Bab II
Tinjauan Pustaka
2.1 Teori Dasar
2.1.1 Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) adalah proses berpindahnya energi kalor atau panas (heat) karena adanya perbedaan temperatur. Dimana, energi kalor akan berpindah dari temperatur media yang lebih tinggi ke temperatur media yang lebih rendah. Proses perpindahan panas akan terus berlangsung sampai ada kesetimbangan temperatur yang terjadi pada kedua media tersebut. Proses terjadinya perpindahan panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi.
2.1.2 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas radiasi dapat dikatakan sebagai proses perpindahan panas dari satu media ke media lain akibat perbedaan temperatur tanpa memerlukan media perantara. Peristiwa radiasi akan lebih efektif terjadi pada ruang hampa, berbeda dari perpindahan panas konduksi dan konveksi yang mengharuskan adanya media perpindahan panas. Ilustrasi perpindahan panas secara radiasi digambarkan seperti gambar 2.1.
Gambar 2.1 Proses perpindahan panas secara radiasi Sumber: (maslatip.com)
Untuk dapat memahami apa yang terjadi pada proses memanaskan air serta efeknya dalam menggunakan selubung, maka hal yang pertama dilakukan adalah menentukan sistem.
Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda nyata (real)( qrad. g¿, adalah:
qrad. g=εσ Ts 4
A ...(2.1)
Sedangkan, untuk benda hitam sempurna (black body), dengan nilai emisivitas ( ε=¿ 1) memancarkan radiasi ( qrad. b¿ , sebesar:
qrad. b=σ Ts4A ...(2.2)
(surrounding) dengan temperatur sekeliling (Tsur), adalah:
qrad=εσ(Ts4−Tsur4 )A ...(2.3)
Dimana:
qrad=¿ laju pertukaran panas radiasi (W) = nilai emisitas suatu benda (01)
= konstanta proporsionalitas, disebut juga konstanta Stefan Boltzmann. Dengan nilai 5.67 x 10-8(W/m2K4)
A = luas bidang permukaan (m2) Ts = temperature benda (K)
Dalam hal ini semua analisis tentang temperatur dalam pertukaran panas radiasi adalah dalam temperatur mutlak (absolut) yaitu Kelvin (K).
2.1.3 Perpindahan panas secara konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada suatu media padat, atau pada media fluida yang diam. Konduksi terjadi akibat adanya perbedaan temperatur antara permukaan yang satu dengan permukaan yang lain pada media tersebut. Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi seperti digambarkan pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Proses perpindahan panas secara konduksi Sumber : (maslatip.com)
Proses perpindahan panas secara konduksi pada steady state melalui dinding datar suatu
dimensi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Perpindahan panas konduksi pada bidang datar Sumber: (Incropera dan DeWitt, 3rd ed.)
Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum Fourier (Fourier Law of Heat Conduction) tentang konduksi, yang persamaan matematikanya dituliskan sebagai berikut (Kreith, Frank, 1997):
´
Qkonduksi=−kA ΔT
Δ x ...(2.4) Dimana:
qkond=¿ laju perpindahan panas konduksi (W)
K = konduktivitas thermal bahan (W/m.K)
A = luasa penanmpang tegang lurus terhadap arah aliran panas (m) d T
dx =¿ Gradien temperature pada penampung tersebut (K/m)
Tanda (-) diselipkan agar memenuhi hukum Thermodinamika II, yang menyebutkan bahwa, panas dari media bertemperatur lebih tinggi akan bergerak menuju media yang bertemperatur lebih rendah.
2.1.4 Perpindahan Panas Konveksi
Gambar 2.4 Proses perpindahan panas secara konveksi Sumber: (nasrulbintang.files.wordpress.com)
Suatu fluida memiliki temperatur (T) yang bergerak dengan kecepatan (V), diatas permukaan benda padat (Gambar 2.5). Temperatur media padat lebih tinggi dari temperatur fluida, maka akan terjadi perpindahan panas secara konveksi dari benda padat ke fluida yang mengalir.
Gambar 2.5 Perpindahan panas konveksi dari permukaan media padat ke fluida yang mengalir
Sumber: (Incropera dan DeWitt, 3rd ed.)
Laju perpindahan panas konveksi mengacu pada Hukum Newton tentang
pendinginan (Newton’s Law of Cooling) (Incopera and De Witt), dimana: Ts−❑
❑
´
Qkonveksi=−hA¿
...(2.5)
2.1.4 Sistem Pemanasan Air tanpa Selubung
Gambar 2.3 Model sistem massa atur tanpa selubung
Dari Gambar 2.3 dapat dilihat bahwa sumber energi yang masuk ke dalam sistem berasal dari api kompor. Energi tersimpan di air dalam bentuk kenaikan temperatur air, begitu pula energi yang tersimpan di panci dalam bentuk kenaikan temperatur panci. Namun karena massa panci relatif kecil dibanding massa air dan kapasitas panas jenis spesifik panci yang berbahan alumunium relatif rendah dibanding kapasitas panas jenis spesifik air, maka energi yang diserap di panci relatif kecil dibanding energi yang diserap air. Oleh karena itu, energi yang diserap panci dapat diabaikan dalam perhitungan. Energi yang keluar dari sistem adalah energi yang terbuang ke lingkungan baik dari air, panci, maupun energi dari api yang belum sempat berpindah ke air atau panci. Sebuah asumsi perlu dinyatakan agar neraca energi dapat dibuat yaitu bahwa energi yang dibangkitkan api dianggap seluruhnya masuk ke dalam sistem, baru kemudian energi akan keluar dari sistem sebagai rugi-rugi energi.
Ada dua bentuk sistem termodinamika yaitu sistem tertutup atau sistem massa atur, dan sistem terbuka atau sistem volume atur. Pada sistem massa atur, energi melewati batas sistem sedangkan massa tidak melewati batas sistem. Energi yang berpindah dalam bentuk panas atau kerja. Energi dapat berpindah masuk ke dalam sistem maupun berpindah keluar dari sistem. Pada sistem volume atur, selain energi, massa juga melewati batas sistem. Dengan adanya massa yang melewati batas sistem, energi juga turut mengalir melewati batas sistem yaitu energi aliran.
Pada sistem memanaskan air dalam panci, tidak ada massa yang melewati batas sistem sehingga sistem dapat dianggap sistem tertutup atau massa atur. Permasalahan termodinamika sistem tertutup cukup diselesaikan dengan melakukan neraca energi. Pada proses memanaskan air, neraca energi dievaluasi pada keadaan belum memanaskan air terhadap keadaan sesudah memanaskan air.
Neraca energi untuk sistem tertutup adalah:
EK+EP+U=Q−W ...(2.4) dimana:
EK adalah perubahan energi kinetik EP adalah perubahan energi potensial U adalah perubahan energi dalam
Q adalah energi yang melewati batas sistem dalam bentuk panas W adalah energi yang melewati batas sistem dalam bentuk kerja
Dalam persamaan 2.4 notasi W dapat dihilangkan karena pada sistem tidak ada kerja masuk maupun keluar. Dengan mengabaikan perubahan energi kinetik maupun energi potensial, maka persamaan 2.4 dapat lebih disederhanakan menjadi:
U=Q ... (2.5)
Energi panas Q adalah energi masuk Egas dan energi keluar Eloss. U adalah perubahan energi dalam yang ditandai dengan naiknya temperatur air.
2.1.5 Sistem Pemanasan Air dengan Selubung
Gambar 2.4 Model sistem massa atur dengan selubung
Pemanasan air menggunakan selubung seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.4 memungkinkan lebih banyak energi masuk melalui sisi panci. Hal ini terjadi karena udara panas diarahkan oleh selubung untuk lebih merapat ke dinding panci.
2.2 Hubungan Sifat Termodinamika
Dalam mengevaluasi sifat-sifat termodinamika, asumsi-asumsi dapat diterapkan untuk mempermudah perhitungan. Asumsi ditentukan sesuai dengan keadaan sistem yang sedang dianalisis. Asumsi-asumsi yang sering muncul dalam permasalahan termodinamika antara lain model zat inkompresibel dan model gas ideal. Asumsi zat inkompresibel biasanya berlaku untuk sistem yang berupa benda cair atau benda padat. Sifat termodinamika benda cair dan benda padat hanya berubah sedikit terhadap perbedaan tekanan. Dengan demikian, perubahan sifat termodinamika benda cair dan benda padat akibat perubahan tekanan dapat diabaikan terhadap perubahan sifat termodinamika akibat perubahan temperatur. Asumsi zat inkompresibel seringkali juga menyatakan bahwa volume spesifik tidak berubah dan energi dalam hanya bergantung pada temperatur.
Istilah kapasitas panas jenis spesifik diperkenalkan untuk memudahkan perhitungan pada model zat inkompresibel maupun model gas ideal (Moran:2000). Kapasitas panas jenis spesifik didefinisikan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
Cv(T)=∂u
Huruf v dan p menandakan bahwa penurunan dilakukan dengan menganggap v atau p sebagai sebuah konstanta.
Khusus untuk zat inkompresibel, karena ada asumsi volume spesifik konstan, maka turunan entalpi terhadap temperatur dengan menganggap p konstanta akan menjadi du/dT. Dengan demikian, pada zat inkompresibel tidak ada perbedaan nilai antara Cp maupun Cv, atau Cp = Cv = C.
Air adalah zat inkompresibel. sehingga U dapat didekati dengan mH2O . cH2O .
(T2-T1). Setelah mengidentifikasi variabel U dan Q, persamaan 2.5 berubah menjadi:
mH2O . cH2O .(T2-T1) = Egas−Eloss ...(2.8) Egas adalah massa gas yang digunakan dikali LHV gas tersebut (persamaan 2.9)
Egas mgas LHV...(2.9)
Dengan menukarkan sisi kiri pada persamaan 2.8 dengan Eloss yang ada di sisi
kanan serta mensubtitusikan Egas dengan persamaan 2.9, maka persamaan 2.8 menjadi: Eloss=¿ mgas LHV- mH2O . cH2O .(T2-T1)...(2.10)
Kapasitas panas jenis spesifik untuk air adalah 4,2 kJ/kg.K. LHV untuk butana (C4H10) adalah 45720 kJ/kg.
2.3 Perhitungan Efisiensi
Efisiensi berdasarkan sistem yang telah digambarkan diatas adalah perbandingan antara banyaknya energi yang diserap air terhadap banyaknya energi bahan bakar yang digunakan.
Ƞ= Estored
Egenerated
...
(2.11)
dimana “energi yang diserap air” diperoleh dari rumus:
Estored=mH2O . cH2O .T...(2.12) dan “energi bahan bakar yang digunakan” diperoleh dari rumus:
Egenerated=¿ mgas LHV... (2.13)
sehingga efisiensi memasak diperoleh dengan menghitung:
Ƞ=mH2O. cH2O. T
mgas. LHV ...
(2.14)
Panas yang dihasilkan oleh pembakaran tidak semuanyadiserap oleh air, melainkan juga hilang karena mekanisme perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi, yang masing-masing dapat diperlihatkan pada persamaan perpindahan panas dibawah ini [3].
´
dimana k adalah konduktifitas termal bahan, h adalah koefisien perpindahan panas
konveksi, T adalah perbedaan temperatur antara dua permukaan, A = luas penampang, e
adalah bahan dan adalah konstanta Boltzmann yang bernilai 5.67 x 108 W/m2. K4.
2.5 Konduktifitas Thermal
Konduktifitas termal suatu material didefinisikan sebagai panas yang dapat dihantarkan oleh sebuah material dengan ketebalan x persatuan luas A dan perbedaan temperatur seperti terindikasi pada persamaan perpindahan panas konduksi (2.15) [6].
k=Q´cond∆ x
A ∆ T ... (2.18)
Konduktifitas termal juga bisa di ilustrasikan sebagai kemampuan sebuah material untuk menghantarkan panas secara konduksi. Semakin besar konduktifitas termal sebuah material, semakin efektif material tersebut menghantarkan panas secara konduksi.
