(Jurnal Konduksi)
(cover)
ABSTRAK
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Pada prinsipnya perpindahan panas akan terjadi karena energi berpindah dari suatu tempat ke tempat lainnya sebagai akibat dari perbedaan temperatur antara tempat tersebut. Energi tersebut dapat juga berpindah melalui sebuah media baik itu dalam bentuk cair, padat maupun udara. Salah satu hal yang sering kita jumpai adalah proses konduksi dimana energy berpindah melalui media yang tidak bergerak. Dalam hal ini biasanya konduksi terjadi melalui zat padat.
Dalam kehidupan sehari-hari banyak dijumpai proses perpindahan panas, khususnya secara konduksi. Sebagai contoh adalah ketika pertama kali menyalakan motor pada pagi hari, knalpot bagian paling ujung tidak akan terasa panas tapi setelah kita pakai untuk berangkat kuliah maka akan terasa panas jika kaki kita tersentuh ke knalpot tersebut.
Dalam bidang otomotif juga dapat dijumpai proses perpindahan panas secara konduksi. Salah satu contohnya yaitu pada blok dan kop engine. Pada blok dan kop engine juga terdapat fin-fin yang berfungsi sebagai pendingin. Dalam fin- fin tersebut juga terdapat perpindahan panas secara konduksi. Oleh karena itu, diperlukan pemahaman proses konduksi melalui percobaan ini. Praktikum konduksi dapat membantu mahasiswa memahami fenomena konduksi lebih lanjut.
1.2 Tujuan Praktikum
Adapun tujuan dari praktikum kali ini adalah:
1. Meningkatkan pemahaman terhadap konsep dasar proses perpindahan panas secara konduksi.
2. Mampu membandingkan serta mengestimasi nilai konduktivitas dan overall heat transfer coefficient suatu jenis material melalui
pengolahan data.
3. Mengetahui pengaruh jarak perpindahan panas terhadap distribusi temperatur yang terjadi dan juga pengaruh kenaikan temperatur spesimen terhadap nilai konduktivitasnya.
1.3 Batasan Masalah
Berikut merupakan batasan masalah pada praktikum ini, yaitu:
1. Steady State
Properties spesimen terhadap suatu titik tidak berubah terhadap waktu.
2. No Heat Generation
Spesimen uji tidak memiliki energi bangkitan karena specimen dianggap logam murni di mana tidak ada tegangan sisa pada proses pengerjaannya.
3. No Contact Resistance
Tahanan kontak antara dua permukaan diabaikan karena bidang kontak antara spesimen dan logam penghantar dianggap rata.
4. Sumber panas dianggap konstan
Karena panas ditimbulkan oleh arus dan tegangannya diatur konstan.
5. One Dimensional Conduction
Konduksi diasumsikan hanya satu arah karena di sekeliling benda uji terisolasi.
BAB II DASAR TEORI 2.1 Konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya, dimana energi panasnya dipindahkan dari satu molekul ke molekul lain dari benda tersebut. Contohnya perpindahan panas melalui sepotong besi, dari salah satu ujung ke ujung lainnya.
Gambar 2.1 Aktivitas molekul pada perpindahan secara konduksi
Pada kondisi nilai T1 lebih besar dari T2 menyebabkan partikel-partikel yang berbeda dekat dengan T1 akan bergerak secara acak (berputar dan bergetar) dan saling bertumbukan dengan partikel yang lainnya sehinggaterjadi perpindahan energi yaitu berupa panas dari T1 ke T2. Besarnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dalam bentuk HeatFlux, q” dengan satuan W/m2, yaitu perpindahan panas tiap satuan luas, yang arahnya tegak lurus dengan luasan dan besarnya sebanding dengan gradien temperaturnya. Secara umum, besarnya nilai perpindahan panas adalah :
q”𝑛 = −𝑘𝑑𝑇
𝑑𝑛………..……….(2.1)
Dan nilai kearah x, persamaan menjadi seperti berikut ini:
q”𝑥 = −𝑘𝑑𝑇
𝑑𝑥………(2.2)
Dimana k ialah properties konduktifitas thermal dengan satuan 𝑊
𝑚.𝐾 dengan asumsi steady state condition, distribusi temperatur pada konduksi merupakan linier sehingga distribusi temperatur dinyatakan dengan berikut:
𝑑𝑇
𝑑𝑥 = 𝑇2− 𝑇1 𝐿 q” = −𝑘𝑇2−𝑇1
𝐿
q” = −𝑘𝑇2−𝑇1
𝐿 = 𝑘∆𝑇
𝐿……….(2.3)
Kemudian heat rate konduksi pada plane wall dengan luasan A adalah q = q”. A (watt). Kemampuan suatu material untuk menyimpan energi panas adalah volumetric heat capacity. Kebanyakan solid dan liquid merupakan media penyimpanan energi panas yang bagus yang mempunyai harga angka perbandingan heat (𝜌. 𝑐𝑝 > 1 𝑀𝐽⁄𝑚3. 𝐾), sedangkan gas merupakan media penyimpanan energi panas yang kurang bagus (𝜌. 𝑐𝑝 ≈ 1 𝑀𝐽⁄𝑚3. 𝐾). Rasio thermal conductivity terhadap heat capacity disebut sebagai thermal diffusivity,
𝛼 = 𝑘
𝜌 𝑐𝜌 [𝑚2
𝑠 ]………(2.4)
2.2 Heat Diffusion Equation untuk Koordinat Kartesian
Dalam menganalisa konduksi ,tujuan yang ingin dicapai adalah mengetahui distribusi temperatur. Distribusi temperatur ini dapat dijabarkan dalam koordinat kartesian dengan control volume yaitu dx • dy • dz seperti pada gambar berikut.
Gambar 2.2 Differential Control Volume dx, dy, dz 𝑞𝑥+𝑑𝑥 = 𝑞𝑥+ 𝜕𝑞𝑥
𝜕𝑥 𝑑𝑥 𝑞𝑦+𝑑𝑦 = 𝑞𝑦 + 𝜕𝑞𝑦
𝜕𝑦 𝑑𝑦... (2.5) 𝑞𝑧+𝑑𝑧 = 𝑞𝑧+ 𝜕𝑞𝑧
𝜕𝑧 𝑑𝑧 Bentuk umum konservasi energy adalah :
Ė𝑖𝑛+ Ė𝑔− Ė𝑜𝑢𝑡 = Ė𝑠𝑡…... (2.6) dengan
Ė𝑔 = 𝑞̇ 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧... (2.7) 𝑞̇= energi bangkitan per unit volume (𝑊
𝑚3
⁄ ) Ė𝑠𝑡 = 𝜌 . 𝑐𝑝 .𝜕𝑇
𝜕𝑡 . 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧... (2.8) persamaan (2.5), (2.6) disubtitusi ke persamaan (2.4) :
𝑞𝑥+ 𝑞𝑦+ 𝑞𝑧+ 𝑞 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧 − 𝑞𝑥+𝑑𝑥− 𝑞𝑦+𝑑𝑦− 𝑞𝑧+𝑑𝑧 = 𝜌 . 𝑐𝑝 .𝜕𝑇
𝜕𝑡 . 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑..(2.9) subtitusi persamaan (2.3)
−𝜕𝑞𝑥
𝜕𝑥 𝑑𝑥 −𝜕𝑞𝑦
𝜕𝑦 𝑑𝑦 −𝜕𝑞𝑧
𝜕𝑧 𝑑𝑧 + 𝑞̇ 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧 = 𝜌 . 𝑐𝑝 .𝜕𝑇
𝜕𝑡 . 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧...(2.10) karena laju perpindahan panas konduksi adalah
𝑞𝑥 = −𝑘 . 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝜕𝑇
𝜕𝑥 𝑞𝑦 = −𝑘 . 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝜕𝑇
𝜕𝑦...(2.11) 𝑞𝑧= −𝑘 . 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝜕𝑇
𝜕𝑧
Maka subtitusi (2.9) ke (2.8)
𝜕
𝜕𝑥(𝑘𝜕𝑇
𝜕𝑥) + 𝜕
𝜕𝑦(𝑘𝜕𝑇
𝜕𝑦) + 𝜕
𝜕𝑧(𝑘𝜕𝑇
𝜕𝑧) + 𝑞̇ = 𝜌 . 𝑐𝑝 𝜕𝑇
𝜕𝑡………(2.12)
2.3 Tahanan Termal pada Plane Wall
Pada konduksi distribusi temperature dapat dianalogikan seperti aliran listrik yang memiliki tahanan. Dalam kondisi plane wall, maka persamaan laju perpindahan panas secara konduksi adalah sebagai berikut.
𝑞𝑥 = −𝑘𝐴𝑑𝑇
𝑑𝑥 =𝑘𝐴
𝐿 (𝑇𝑠,1− 𝑇𝑠,2)………..…………(2.13) Tahanan termal merupakan perbandingan potensial penggerak terhadap laju perpindahan sehingga dengan adanya persamaan (2.13), tahanan termal pada plane wall dapat didefinisikan dengan persamaan berikut :
𝑅𝑡,𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑇1−𝑇2
𝑞𝑥 = 𝐿
𝑘𝐴...(2.14)
Gambar 2.3 Perindahan panas melalui plane wall 2.4 Overall Heat Transfer Coefficient
Gambar 2.4 Perpindahan panas pada susunan dinding
Peristiwa konduksi dapat terjadi pada susunan beberapa dinding baik secara parallel maupun seri seperti gambar diatas. Dalam kasus ini, maka persamaan laju perpindahan panas adalah sebagai berikut.
𝑞𝑥 = 𝑇∞,1−𝑇∞,4
[(1 ℎ⁄ 1𝐴)+(𝐿𝐴⁄𝑘𝐴𝐴)+(𝐿𝐵⁄𝑘𝐵𝐴)+(𝐿𝐶⁄𝑘𝐶𝐴)+(1 ℎ⁄ 4𝐴)]...(2.15) Hukum Newton mengenai pendinginan dapat digunakan, yaitu:
𝑞𝑥 = 𝑈𝐴∆𝑇...(2.16) Maka persamaan overall heat transfer coefficient dengan susunan dinding berlapis adalah sebagai berikut.
𝑈 = 1
𝑅𝑡𝑜𝑡.𝐴= 1
[(1 ℎ⁄ 1)+(𝐿𝐴⁄𝑘𝐴)+(𝐿𝐵⁄𝑘𝐵)+(𝐿𝐶⁄𝑘𝐶)+(1 ℎ⁄ 4)]...(2.17)
2.5 Konduktivitas Termal Kalor pada Zat Padat
Terdapat dua mekanisme penghantaran energi kalor pada zat padat yaitu sebagai berikut :
1. Melalui angkutan elektron bebas
Dimana elektron bebas yang bergerak di dalam struktur kisi-kisi bahan dapat membawa energi kalor dari yang bertemperatur tinggi menuju daerah bertemperatur rendah.
2. Melalui getaran kisi (phonon)
Energi berpindah sebagai energi getaran dalam struktur kisi bahan.
Diantara material berbahan logam dan non logam, terdapat perbedaan besarnya konduktivitas, hal ini dikarenakan pada logam yang mengalami beda potensial, electron-elektron pada logam dapat bergerak bebas, tidak sama halnya dengan bahan non logam. Sehingga konduktivitas kalor dan listrik pada bahan logam dapat terbilang tinggi.Pada bahan non logam, perpindahan kalor hamper seluruhnya dilakukan oleh getaran ksi, sedangkan pengaruh dari electron dapat diabaikn. Bahan non logam memiliki konduktivitas rendah. Pada bahan isolator, umumnya material mengandung gas atau cairan dalam pori-porinya. Dimana gas adalah penghantar kalor yang buruk dibandingkan cairan.
Pada logam murni, maka konduksi akibat elektron lebih besar pengaruhnya, sedangkan pada semikonduktor dan nonkonduktor lebih besar dipengaruhi oleh phonon. Berikut merupakan persamaan untuk konduktivitas termal kalor pada zat padat:
𝑘 =1
3𝐶𝑐̅ 𝜆𝑚𝑓𝑝...(2.18) 𝐶 = kalor spesifik elektron per unit volume
𝑐̅ = kecepatan rata – rata elektron 𝜆𝑚𝑓𝑝 = electron mean free path
Konduktivitas termal pada konduksi akibat elektron dan phonon dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.
𝑘 = 𝑘𝑒+ 𝑘𝑝ℎ...(2.19)
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Peralatan dan Benda Kerja
Adapun peralatan yang digunakan dalam pengujian konduksi kali ini, yaitu:
1. Multimeter
2. Thermocouple selector
3. Thermocouple (1,2,3,4,5,dan 6) 4. Setpoint adjuster
5. Pompa
6. Thermocontrol referensi 7. Elemen panas
8. Logam perantara (1 dan 2) 9. Penampung air
10. Isolator
11. Thermocontrol
12. Spesimen (besi, alumunium, stainless steel) 3.2 Instalasi Percobaan
Adapun instalasi percobaan dengan alat-alat yang telah disebutkan dan disusun sesuai berikut ini:
Gambar 3.1 Instalasi Percobaan Uji Konduksi
Keterangan :
1. Amperemeter
2. Thermocouple Selector 3. Set point adjuster 4. Voltmeter
5. Thermocontrol
6. Thermocouple 1 (TC 1) 7. Thermocouple 2 (TC 2) 8. Thermocouple 3 (TC 3) 9. Thermocouple 4 (TC 4) 10. Thermocouple 5 (TC 5) 11. Thermocouple 6 (TC 6) 12. Pompa
13. Thermocontrol reference 14. Elemen Panas
15. Logam Perantara 1 16. Spesimen
17. Isolator
18. Logam Perantara 2 19. Penampung air 3.3 Prosedur Pengujian 3.3.1 Tahap Persiapan
a. Sarung tangan selalu digunakan, sebagai perlengkapan dan tindakan keselamatan diri.
b. Sistem peralatan uji konduksi dipastikan telah terinstalasi dengan baik dan benar sesuai dengan skema instalasi peralatan konduksi.
c. Thermocouple dipastikan terpasang baik dengan mengecek nilai yang ditunjukkan pada display digital thermocouple. Apabila digital thermocouple tidak menampilkan nilai temperatur yang relevan,
pemasangan thermocouple pada spesimen dicek kembali atau atur kabel penghantar antara thermocouple selector dan termometer digital.
d. Thermocouple pada spesimen pada sistem peralatan uji konduksi dipasang, insulator ditutup dan dirapatkan, kemudian pemasangan heater dengan logam penghantar pada bagian atas sistem peralatan uji konduksi dikencangkan.
e. Thermocouple referensi pada heater dipasang.
f. Pada digital thermocouple dicek kembali pembacaan temperatur.
Apabila digital thermocouple tidak menampilkan nilai temperatur yang relevan ulangi langkah (a).
3.3.2 Tahap Pengambilan Data
a. Pompa dipastikan mensirkulasi air pendingin dengan baik.
b. Thermocontrol dinyalakan dengan menekan saklar tegangan thermocontrol pada posisi ON.
c. Set point thermocontrol diatur pada nilai 100°C.
d. Data siap diambil dengan set waktu tunggu minimum 10 menit setelah prosedur (d). Data yang diambil terdapat pada lembar data praktikum konduksi. Pengambilan data arus dapat dilihat pada amperemeter, data tegangan dapat dilihat pada voltmeter, dan data temperatur tiap titik dapat dilihat pada digital thermometer dengan mengatur set point thermoselector.
e. Pengambilan data dilakukan tiap spesimen dengan kenaikan set point thermocontrol sebesar 25°C hingga set point thermocontrol mencapai nilai 150°C. Waktu tunggu pengambilan data minimum 5 menit untuk tiap kenaikan nilai set point thermocontrol.
f. Setelah pengambilan data selesai, set point thermocontrol diatur pada nilai 0°C dan thermocontrol dimatikan dengan menekan saklar tegangan thermocontrol pada posisi OFF.
g. Prosedur persiapan dilakukan hingga pengambilan data untuk masing- masing spesimen, mulai dari stainless steel, besi, kemudian aluminium,
dan dengan waktu pendinginan minimum 5 menit. Pendinginan sistem peralatan uji dilakukan dengan air pendinginan tetap disirkulasikan dan juga spesimen yang telah diambil data dilepaskan.
h. Setelah pengambilan data dilakukan untuk spesimen yang terakhir, yakni aluminium, voltage regulator dimatikan dengan mengatur tegangannya pada nilai 0 volt. Kemudian lepaskan kabel supply untuk pompa.
i. Sistem peralatan uji konduksi dikembalikan dan dirapikan pada kondisi semula.
