktivitas termal untuk beberapa material Material Konduktivitas Thermal pada

300 K (W/m K)

Carbon steel- Plain carbon 60,5

Stainless-steel AISI302 15,1

Stainless-steel AISI304 14,9

Nickel Pure 90,7

Titanium 21,9

(Sumber: Incropera,F.P, 2011)

2.1.2. Perpindahan Panas Konveksi

Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Namun pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas. Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat - sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga dapat disimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks. Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan. Dapat dilihat pada gambar 2.3 merupakan skematik perpindahan panas secara konveksi.

Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konveksi (Sumber: Cengel, Y.A, 2003)

Untuk nilai perpindahan panas secara konveksi dapat di tentukan dengan rumus : q_konveksi = h A_s (T_s − T_∞) … … … (2.2) dimana: h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m² K)

As =luas permukaan perpindahan panas (m²) Ts = temperatur permukaan benda (K)

T∞ = temperatur lingkungan sekitar benda (K)

2.1.3. Perpindahan panas radiasi

Perpindahan panas radiasi merupakan perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Radiasi dapat diartikan juga sebagai perpindahan energi dari atau ke tubuh akibat pelepasan atau penyerapan radiasi elektromagnetik.

Contoh dari perpindahan panas radiasi adalah pada matahari yang memancarkan panas ke bumi. Kalor dapat diradiasikan melalui bentuk gelombang cahaya, gelombang radio, dan gelombang elekromagnetik.

Pancaran (radiasi) dapat diartikan juga sebagai perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor, keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya, proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet.

Apabila sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan , sebagian akan diserap kedalam bahan, dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor secara radiasi, maka akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Ciri-ciri radiasi yaitu:

1. Kalor radiasi merambat lurus.

2. Untuk perambatan kalor tidak membutuhkan medium (misalnya zat cait atau gas).

Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan berasal energi panas materi yang dibatasi oleh permukaan, dan tingkat dimana energi yang dilepaskan per satuan luas disebut emissive power (E). Persamaan dari hukum Stefan-Boltzmann untuk menghitung emissive power adalah:

E = σT_s⁴… … … (2.3) Persamaan 2.3 berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal, dan persamaan 2.4 berlaku pada benda ril:

E = εσT_s⁴… … … (2.4) dimana : E = daya radiasi (W)

𝜀 = emisivitas bahan

σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10^-8 W/m².K⁴) Ts = temperatur permukaan (K)

Perpindahan panas secara radiasi dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut:

Gambar 2.4 Pertukaran radiasi (a) pada permukaan, (b) diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling

(Sumber: Incropera, F.P, 2011)

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisivitas 𝜀, dan kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat didefinisikan sebagai pemancar dan penyerap yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang yang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya.

2.1.4. Perpindahan panas menyeluruh

Dalam alat penukar kalor terdapat dua jenis fluida yang mengalir dan dipisahkan oleh dinding material berupa pipa. Dimana perpindahan panas terjadi terhadap kedua fluida dengan perantaraan dinding solid tersebut, yaitu pertama dari fluida panas akan berpindah panasnya menuju permukaan dinding yang terjadi secara konveksi, selanjutnya panas akan berpindah melewati dinding solid menuju permukaan dinding fluida dingin yang terjadi secara konduksi, kemudian panas akan berpindah ke fluida dingin yang terjadi secara konveksi sehingga temperatur fluida dingin menjadi meningkat. Perpindahan panas menyeluruh dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut untuk tahanan panas (R) pada sebuah pipa.

Gambar 2.5 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor (Sumber: Cengel, Y.A, 2003, p. 671)

dimana subskrip i dan o pada gambar menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung yang berada didalam dan permukaan luar tabung.

Dalam sebuah alat penukat kalor nilai perpindahan panas radiasi tidak diperhitungkan karena permukaannya diisolasi, sehingga hanya terjadi perpindahan panas konveksi dan konduksi seperti yang tampak pada gambar 2.5. Untuk menentukan total tahanan panas yang terjadi pada pipa tersebut adalah :

R = R_total= R_i+ R_dinding+ R_o= 1

h_i A_i+ln (D_o/D_i) 2 π k L + 1

h_o A_o… … (2.5) Sehingga persamaan untuk perpindahan panas menyeluruhnya adalah :

1

U A_s = 1

U_i A_i = 1

U_o A_o= R … … … (2.6) dimana A merupakan luas bidang aliran kalor yang terjadi untuk alat penukar kalor yang dapat ditentukan dengan persamaan 2.7:

A_i = π D_i L dan A_o = π D_o L … … … (2.7) dimana: R = tahanan panas (K/W)

k = konduktivitas panas dari material pipa (W/m.K) L = panjang alat penukar kalor (m)

D = diameter pipa (m)

h = perpindahan panas konveksi (W/m² K) U = perpindahan panas menyeluruh (W/m² K)