Aplikasi Suhu dan Aliran Panas Tanah
Oleh
Kemala Sari Lubis,SP,MP
Fakultas Pertanian
Ubiversitas Sumatera Utara
Kata Pengantar
Syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhana Wata’ala yang
telah memberikan kemudahan dan kelapangan pikiran maupun waktu
kepada penulis dalam menyelesaikan tulisan ini.
Tulisan ini berjudul
“Aplikasi Suhu dan Aliran Panas Tanah”
yang
berisikan tentang konsep-konsep dan perumusan tentang suhu tanah, panas
tanah dan aliran panas tanah. Rumusan-rumusan yang diuraikan dapat
diaplikasikan untuk meyelesaikan masalah-masalah yang berkaitan dengan
suhu, panas tanah dan aliran panas di dalam tanah khususnya pada
kondisi-kondisi tertentu yang kita temukan di lapangan.
Penulis mengucapkan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada
Mr.Hanks dan Mr. Ashcroft yang telah menyumbangkan ilmu
pengetahuannya kepada penulis. Semoga tulisan ini bermanfaat bagi para
pembaca terutama yang berminat pada ilmu-ilmu tanah.
Medan, April 2007
Penulis
Daftar Isi
Halaman
Kata Pengantar ………i
Daftar Isi ……….ii
Daftar Tabel …...………...……….iii
Daftar Gambar ……….…………..iv
Pendahuluan ………1
Potensial Air Tanah ……….1
Potensial Gravitasi ……….2
Potensial Matrik ……….3
Manometer ……….4
Potensial Tekanan ………..5
Potensial Air ………..5
Potensial Air pada Kondisi Seimbang ………5
Potensial Air pada Kondisi Tidak Seimbang ………..6
Potensial Pelarut ……….6
Pengukuran Potensial Air ………...6
Di Lapangan ………...6
Di Laboratorium ………...7
Satuan-Satuan yang Mewakili dan Istilah-Istilah untuk Potensial ………7
Beberapa Contoh Soal ………...8
Daftar Pustaka ………...10
Pendahuluan
Panas di dalam tanah merupakan keadaan yang timbul akibat adanya radiasi sinar matahari, panas bumi, reaksi-reaksi kimia di dalam tanah maupun aktifitas biologi di dalam tanah. Adanya panas di dalam tanah diukur menggunakan istilah yang suhu tanah. Suhu tanah dipengaruhi oleh beberapa faktor yakni faktor lingkungan dan faktor tanah. Suhu tanah adalah salah satu sifat tanah penting, karena mempengaruhi pertmbuhan tanah secara langsung dan juga mempengaruhi kelembaban, aerasi, struktur, aktifitas mikrobia dan enzim, dekomposisi residu tanaman dan ketersediaan unsur hara tanaman.
Adapun aliran panas muncul akibat adanya perbedaan kondisi fisik di dalam tanah itu sendiri. Sifat fisika dalam tanah yang mempengaruhi aliran panas itu termasuk di antaranya kandungan air, kerapatan lindak tanah, yang selanjutnya mempengaruhi keterhantaran panas, kapasitas panas dan difusifitas panas tanah tersebut. Perubahan kandungan kelembaban (air) dan struktur dapat merubah keterhantaran hidrolik, kapasitas panas yang akibatnya juga merubah difusifitas panas dan suhu tanah.
Tulisan ini menjelaskan beberapa perumusan dari panas tanah dan aliran panas tanah. Perumusan tersebut dapat menyelesaikan beberapa kondisi-kondisi di lapangan yang berkaitan dengan panas tanah dan aliran panas tanah. Penulis juga menyajikan beberapa contoh soal yang mengacu pada rumusan-rumusan panas tanah dan aliran panas tanah yang dapat kiranya berguna bagi para pembaca sekalian.
Suhu Tanah
Suhu tanah merupakan hasil dari keseluruhan radiasi yang merupakan kombinasi emisi panjang gelombang dan aliran panas dalam tanah. Suhu tanah juga disebut intensitas panas dalam tanah dengan satuan derajat Celcius, derajat Fahrenheit, derajat Kalvin dan lain-lain.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Suhu Tanah
Suhu tanah ditentukan oleh interaksi sejumlah faktor. Semua panas tanah berasal dari dua sumber : dari radiasi matahari dan
awan dan konduksi dari dalam bumi. Kedua faktor eksternal (lingkungan dan internal (tanah) menyumbang perubahan-perubahan suhu tanah.
1.Faktor lingkungan
Radiasi matahari. Jumlah panas dari matahari yang mencapai bumi adalah
2,0 g kalori/cm2/detik (2 langley/menit). Jumlah radiasi ini bergantung pada sudut permukaan bumi dengan matahari, lintang, musim, ketinggian tempat, penguapan udara, awan, asap, salju, tumbuh-tumbuhan atau mulsa.
Radiasi dari awan. Pada negara tropis sinar matahari melewati atmosfir
Konduksi panas dari atmosfir. Karena konduksi panas melalui udara
kecil, pengaruh utamanya terhadap suhu tanah hanya melalui sentuhan. Ini berarti konveksi udara atau awan penting untuk memanaskan tanah melalui konduksi dari atmosfir.
Kondensasi. Kondensasi adalah proses eksotermik.
Penguapan. Evaporasi adalah proses endotermik. Bila evaporasi lebih
besar, tanah lebih dingin.
Curah hujan. Bergantung pada suhunya, dapat mendinginkan atau
menghangatkan tanah.
Vegetasi. Transpirasi air, refleksi atau radiasi kembali dan energi
yang digunakan untuk fotosintesis tanaman cenderung menurunkan suhu mikroklimat dan tanah secara tidak langsung.
[image:5.612.91.524.315.502.2]
Pengaruh mulsa dan warna tanah dapat dilihat pada Tabel 1. berikut. Tabel 1. Rata-rata tanah yang diukur di Manhattan, Kansas pada periode 6 – 8 Juni 1959
___________________________________________________ Kedalaman Suhu tanah (oC)
tanah
(cm) Tanpa mulsa Dengan mulsa
Gravel Gravel
Hitam aluminium straw 1 33 31 27 22 4 30 29 27 22 16 27 27 24 21 64 22 22 20 18 152 16 16 16 15
2.Faktor Tanah
Faktor-faktor tanah yang mempengaruhi suhu tanah meliputi : a.Keterhantaran dan difusivitas panas.
b.Kapasitas panas c.Aktifitas biologi d.Radiasi dari matahari
Panas Tanah
Jumlah aliran panas dalam tanah mempengaruhi suhu. Suhu tanah berhubungan dengan suhu udara dan vise versa. Kedua suhu tanah dan udara mempengaruhi pertumbuhan tanaman. Suhu tanah pada suatu titik tertentu dalam tanah bisa bervariasi karena beberapa hal berikut :
1.Pertukaran panas dengan udara – suatu kombinasi konduksi dan konveksi.
2.Pertukaran panas dengan lingkungan – radiasi. 3.Aliran panas dalam tanah- konduksi.
4.Proses fisika dan kimia (contoh : evaporasi, pembasahan dan konduksi)
Terdapat sejumlah istilah-istilah panas penting dan proses-proses dalam tanah yang perlu diketahui yakni :
Kandungan Panas
Kandungan panas adalah kuantitas termodinamika, merupakan fungsi dari sistem. Kandungan panas tidak dapat dihitung tapi perubahan sejumlah panas dalam tanah dapat dihitung (kalori). Meskipun kandungan panas tidak dapat dihitung, tetapi menghitung perubahan nilai kandungan yang dihubungkan dengan perubahan dalam sistem. Perubahan kandungan panas tanah perlu menentukan G pada persamaan budget. Jumlah panas, Qq yang dibutuhkan untuk merubah suhu dari volume tanah dari kondisi awal (T1) ke kondisi akhir (T2) adalah :
Qq = Cv V (T2 – T1) = Cv V T ……..pers.1
dimana Cv adalah kapasitas panas per satuan volume tanah. Untuk tanah khusus nilai Cv akan bervariasi dengan perubahan
kandungan air.
Kapasitas Panas
Yakni jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu unit volume atau massa tanah (kal/cm3/oC, kal/g/oC).Untuk tanah mineral lembab, kapasitas panas bergantung pada kandu- ngan air dan komposisi mineral dan bahan organik. Beberapa perumusan kapasitas panas dapat dilihat pada uraian berikut : Cv = tanah basah cp = b (1 + m) cp ……… pers.2
dimana : Cv = kapasitas panas terhadap volume, cp = kapasitas tas terhadap massa (panas spesifik), m = kandungan air massa.
Kapasitas panas volumetrik (panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 cm3 tanah basah) dapat juga ditulis sebagai berikut :
Cv = b (Cpav + m Cpw) ……….pers.3
Panas spesfik air yang dibutuhkan untuk meningkatkan 1 gram air 1o
pada skala Celcius; nilai numerik cpw = 1 kal/g oC. Panas spesifik
padatan tanah adalah jumlah panas yang penting untuk meningkatkan suhu 1 gram padatan dengan 1o C. Jumlah ini bervariasi dari satu mineral
dengan lainnya. Rata-rata komponen tanah; panas spesifik tanah mineral sekitar 0,2 kal/g oC. Panas spesifik tanah berasal dari panas spesifik
air dan komponen padat. Nilai numerik untuk uraian di atas dapat dilihat pada persamaan berikut.
Cv = b (0,2 + m) kal/g oC ………per.4 Dari persamaan 2, yakni Cv = b (1 + m) cp Cv
cp = _________ disubstitusi ke persamaan 4 menjadi : b(1 + m)
b(0,2 + m) kal/g oC (0,2 + m)
cp = _________________ = _________ kal/g oC …..pers.5 b(1 + m) kal/g oC (1 + m)
Karena m = m w/ b, persamaan 4 disubstitusi ( w = 1 g/cm3), maka :
Cv = b(0,2 + v / w) = 0,2 b + v kal/cm3 oC …….pers.6
Keterhantaran Panas
Yakni perbandingan jumlah aliran panas per satuan area per satuan waktu terhadap gradient suhu (kal/cm/detik/oC). Dapat juga
keterhantaran panas disebt kemampuan suatu substansi mentransfer panas dai molekul ke molekul. Untuk alas an ini terkadang dikatakan juga keterhantaran molekular. Suhu mempengaruhi keterhantaran hidrolik karena pengaruhnya terhadap viskositas air. Begitu suhu menurun, keterhantaran hidolik menurun karena viskositas meningkat.
Contoh Soal
1. Suatu tanah basah dengan suhu 18oC memiliki volume kandungan air 0,23 dan kerapatan lindak 1,2 g/cm3.
Hitunglah jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu per unti area tanah menjadi suhu 20oC pada kedalaman 100 cm. Jawab : Qq = [(0,2 x 1,2 g/cm3)(kal/gocm) + 0,23)]
(100 cmx 1cm x 1 cm) x (20oC – 18oC)
= (0,24 kal/cm3oC + 0,23 kal/cm3oC) x 100 cm3 x 2oC
Aliran Panas
Aliran Panas pada Kondisi Tetap
Pada bab ini dievaluasi aliran panas mengunakan evaluasi Qq terhadap perubahan-perubahan pada kandungan panas. Cara lain untuk menentukan aliran panas pada kondisi tetap melalui penggunaan persamaan aliran panas pada kondisi tetap sebagai berikut :
Qq = - Kq At T/ Z ………… pers.7
dimana : Qq = kuantitas panas, Kq = keterhantaran panas, T/ Z = gradient suhu pada jarak vertical (z).
Persamaan 7 dapat ditulis dalam istilah kerapatan flux panas, Jq sebagai berikut :
Jq = ____ = Kq T/ z ………pers.8 At
Tanda negatif pada persamaan 8 menandakan bahwa aliran ber-
Gerak secara berlawanan terhadap gradient suhu (contoh : aliran dari tempat bersuhu tinggi ke tempat bersuhu rendah). Pada persamaan 7 Kq, dan t selalu positif; tanda Qq ditentukan oleh tanda T/ z. Untuk mengikuti ketetapan dalam mengevaluasi T/z kita menggunakan prosedur yang sama sebagaimana yang digunakan dalam aliran air; seperti contoh kita merancang satu lokasi sebagai titik pertama dan yang lain sebagai titik kedua lokasi dan suhu dengan perkiraan subskrip (contoh : T1 dan
z1adalah suhu dan ketinggian pada titik pertama). Jika mengevaluasi T/z selalu memilih nilai-nilai untuk T dan z dalam sekuen yang sama(contoh : jika anda memilih T2 – T1, lalu anda juga harus memilik z2 – z1; jika ,
t dievaluasi sebagai T2 – T1. z harus juga dievaluasi sebagai z2 – z1).
Aliran ke atas dinyatakan positif. Jika permukaan tanah ditetapkan nol, kedalaman adalah bernilai negatif. Perhitungan aliran panas pada kondisi tetap digambarkan pada contoh soal di bawah ini.
Contoh : Suhu pada suatu permukaan tanah 20oC dan pada ke- dalaman 5 cm adalah 25oC, keterhantaran hidrolik ada- lah 4 x 10-3 kal/cm det.oC.
Hitung : Jumlah panas per satuan areal yang akan mengalir dari permukaan ke kedalaman 5 cm pada satu hari dengan perkiraan bahwa suhu dipertahankan konstan sepanjang hari.
Ts – T5
= -(4 x 10-3 kal/cm.det.oC) x (1 cm x 1 cm)
20oC – 25oC (1 hari x 8,64 x 104 detik/hari) x___________ 0 cm –(-5cm)
= (-4 x 10-3 kal/cm.det.oC) x (1 cm2) x (8,64 x 104
detik) x (-5oC/5 cm) = 346 kalori.
Karena aliran panas ke atas dinyatakan positif, positif suatu tanda menunjukkan aliran ke atas.
Selanjutnya kita menelaah bagaimana memasukkan G ke dalam persamaan. Jika menghitung Qq dari T dan Cv, penekanan kita pada panas mengalir ke dalam atau ke luar volume tanah atau mengalir ke atas atau ke bawah. Suatu persamaan yang melibatkan G dilukiskan sebagai berikut. G = ± Qq/At = Cv V T/At ………..pers.9
Pada lain masalah, jika menggunakan persamaan aliran panas pada kondisi tetap, adalah penting untuk mengidentifiksi arah aliran. Karena aliran ke atas disebut positif baik untuk G dan Jq yang dapat ditulis sebagai berikut :
G = Jq = - Kq T/ z ………….pers.10
Pada persamaan aliran panas, kekeuatan gerak adalah perbedaan suhu, T. Intensitas kekuatan gerak diukur dengan gradient suhu T/ z. Keterhantaran panas, Kq, adalah sifat tanah dan menandakan kemampuan tanah menghantar panas. Keterhantaran yang tinggi , seperti contoh, berarti bahwa tanah segera menyalurkan panas; atau melepas panas, yang dapat dikatakan bahwa ketahanan aliran panas adalah rendah. Beberapa contoh masalah yang berkaitan dengan perumusan di atas dapat dilihat pada soal-soal berikut.
Contoh : Suatu tanah memiliki sifat-sifat berikut : v = 0,18; b = 1,2 g/cm3, G = - 50 kal/cm2/hari, rata-rata radiasi bersih 300 kalori/cm2/hari dan peningkatan suhu rata- rata tanah (hingga kedalaman 100 cm) di atas sebulan 10oC perbulan.
Hitung : Proporsi perbandingan bersih, Rn yang memasuki pema- nasan tanah (G).
Jawab : - G = Qq/At = (0,2 b kal/goC + v kal/cm3o
C) V T/At
= (0,2kal/goC x 1,2 g/cm3 + 0,18 kal/cm3 oC) x (100cm x 1 cm x 1cm/1 cm2) x 10 oC/bulan
=(0,24 kal/cm3 oC + 0,18 kal/cm3 oC) x 10 cm3/cm2 x 10oC/bulan
= 420 kalori/cm2/ bulan
Rn = 300 kal/cm2 hari x 30 hari/bulan
= 9000 kal/cm2 /bulan
Perbandingan :
G/Rn = 420 kal/cm2/bulan 9000 kal/cm2/bln
= 0,047
0,047 x 100% = 5%
Contoh : Suatu tanah G yang diukur sebesar -50 kal/cm2 per hari dan Kq tanah 4 x 10-3 kal/cm/detik/oC.
Hitung : Rata-rata gradient suhu yang menyebabkan alran panas. Jawab : G = -Kq T/ z
50 kal/cm2/hari
Atau T/ z = -G/Kq = - ____________________________
(4 x 10-3 kal/cm/detik/oC) x ( 8,64 x 104 detik/hari)
50 kalori/cm2/hari
= ___________________ = 0,145 /cm/oC = 145 oC/cm
346 kal/cm/hari/oC
Aliran Panas pada Kondisi Tidak Tetap
Contoh-contoh di atas untuk menduga kondisi keadaan tetap. Kenyataannya hanya sedikit aliran panas pada kkondisi tetap di dalam tanah. Ada suatu variasi harian pada radiasi bersih (Rn) yang menyebabkan suhu permukaan tanah menjadi suatu keragaman harian. Keragaman suhu permukaan menyebabkan keragaman harian terhadap G. Akibatnya suhu tanah pada beberapa waktu dan pada beberapa kedalaman juga bervariasi. Sebagai tambahan untuk keragaman harian pada Rn dan G, ada suatu keragaman tahunan. Persamaan untuk aliran tidak tetap ini adalah :
T/ t = Dq 2T/ z2 …………..per.11
Contoh : Keterhantaran panas suatu tanah adalah 18 kal per cm per hari per oC, = 0,22 dan b = 1,25 g/cm3.
Hitung : Difusivitas panas.
Jawab : Dq = Kq/Cv 18 kal/cm.hari.oC
Dq = ____________________________________
(0,2) (1,25 g/cm3 x kal/goC x 0,22 kal/cm3oC
18 kal/cm.hari.oC
= ____________________________ 0,25 kal/cm3oC + 0,22 kal/cm3oC
18 kal/cm.hari.oC
= _______________ = 38 cm2/hari
0,47 kal/cm3oC
Beberapa Contoh Soal
1. Berapa panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu kolom tanah pada kedalaman 50 cm dengan suhu 2oC?
( v = 0,3 dan b = 1,1 g/cm3)
a. 22 kalori b. 30 kalori c. 8 kalori d. 26 kalori e. 52 kalori
1. Berapakah gradient suhu yang dibutuhkan jika penyebab kerapatan aliran panas 42 kal/cm2/hari, aliran pada kondisi tetap pada satu
ukuran dimensi dan keterhantaran panas 300 kal/cm/hari? a. 7 cm/oC b. 0,14 oC/cm c. 4,2 oC/cm
d. 0,21 oC/cm e. -0,21 oC
2. Jika pada contoh soal 3 suhu pada permukaan tanah 20oC. Berapa
suhu yang terjadi pada kedalaman 5 cm di bawah permukaan ? a. 20,7oC b. 19,3 oC c. 19,9 oC
d. 16,7 oC e. 24,2 oC
3. Berapa difusivitas panas untuk contoh soal 4 jika kerapatan lindak 1,3 g/cm3 dan v = 0,24 ?
Penutup
Suhu tanah, panas tanah dan aliran panas tanah merupakan satu kesatuan yang tidak dapat dipisahkan ketergantungannya satu sama lain. Karena merupakan bagian dari sifat fisika tanah suhu tanah, panas tanah dan aliran panas tanah sangat perlu diketahui untuk mengetahui fenomena dan gejala-gejala yang muncul dalam kegiatan sehari-hari di lapangan terutama bagi para peneliti tanah.
Daftar Pustaka
Baver, L.D.,Gardner, W.H and Gardner, W.R.1961. Soil Physics. John Wiley. Inc. New York. 489 pages.
Dirt. 2007. Demonstration of Factor Affecting Soil Temperature. http://www.wguess.edu/~crobinson/Dr Dirt.htm.
Hanks, R .J and Ashcroft, G. L. 1986. Applied Soil Physics. Soil Water and Temperature Applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, New York. 159 pages.
