BAB I
PENGANTAR PERPINDAHAN PANAS
Capaian Pembelajaran Umum
a. Memahami prinsip perpindahan panas
b. Memahami beberapa mekanisma perpindahan panas
Capaian Pembelajaran Khusus
a. Memahami prinsip dasar dan sifat-sifat perpindahan panas b. Memahami prinsip perpindahan panas konduksi
c. Memahami prinsip perpindahan panas konveksi d. Memahami prinsip perpindahan panas radiasi
e. Memahami contoh-contoh peristiwa konduksi, konveksi dan radiasi
A. PENDAHULUAN
Hampir semua operasi di bidang proses industri melibatkan transfer panas atau operasi perpindahan panas. Dengan demikian dasar-dasar perpindahan panas sangat penting untuk dipahami sebelum mempelajari aplikasi dari perpindahan panas itu di industri. Perpindahan panas pada dasarnya memiliki tiga ragam mekanisma, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Dalam bab ini akan dibahas pengantar dari mekanisma perpindahan panas sebelum nantinya diuraikan secara rinci pada masing-masing bab.
B. POKOK-POKOK ISI
1. Sifat-Sifat Perpindahan Panas
Bila dua buah benda yang suhunya berbeda berada dalam kontak termal, maka panas akan mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Aliran netto selalu berlangsung menurut arah penurunan suhu. Pengaliran panas itu dapat berlangsung dengan tiga ragam mekanisme: Konduksi atau hantaran (conduction), konveksi atau aliran (convection) dan radiasi atau pancaran (radiation).
2. Konduksi
Jika dalam suatu bahan kontinu terdapat gradien (landaian) suhu, maka panas akan mengalir tanpa disertai oleh suatu gerakan zat. Aliran panas seperti itu disebut Konduksi atau hantaran. Pada logam-logam padat konduksi termal itu adalah akibat gerakan elektron yang tak terikat, dan konduktivitas termal ini mempunyai hubungan yang erat sekali dengan konduktivitas listrik. Pada zat padat yang bukan penghantar listrik, dan pada kebanyakan zat cair, konduksi termal itu merupakan akibat dari transfer momentum oleh masing masing molekul sepanjang perbedaan suhu yang terjadi. Pada gas, konduksi terjadi karena gerakan rambang molekul-molekul, sehingga panas terdifusi dari bagian yang lebih panas ke bagian yang lebih dingin. Contoh yang paling umum mengenai konduksi ini ialah perpindahan panas dalam zat padat buram yang tak tembus cahaya, seperti dinding bata pada tungku atau dinding logam pada tabung dan pipa.
Perpindahan panas terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah melalui benda kaku. Dan disini tidak terjadi perpindahan materi.
Pada gambar 1 panas dQ mengalir dari bagian sebelah kiri ke sebelah kanan melalui benda setebal dx. Hal ini terjadi kaarena suhu bagian kiri benda (T1) lebih besar dibandingkan suhu bagian kanannya (T2). Laju alir panas (dQ) dapat dihitung dengan rumusan :
𝑑𝑄 = 𝑘. 𝐴−𝑑𝑇
𝑑𝑥 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑗𝑎𝑚⁄
Gambar 1. Aliran Panas melewati dinding Dimana :
K = konduktivitas termal (J/jam.m.K) A = Luas permukaan penghantar (m2) -dT = perbedaan suhu (T2 – T1), oC atau K dx = tebal dinding, m
3. Konveksi
Bila arus atau partikel-partikel makroskopik fluida melintas suatu permukaan tertentu, seperti umumnya, bidang batas suatu volume kendali, arus itu akan ikut
membawa serta sejumlah tertentu dari entalpi. Aliran entalpi demikian disebut aliran konveksi kalor atau singkatnya konveksi. Oleh karena konveksi itu merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau arus fluida yang dapat melawan gaya gesekan. Konveksi sangat erat kaitannya dengan mekanika fluida. Bahkan secara termodinamik, konveksi itu dianggap bukan sebagai aliran panas, tetapi sebagai fluk entalpi.
Pengidentifikasian konveksi dengan aliran panas hanyalah untuk memudahkan saja, karena dalam prakteknya sulit untuk membedakan antara konveksi dengan konduksi yang sebenarnya apabila keduanya digabungkan dibawah satu nama konveksi saja. contoh konveksi adalah perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran (eddy) aliran turbulen dan arus udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator atau pemanas
Rumusan yang digunakan : dQ = -h.A.(T1 – T2)
Konveksi Alamiah dan Konveksi paksa.
Gaya-gaya yang menggerakkan arus konveksi didalam fluida terdiri dari dua macam. Jika arus itu terjadi sebagai akibat gaya yang disebabkan oleh perbedaan densitas, dan perbedaan densitas ini adalah akibat dari adanya gradien suhu di dalam massa fluida itu, maka peristiwa itu disebut konveksi alamiah (natural convection). Contoh konveksi alamiah adalah aliran udara melintas radiator panas.
Jika arus itu digerakan oleh piranti mekanik seperti pompa atau pengaduk (agitator), aliran itu tidak tergantung pada gradien densitas, dan disebut konveksi paksa (force convection). Contoh konveksi paksa ialah aliran panas melalui pipa panas. Kedua macam gaya ini mungkin pula bekerja bersama-sama didalam fluida yang sama, sehingga konveksi alamiah dan konveksi paksa berlangsung bersama- sama.
4. Radiasi
Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak ditransformasikan menjadi panas atau bentuk energi lainya, dan ia pula tidak berbelok dari lintasannya. Tetapi sebaliknya, bila terdapat zat
pada lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi (diteruskan) , refleksi ( dipantulkan) dan absorpsi (diserap). Hanya energi yang diserap itu saja yang muncul sebagai panas, dan transformasi itu bersifat kuantitatif. Sebagai contoh , kuarsa lebur akan meneruskan hampir sebagian besar radiasi yang menimpanya;
permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan sebagian besar radiasi yang jatuh padanya; sedang permukaan yang hitam atau yang tidak mngkilap akan menyerap kebanyakan radiasi yang diterimanya, dan mengubah energi yang diserapnya itu secara kuantitatif menjadi panas.
Menurut teori elektromagnetik Maxwell, energi radiasi disebabkan oleh adanya gerakan pada medan listrik dan medan magnet yang ada pada setiap benda dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Selanjutnya, gerakan – gerakan tersebut akan semakin meningkat jika benda menyerap energii, sebaliknya, jika benda memancarkan energi maka gerakan – gerakan tersebut akan berkurang.
Planck dengan teori kuantumnya setiap benda pada frekuensi tertentu terdapat jumlah energi minimum yang dapat diancarkan dalam bentuk paket – paket kuantum. Total eneergi yang dapat dipancarkan merupakan jumlah keseluruhan kuantum pada frekuensi itu.
Kemudian Stefan dan Boltzman menurunkan satu rumus untuk menghitung panas secara radiasi yaitu :
𝐸 =𝑄
𝐴 = 𝑒 𝜎 [(𝑇1)4− (𝑇2)4] Dimana :
Q = Laju alir panas (J/Jam) A = Luas permukaan benda (m2) E = emisivitas
σ = konstanta Stefan Boltzman = 0,173 x 10-6Btu/jam ft2R4 T1 dan T2 = suhu absolut benda (R)
Gas- gas beratom satu (mono atom) dan beratom dua (diatom) bersifat transparan atau cerah (transparent) terhadap radiasi termal, dan tidak jarang ditemukan bahwa panas mengalir melalui gas itu dengan cara radiasi dan konduksi-konveksi bersama-sama. Contohnya adalah hilangnya panas dari radiator atau pipa uap tanpa isolasi ke udara ruang sekitar, dan perpindahan panas didalam tungku dan alat-alat pemanas gas suhu tinggi lainnya. Kedua mekanisma itu tidak tergantung satu
sama lainnya. Dan berlangsung secara paralel, sehingga masing-masing ragam aliran panas dapat dikendalikan dan diubah tanpa mempengaruhi ragam yang lain.
Konduksi-konveksi dan radiasi dapat dikaji secara terpisah dan pengaruhnya masing-masing lalu dijumlahkan bilamana keduanya sama sama penting. Secara umum, radiasi menjadi penting pada suhu tinggi dan tidak bergantung pada situasi aliran fluida. Konduksi-konveksi sangat peka terhadap kondisi aliran dan kurang terpengaruh oleh tingginya suhu.
5. Analogi Panas/Kalor dan Listrik
Analogi listrik ini dapat digunakan untuk memecahkan persoalan yang lebih rumit baik yang menyangkut tahanan termal dalam susunan seri, paralel ataupun kombinasi
Tabel 1. Analogi Listrik – Kalor
Kualitas Listrik Kalor
Potensial Voltase (V) Beda Temperatur (ΔT) Arus Kuat Arus (I) Laju Perpindahan Panas (q) Tahanan Tahanan listrik (R) Tahanan Termal (R)
Persamaan yang menghubungkan ketiga variabel di atas untuk listrik dan perpindahan panas masing – masing adalah :
𝐼 = 𝑉
𝑅 𝑞 =∆𝑇
𝑅
Tahanan thermal untuk perpindahan konduksi dan konveksi masing – masing adalah
𝑅𝑘 = ∆𝑥
𝑘𝐴 𝑅𝑐 = 1
ℎ𝐴
Contoh 1 :
Salah satu muka sebuah plat tembaga yang tebalnya 3 cm mempunyai suhu tetap 400oC, sedang suhu muka yang sebelah lagi selalu 100oC. Berapakah kalor yang dipindahkan melintasi lempeng itu ?
Penyelesaian : X = 3 cm = 0,03 m T0 = 400oC
T1 = 100oC K = 385 W/m C
𝑄 = 𝑘. 𝐴∆𝑇
∆𝑥 𝑄
𝐴 = 385 𝑊 𝑚℃ ×−300
0,03 = 3,85 𝑥 106 𝑊 𝑚⁄ 2
⁄
Contoh 2 :
Diperoleh daya hantar panas tembaga = 370 W/m C. Pada suhu 250 C. Kalor yang dipindahkan melintasi lempeng itu = Q/A
Penyelesaian :
𝑑𝑄 = 𝑘. 𝐴−𝑑𝑇
∆𝑥 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒/𝑗𝑎𝑚 𝑄
𝐴 = −𝑘 𝑑𝑇
𝑑𝑥 = −(370)(100 − 400)
3𝑥10−2 = 3,7𝑀𝑊 𝑚2
Contoh 3 :
Udara pada suhu 20 C bertiup diatas plat panas 50 x 75 cm. Suhu plat dijaga 250 C.
Koeffisien perpindahan panas konveksi adalah 25 W/m2 C. Hitunglah perpindahan kalornya ?
Penyelesaian :
dQ = - h.A (T1 – T2) = -h.A (Tu – Tp)
= - (25)(0,5) (0,75) (20 – 250)
= 2,156 kW
Contoh 4 :
Arus listrik dialirkan melalui kawat yang diameternya 1 mm dan panjangnya 10 cm.
Kawat itu dibenamkan dalam air pada tekanan atmosfer, dan arus dialirkan hingga air mendidih. Dalam hal ini h = 5000 W/m2 C dan suhu air menjadi 100 C. Berapa daya listrik yang mesti diberikan pada kawat supaya suhu permukaan kawat tetap 114 C?
Penyelesaian :
Luas permukaan kawat ialah :
A = πDL = π(1x10-1)(10 x 10-2) = 3,142 x 10-4 m2 Jadi,
Q = (5000 W/m2 C)( 3,142 x 10-4)(114 – 100) = 21,99W
Contoh 5 :
Dua plat hitam tak terhingga yang suhunya masing – masing 800 dan 300 C saling bertukar kalor melalui radiasi. Hitunglah perpindahan kalor persatuan luas.
Penyelesaian : 𝑄
𝐴 = 𝑒 𝜎 [(𝑇1)4− (𝑇2)4]
= (5,669 x 10-8)(10744 – 5734)
= 69,03 kW/m2
C. RANGKUMAN
1. Bila dua buah benda yang suhunya berbeda berada dalam kontak termal, maka panas akan mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Aliran netto selalu berlangsung menurut arah penurunan suhu. Pengaliran panas itu dapat berlangsung dengan tiga ragam mekanisme: Konduksi atau hantaran (conduction), konveksi atau aliran (convection) dan radiasi atau pancaran (radiation).
2. Konduksi merupakan akibat dari transfer momentum oleh masing masing molekul bahan sepanjang perbedaan suhu yang terjadi.
3. Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau arus fluida yang dapat melawan gaya gesekan.
4. Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik
5. Analogi listrik dapat digunakan untuk memecahkan persoalan yang lebih rumit baik yang menyangkut tahanan termal dalam susunan seri, paralel ataupun kombinasi
D. SOAL LATIHAN
1. Jelaskan prinsip dari perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi.
2. Jelaskan peristiwa konveksi alamiah dan konveksi paksa.
3. Jelaskan beberapa contoh perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi.
4. Jika 3 kW dialirkan melalui sepotong bahan isolasi yang luas penampangnya 10 m2 dan tebalnya 2,5 cm dan konduktivitasya dianggap 0,2 W/m oC.
Hitunglah beda suhu dikedua sisi bahan itu ?
5. Fluks kalor matahari sebesar 700 W/m2 diserap oleh plat logam yang bagian belakangnya diisolasi sempurna. Koefisien perpindahan panas konveksi plat itu ialah 11 W/m oC dan suhu lingkungan 30 C. Hitung suhu plat pada keadaan setimbang
