LAPORAN PRAKTIKUM POT I
“KONDUKSI”
Disusun Oleh:
Samantha Juliana 0906489504 Muhammad Syaugi 0906515401 Bimo Haryowiarto 0906539093 Yoga Wienda Pratama 0906635816
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI... 1
BAB I PENDAHULUAN ... 2
I.1 Latar Belakang ... 2
I.2 Tujuan Percobaan ... 2
I.3 Prosedur Percobaan ... 2
I.4 Instrumentasi ... 3
BAB II LANDASAN TEORI ... 4
II.1 Hukum Fourier ... 5
II.2 Kondukstivitas Termal ... 6
II.3 Konduksi Tunak ... 7
II.3.1 Konduksi Tunak Satu Dimensi ... 7
II.3.2 Konduksi Tunak Dua Dimensi ... 8
II.4 Konduksi Tak Tunak ... 9
II.5 Konduktivitas Termal ... 10
II.6 Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh ... 12
BAB III DATA PENGAMATAN DAN PENGOLAHAN DATA... 15
III.1 Data Pengamatan ... 15
III.2 Pengolahan Data ... 16
BAB IV ANALISIS ... 26
IV.1 Analisis Percobaan... 26
IV.2 Analisis Perhitungan ... 30
IV.3 Analisis Hasil ... 32
IV.4 Analisis Grafik ... 34
IV.5 Analisis Kesalahan... 37
BAB V KESIMPULAN ... 38
REFERENSI ... 39
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat yang lain, secara alami kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Seiring berjalannya waktu, kalor dianggap sebagai suatu bentuk energi yang berkaitan erat dengan suhu. Kajian lanjut menunjukkan bahwa kalor dapat berpindah melalui tiga cara yaitu, konduksi, konveksi dan radiasi.
Apabila dua jenis benda yang memiliki temperatur berbeda saling berkontak termal, maka temperatur benda yang lebih panas akan perlahan mendingin, sedangkan temperatur benda yang lebih dingin akan menjadi panas hingga suhu tertentu. Peristiwa tersebut terjadi karena adanya perpindahan kalor antara dua benda yang berkontak termal. Perpindahan panas yang mana partikel-partikel dalam medium perpindahan panas tersebut tidak berpindah disebut konduksi. Pada peristiwa konduksi, koefisien perpindahan panas dan koefisien kontak merupakan faktor yang penting, yang dalam percobaan ini akan ditentukan besarnya untuk dua unit yang digunakan dalam percobaan.
I.2 Tujuan Percobaan
1. Menghitung koefisien perpindahan panas logam dan pengaruh suhu terhadap k, dengan menganalisa mekanisme perpindahan panas konduksi tunak dan tak tunak.
2. Menghitung koefisien kontak.
I.3 Prosedur Percobaan
1. Memeriksa jaringan air pendingin masuk dan keluar peralatan konduksi, periksa apakah air pendingin mengalir ke dalam alat dengan membuka kran pengontrol.
2. Mengalirkan alir pendingin dengan laju sangat kecil.
3. Menghubungkan kabel ke sumber listrik.
4. Memasang milivoltmeter, set mV meter pada penunjuk mV, DC.
5. Meng-ON kan saklar utama dan unit 1/2 dan 3/4.
7. Mengamati suhu tiap node 1 s/d node 10 setiap kemudian mengulangi pengamatan tiap node mulai dari node 10 s/d node 1 setiap 1 menit untuk unit 2 dan 3.
8. Menghentikan pengamatan apabila suhu node 10 telah tidak berubah suhunya pada 2 kali pengamatan.
I.4 Instrumentasi
1. Unit 2 (bagian sebelah kanan pada gambar)
Gambar 1.4.1 Instrumentasi alat unit 2
2. Unit 3
Gambar 1.4.2 Instrumentasi alat unit 3
BAB II
LANDASAN TEORI
Kalor adalah salah satu bentuk energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, akan terjadi perpindahan energi berupa kalor dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah. Ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material adalah perpindahan kalor. Salah satu cara perpindahan energi ini melalui mekanisme yang disebut konduksi atau hantaran. Konduksi dapat diartikan sebagai transmisi energi (panas) dari satu bagian padatan yang bersuhu tinggi ke bagian padatan lain yang kontak dengannya dan memiliki suhu lebih rendah.
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas. Berdasarkan perubahan suhu menurut waktu, konduksi dapat dibagi menjadi dua, yaitu konduksi tunak dan konduksi tidak tunak.
Pada zat padat, energi kalor tersebut dipindahkan hanya akibat adanya vibrasi dari atom-atom zat padat yang saling berdekatan. Hal ini disebabkan karena zat padat merupakan zat dengan gaya intermolekular yang sangat kuat, sehingga atom-atomnya tidak dapat bebas bergerak, oleh sebab itu perpindahan kalor hanya dapt terjadi melalui proses vibrasi.
Sedangkan proses konduksi pada fluida disebabkan karena pengaruh secara langsung karena atom-atomnya dapat lebih bebas bergerak dibandingkan dengan zat padat.
Konduksi merupakan suatu proses perpindahan kalor secara spontan tanpa disertai perpindahan partikel media karena adanya perbedaan suhu, yaitu dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah.
Konduksi atau hantaran kalor pada banyak materi dapat digambarkan sebagai hasil tumbukan molekul-molekul. Sementara satu ujung benda dipanaskan, molekul-molekul di tempat itu bergerak lebih cepat. Sementara itu, tumbukan dengan molekul-molekul yang langsung berdekatan lebih lambat, mereka mentransfer sebagian energi ke molekul-molekul
demikian, energi gerak termal ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda. Hal inilah yang mengakibatkan terjadinya konduksi.
Konduksi atau hantaran kalor hanya terjadi bila ada perbedaan suhu. Berdasarkan eksperimen, menunjukkan bahwa kecepatan hantaran kalor melalui benda yang sebanding dengan perbedaan suhu antara ujung-ujungnya.Kecepatan hantaran kalor juga bergantung pada ukuran dan bentuk benda. Untuk mengetahui secara kuantitatif, perhatikan hantaran kalor melalui sebuah benda uniform tampak seperti pada gambar berikut.
Gambar 2.1 Mekanisme konduksi
sumber: faculty.petra.ac.id/herisw/Fisika1/13-kalor.doc
Konduksi dapat dibagi menjadi dua berdasarkan berubah atau tidaknya suhu terhadap waktu, yaitu konduksi tunak (steady) dan konduksi tak tunak (unsteady). Konduksi tunak dapat dijelaskan sebagai konduksi ketika suhu yang dihantarkan tidak berubah atau distribusi suhu konstan terhadap waktu. Sebaliknya, konduksi tak tunak jika suhu berubah terhadap waktu.
II.1 Hukum Fourier
Seorang ahli matematika fisika berkebangsaan Perancis, Joseph Fourier, menunjukan bahwa waktu rata-rata perpindahan kalor melalui media sebanding dengan gradien suhu dan daerah yang dilalui kalor tersebut. Hukum Fourier menyatakan bahwa laju perpindahan kalor (dQ/dt atau q) berbanding lurus dengan luas area (A) yang dilalui aliran kalor dan perubahan suhu selama terjadi aliran kalor (T/x).
x kA T
q
(2.1)
dengan nilai k merupakan konduktivitas termal bahan. Tanda minus menyatakan bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu (T lebih kecil).
II.2 Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal (k) merupakan suatu konstanta yang dipengaruhi oleh suhu yang nilainya akan bertambah jika suhu meningkat. Selain memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh suhu, nilai k juga merupakan suatu besaran yang dapat mengidentifikasi sifat penghantar suatu benda. Bahan yang memiliki konduktivitas termal yang besar biasanya dikategorikan sebagai penghantar panas yang baik, dan sebaliknya. Umumnya, nilai k logam lebih besar daripada nonlogam, dan k pada gas sangat kecil. Unit konduktivitas termal biasanya dinyatakan dalam Watt/moC atau BTU/jam.ft.oF. Nilai konduktivitas termal dapat diperoleh dari persamaan umum konduksi, yaitu
T x t A k Q x A T t k H Q
.
. .
. (2.2)
dimana ΔT adalah perbedaan suhu dan x adalah ketebalan permukaan media yang memisahkan dua suhu Bila perubahan konduktivitas termal (k) merupakan fungsi liner terhadap perubahan suhu, maka hubungan tersebut dapat dituliskan sebagai,
T
k
k 0 1 (2.3)
Pada zat padat, energi kalor dihantarkan dengan cara getaran kisi bahan. Selain itu, menurut hukum Wiedemann-Franz, konduktivitas termal zat padat mengikuti konduktivitas elektrik, dimana pergerakan elektron bebas yang terdapat pada kisi tidak hanya menghasilkan arus elektrik tapi juga energi panas. Hal ini adalah salah satu penyebab tingginya nilai konduktivitas termal beberapa jenis zat padat, terutama logam.
Untuk kebanyakan gas pada tekanan sedang konduktivitas termal merupakan fungsi suhu. Pada gas ringan, seperti hidrogen dan helium memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Gas padat seperti xenon memiliki konduktivitas kecil, sedangkan sulfur hexafluorida, yang berupa gas padat, memiliki konduktivitas termal yang tinggi berdasar tingginya kapasitas panas gas ini.
Konduksi energi kalor dalam zat cair, secara kualitatif, tidak berbeda dari gas.
(molecule force field) lebih besar pengaruhnya pada pertukaran energi dalam proses tubrukan molekul.
Tabel 2.1 Konduktivitas Berbagai Jenis Zat sumber: ittelkom.ac.id
II.3 Konduksi Tunak
Pada konduksi tunak, terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah, dimana suhu tidak berubah terhadap fungsi waktu. Berdasarkan arah pergerakan laju perpindahan kalor, konduksi tunak dibagi atas konduksi tunak dimensi satu dan konduksi tunak dimensi rangkap.
II.3.1 Konduksi Tunak Satu Dimensi
Sistem Tanpa Sumber Kalor
Pada aliran kalor satu dimensi dalam keadaan tunak, dimana tidak terdapat pembangkitan kalor, persamaan umum yang berlaku adalah
(2.4) Dalam koordinat silindris persamaan ini menjadi
(2.5) Dengan mengaplikasikan persamaan Fourier, pada dinding datar berlaku persamaan
0 2 1 22 12
2 T T T
x T A
q k
(2.6)
Jika dalam sistem teradapat lebih dari satu macam bahan (komposit), aliran kalor dapat ditulis
A k
x A k
x A k
x
T q T
C C B
B A
A
1 4 (2.7)
Untuk geometri lainnya, penurunan persamaannya dapat dilihat pada tabel 1 di bagian lampiran.
Sistem dengan Sumber Kalor
Pada beberapa proses perpindahan kalor, misalnya pada reaktor nuklir, konduktor listrik, maupun sistem reaksi kimia, terdapat situasi di mana kalor dibangkitkan dari dalam. Untuk sistem tunak yang disertai adanya kalor yang dibangkitkan, maka digunakan persamaan umum,
(2.8) Pada dinding datar dengan sumber kalor berlaku persamaan
Tw
k L T q
2
2 0
(2.9)
Untuk geometri lainnya, persamaan yang digunakan dapat dilihat pada tabel 1 lampiran.
II.2.2 Konduksi Tunak Dua Dimensi
Perpindahan kalor konduksi keadaan tunak dua dimensi, kalor mengalir dalam arah kordinat ruang x dan y yang tidak saling bergantungan satu sama lain. Untuk keadaan tunak berlaku persamaan Laplace
2 0
2 2
2
y T x
T
(2.10) Dengan menganggap konduktivitas termal tetap. Persamaan ini dapat diselesaikan
memberikan suhu dalam benda dua dimensi sebagai fungsi dari dua kordinat ruang x dan y. aliran kalor pada arah x dan y dapat dihitung dari persamaan Fourier:
(2.11)
(2.12) Besaran-besaran aliran kalor tersebut masing-masing mempunyai arah x atau y. aliran kalor total pada setiap titik dalam bahan itu adalah resultan dari qx dan qy di titik itu.
Jadi, vektor aliran kalor total mempunyai arah sedemikian rupa sehingga tegak lurus terhadap garis-garis suhu tetap.
II.4 Konduksi Tak Tunak
Pada konduksi tak tunak, temperatur merupakan fungsi dari waktu dan jarak. Atau dengan kata lain, perpindahan kalor konduksi tunak terjadi jika suhu tidak berubah terhadap waktu dan konduksi tunak terjadi jika suhunya berubah terhadap waktu, sehingga pada persamaan perpindahan kalor konduksi tak tunak terdapat suku / . Persamaan T t perpindahan kalor konduksi tak tunak dapat dituliskan secara umum
t T z
T y
T x
T T
1
2 2 2 2 2 2
2 (2.13)
dimana α merupakan difusifitas termal.
Untuk keadaan tidak tunak atau terdapat sumber kalor di dalam benda, maka perlu dibuat neraca energi.
Energi di muka kiri
x kA T qx
Energi yang dibangkitkan di dalam unsur qAdx Perubahan energi dalam
t dx cA T
Energi keluar dari muka kanan
dx
x k T x x k T x A
kA T q
dx x dx
x
x kA T
qx x
y kA T qy y
