SIFAT – SIFAT TERMIS

SIFAT – SIFAT TERMIS

Dr. Sri Rahayoe, STP, MP – DTPB FTP UGM

Pendahuluan

¨ Aplikasi panas sring digunakan dalam proses pengolahan bahan hasil pertanian. Untuk dapat menganalisis proses-proses tersebut secara akurat maka diperlukan informasi tentang sifat-sifat

thermis dari bahan hasil pertanian yang diproses tersebut.

¨ Sebagai contohnya sifat thermis seperti specific heat, heat conductant, latent heat dan lain-lain

diperlukan dalam analisis proses heating, cooling, freezing dan lain-lain.

Unit Surface Conductance (h)

¨ Definisi Unit surface conductance :

Konduktivitas panas dari lapisan fluida yang relatif diam yang diasumsikan melekat pada permukaan bahan padat selama pemanasan atau pendinginan.

¨ Nama lainnya adalah koefisien perpindahan

panas, unit film conductance, dan film coefficient.

Unit Surface Conductance (h)

T A

q D

h =

.

Satuan h : W/m

²

K, J/s.m

²

.K, Btu/hr.ft

^2o

F Konvensi : 1 Btu/hr.ft

^2o

F = 5,68 J/s.m

²

.K

Equivalent dengan k/L pada konduksi panas

Unit Surface Conductance (h)

¨ Contoh nilai h :

¤ Boiling liquid à 400 – 4000 Btu/hr.ft^2oF à evaporasi

¤ Still air à 1 Btu/hr.ft^2oF à refrigerasi

¤ Moving air à 10 Btu/hr.ft^2oF à air drying

Latent heat (panas laten)

¨ Panas laten adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah wujud suatu bahan pada tekanan konstant tanpa perubahan temperatur

Es Cair Uap

panas laten pembekuan 335 kj/kg

panas laten penguapan 2257 kj/kg

Untuk air pada tekanan atmosfer

Untuk food ® - panas laten pembekuan - panas laten pencairan

Latent heat (panas laten)

Contoh panas laten beberapa produk :

¨

Lettuce

àKa : 94,8% à316,3 (317,6) kJ/kg

¨

Strawberries

àKa : 94,0 à316,5 (314,9) kJ/kg

¨

Kentang

àKa : 77,8 à

258,0 (260,6) kJ/kg

Persamaan Lamb (1976) L = 355 m

_w

n

m

_w

= fraksi berat k.a.

n

L = panas latent (kJ/kg )

Specific heat (panas spesifik)

¨ Panas spesifik merupakan ukuran yang menunjukkan jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan

temperatur satu satuan berat bahan sebesar satu satuan unit temperatur

T m C q

= D

Satuan C :

K kg

kj 0 k cal kg K

. 0

atau

Konversi :

K cal kg

k. 0

1 kj kg K

= 4,18 0

Specific heat (panas spesifik)

¨ Nilai C tergantung temperatur ® C turun dengan turunnya temperatur

¨ Contoh :

- air à T : 59⁰F à C : 4,18 kJ/kg.K - es à T : 32⁰F à C : 2,04 kJ/kg.K

- susu à di atas T beku à C : 3,89 kJ/kg.K - susu à di bawah T beku àC : 2,05 kJ/kg.K

¨ Air dipakai sebagai cooling medium ® karena C- nya besar

Specific heat (2)

¨ Hubungan antara panas spesifik dan komposisi bahan.

¤C = m_w.C_w + m_s C_s

nC_w = 4,18 kJ/kg.K

nC_s = 1,46 kJ/kg.K

nm_w & m_s = fraksi berat air dan bahan padatan

¨ Cara lain

à Miles et al (1983) (

0,5^mf + 0,3^m_snf + ^m_w

)

^x4,18^kj _kg0 _K

C =

, _w2

snf

f m m

m _à fraksi berat lemak, padatan non lemak, dan air

Specific heat (3)

¨ Bila data analisis tersedia

C = m_wC_{w +} m_eCe + m_pC_{p +} m_fCf + m_aC_a

q Panas spesifik dari gas dan uap air.

air karbohidrat protein lemak abu

Cpñ Cv

^dan _ps

Cv

Cp = g

- Cv = panas spesifik pada volume konstan - Cp = panas spesifik pada tekanan konstan

Specific heat (4)

¨ Contoh nilai Cp dan ɣ_ps Tabel 8.3, Physical Properties, M.J Lewis 1987

¨ Hubungan antara panas Spesifik dan temperatur untuk kebanyakan gas

¤ a, b, c, d= konstanta (Tabel 8.5 Physical Properties, M.J Lewis 1987)

¤ T = temperatur absolut

¤ Cp = dalam

3

2

dT

cT bT

a

Cp = + + +

Specific heat (5)

¨ Contoh : Panas specifik oksigen pada Temperatur 27⁰C (300K)

¤ Jawab :

¤ Dari tabel 8.5 à a = 25,46 b = 1,519 x10^-2 c = -0,7150 x x10^-5 d = 1,311 x x10^-9

¤ Cp = 29,42

¤ Dari Tabel 8.3 Physical Properties, M.J Lewis 1987 :

n Cp untuk O₂ = 0,92 32

42 ,

= 29

K gr j 0

= 0,919

K kg kj 0

= 0,919 kg K kj 0

Specific heat (6)

¨ Total energi dibutuhkan untuk menaikkan temperatur gas

¨ bila Cp = f(T) diketahui

CpdT Q = ò

(

^{a bT cT dT}

)

^dT

Q ^T

ò

T ^{+ + +}

= ²

1

3 2

( ) ( ) ( ) (

1⁴

)

4 2 3

1 3

2 2

1 2

2 1

2 2 3 d4 T T

T c T

T b T

T

T - + - + - + -

=

Thermal conductivity (konduksi panas)

¨ Secara matematis k adalah faktor pembanding pada aliran panas konduksi steady state.

¨ Faktor komposisi bahan à k dapat dihitung berdasar komposisi bahan

dT dx A k = q

F ft Btu hr

C m dt j K

m dt

k j _{0 0 0}

. atau .

. .

.

= =

Satuan à

K m dt F j

ft hr Btu

0 0

. 731 .

, 1 .

1 .

Konversi à =

Thermal conductivity (konduksi panas)

Model paralel q

A B

Model tegak lurus/seri q

A

B

Bila sistem terdiri dari padatan dan air :

k

V

k

_s

+

_{w w}

= V

_s

k

w w s

s

k V k

1 = V + k

à paralel

à Tegak lurus

Thermal conductivity (konduksi panas)

Vw

&

Vs

kw

&

ks

= fraksi volume dari padatan dan air

= kondisi panas padatan dan air Untuk sistem dengan n komponen

kn

k k

k = V_{1 1} + V_{2 2} +... V_n

n n 2

2 1

1

k . V ...

k V k

1 V

+ +

k =

à paralel

à Tegak lurus

Thermal conductivity (konduksi panas)

¨ Contoh soal:

Bila diasumsikan komposisi apel dalam fraksi berat adalah 0,844 air dan 0,156 padatan serta berat

satuan air dan padatan adalah 1000 kg/m³ dan 1590 kg/m³, hitung nilai konduktivitas panasnya.

Thermal conductivity (konduksi panas)

104 , 0 8441000

, 1590 0

156 , 0

1561590 ,

0

+ = + =

=

w w s

s

s s

s M M

M V

g g

g

JAWAB :

V_{w =} 1 - V_s= 0,896

Dengan paralel model

(

^{0,104 0,26}

) (

^{0,896 ,6}

)

x xo

k V k

v

k = _{s s} + _{w w} = +

K m dt

j . 0

565 ,

= 0

Thermal conductivity (konduksi panas)

K m

dt

k j

₀

528 . ,

= 0

Dengan model tegak lurus

k rata-rata = 0,540

^j _dt._m2⁰_K

Thermal conductivity (konduksi panas)

¨ (pada Tabel k apel 0,422 (green) & 0,513 (red))

¤ k lebih besar daripada tabel ® karena kandungan udara tidak diperhitungkan

¤ Bila apel diasumsikan mengandung 20% udara

(

^{0,8 0,540}

) (

^{+ 0,2 0,025}

)

^{= 0,437}

= x x

k

105 ,

025 0 ,

0 2 , 0 54

, 0

8 , 0

1 = + =

k

à Paralel à Tegak lurus

k paralel dekat dengan nilai tabel

Thermal conductivity (konduksi panas)

¨ k udara = 0,025

¨ k protein = 0,20

¨ k es = 2,24

¨ k karbohidrat = 0,245

¨ k air = 0,6

¨ k lemak = 0,18

¤ Satuan k dalam

K m

dt

j . 20

Thermal Emissivity ( Ɛ )

¨ Adalah perbandingan daya pancar suatu bahan terhadap daya pancar dari benda hitam (black body)

¨ berhubungan dengan perpindahan panas radiasi.

¨ Nilai Ɛ : 0 s/d 1 à1 untuk black body , air 0,955, kertas putih 0,9

¨ Ɛ tanpa satuan

s e A . T

⁴

.

q =

Thermal Emissivity ( Ɛ )

¨ Panas radiasi yang diserap bahan

¨ d adalah absorptivity ® nilainya sama dengan Ɛ

¨ Total panas radiasi pada suatu bahan.

¤q = laju penyerapan – laju pemanasan

s d A . T

₁⁴

. q =

s e

s

d AT₁⁴ - AT₂⁴

=

(

2⁴

)

4

T1

A - T

= e s

T1 = Temperatur lingkungan T2 = Temperatur bahan

Coeffisient of thermal expansion

¨ Bila

¤ V = volume awal

¤ ΔV = kenaikan volume bahan karena pemanasan

¤ ΔT = kenaikan temperatur karena pemanasan

¨ Maka thermal expansion coefficient (average) :

C T F

V V

Bav _{0 0}1

1 ,

satuan dalam

D D

=

Coeffisient of thermal expansion

¨ Untuk nilai sesaat

¨ bila dinyatakan dalam ɣ

( )

^dv_{dT p}

B V 1

= ^à pemanasan sedang terjadi pada p konstan

dT p

B d

÷ø ç ö

èæ -

= g g 1

B ® mechanical properties seperti ketahanan terhadap keretakan bahan

Mass Transfer Coefficient

¨ Adalah perbandingan antara flux masa uap , pada

sembarang titik y antara bagian permukaan basah dan

kering, terhadap perbedaan konsentrasi dari kedua bagian tersebut.

(

^Cw

( )

^ACw

)

^V

Ww

h_p ^y _n

= ₀ - ⁼⁰

h_p = koefisient perpindahan massa ( tanpa dimensi) W_w = laju aliran

A = luas permukaan V = kecepatan massa

C_w = konsentrasi

Mass Transfer Coefficient

¨ Definisi yang lain :

P A

hp

W = . . D

T A

h

q = . . D

Analog dari à