PROSES PERPINDAHAN PANAS

DESKRIPSI MATERI : PROSES PERPINDAHAN PANAS

A.    SUHU dan KALOR

Suhu didefinisikan sebagai derajat panas dinginnya suatu benda. Titik lebur es murni dipakai sebagai titik tetap bawah, sedangkan suhu uap diatas air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm sebagai titik tetap atas. Terdapat beberapa skala yang digunakan di seluruh dunia, berikut skala suhu beserta perbandingan titik tetap bawah dan titik tetap atas :

  Gambar 1.1 Perbandingan skala suhu

Kalor/Thermal/Panas adalah salah satu bentuk energi yang mengalir karena adanya perbedaan suhu dan atau karena adanya usaha atau kerja yang dilakukan pada sistem.

B.    MANFAAT PERPINDAHAN PANAS

Pengetahuan perpindahan panas dapat digunakan pada kehidupan sehari-hari, dari hal sederhana sampai dalam hal perhitungan sebuah sistem atau alat yang bisa diterapkan untuk memudahkan kehidupan dan perkembanagan industri.

Di bawah ini adalah beberapa manfaat dari pengetahuan perpindahan panas:

      Untuk merencanakan alat-alat penukar panas (heat  exchanger).

      Untuk menghitungke butuhan media pemanas/pendingin pada suatu reboiler kondensor atau dalam kolom destilasi.

      Untuk perhitungan furnace/dapur.  radiasi

      Untuk perancangan ketel uap/boiler.

      Untuk perancangan alat-alat penguap (evaporator).

      Untuk perancangan reaktor kimia

   Eksotermis (butuh pendingin) atau Endotermis (butuh pemanas)

C.    PROSES PERPINDAHAN PANAS

Dalam pengantar dijelaskan bahwa energi panas itu dapat merambat dari suatu bagian ke bagian lain melalui zat atau benda yang diam. Panas juga dapat dibawa oleh partikel-partikel zat yang mengalir.  Pada radiasi panas, tenaga panas berpindah melalui pancaran yang merupakan juga satu cara perindahan panas. Umumnya perpindahan panas berlangsung sekaligus dengan ketiga cara ini.

Dari uraian di atas kita bedakan perpindahan panas berdasarkan prosesnya, yaitu :

a.      Energi panas dapat merambat dari suatu bagian ke bagian lain melalui zat atau benda yang diam, perpindahan panas dengan cara ini dinamakan Konduksi.

b.      Energi panas dapat dibawa oleh partikel-partikel zat yang mengalir, perpindahan panas dengan cara ini dinamakan Konveksi.

c.       Energi panas berpindah melalui pancaran dalam bentuk partikel atau gelombang, perpindahan panas dengan cara ini dinamakan Radiasi.

C.1     KONDUKSI

Sebelum membahas mengenai Konduksi, kita perhatikan beberapa ilustrasi di bawah ini :

Ilustrasi pertama : Amati ceret (panci) ketika anda memasak air. Jika air di dalam ceret sudah mendidih pasti anda tidak mau memegang tutup ceretnya? Kecuali anda adalah seorang yang kebal terhadap panas. Karena ceret tersebut akan terasa sangat panas bila disentuh dengan tangan secara langsung, kemudian pertanyaannya. Mengapa tutup ceretnya ikut panas padahal tidak langsung bersentuhan dengan api.

Ilustrasi kedua : Jika ujung suatu logam dipanaskan di atas nyala api, maka ujung yang lain dari logam tersebut lama kelamaan juga akan ikut panas.

Dari kedua ilustrasi diatas, dapat kita simpulkan bahwa ternyata pada logam tersebut terjadi perpindahan kalor dari bagian yang lebih panas ke bagian yang lebih dingin. Tetapi partikel-partikel dari logam tersebut tidak ikut berpindah karena sifat dari molekul zat padat yang tidak bisa berpindah-pindah.

 Perpindahan kalor konduksi atau hantaran adalah perpindahan energi yang terjadi pada medium yang diam (solid maupun liquid) atau antara medium-medium yang berlainan namun bersinggungan langsung (kontak langsung), dengan tanpa adanya perpindahan molekul yang besar, serta apabila ada gradient temperature dalam medium tersebut.

Untuk kebanyakan zat, perpindahan kalor secara konduksi dengan mudah dapat dipandang akibat perpindahan energy kinetik dari suatu partikel ke partikel lain melalui tumbukan. Di tempat yang dipanaskan, energy kinetiknya lebih besar sehingga memberikan energy kinetiknya ke partikel-partikel tetangganya melalui tumbukan. Akibatnya partikel-partikel tetangganya bergetar dengan energy kinetic yang besar pula. Selanjutnya partikel-partikel ini memindahkan lagi energy kinetiknya ke tetangga berikutnya, demikian seterusnya. Secara keseluruhan tidak ada perpindahan partikel dalam zat tersebut.

Pada contoh perpindahan kalor secara konduksi di depan, digunakan logam alumunium. Bagaimana jika logam alumunium tersebut kita ganti dengan yang lain? Apakah semua logam yang ada di dunia ini mampu untuk menghantarkan panas? Pertanyaan-pertanyaan tersebut sangat erat hubungannya dengan daya hantar kalor suatu zat.

Konduktivitas atau daya hantar kalor suatu zat adalah kemampuan zat untuk menghantarkan panas (kalor). Artinya suatu zat yang daya hantar kalornya tinggi, akan lebih cepat menghantarkan kalor.

Berdasarkan daya hantar kalornya, terdapat tiga macam zat sebagai berikut ini :

a.      Konduktor, adalah suatu zat yang dapat menghantarkan kalor dengan baik. Hampir semua jenis logam adalah konduktor.

b.      Isolator, adalah zat yang penghantar kalor (panasnya) buruk. Isolator merupakan zat yang dapat meredam/menyekat kalor. Contohnya : plastik, karet, kayu, gabus, air dan udara.

c.       Semikonduktor, adalah zat yang bersifat setengah konduktor dan setengan isolator, contohnya adalah gelas dan ebonit.

Perpindahan energi panas akan terjadi pada medium yang diam (solid atau liquid) apabila ada gradien temperature dalam media tersebut.

Dalam perpindahan panas konduksi menerapkan hokum Fourier, yang menyatakan: “Laju perpindahan panas konduksi melalui suatu lapisan material  dengan ketebalan tetap adalah berbanding lurus dengan beda suhu di pangkal dan ujung lapisan tersebut, berbandung lurus dengan luas permukaan tegak lurus arah perpindahan panas dan berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan”.

Hukum Fourier menyatakan bahwa laju perpindahan kalor dengan sistem konduksi dinyatakan dengan :

·         Gradien temperatur dalam arah-x dinyatakan dengan, dT/dx.

·         Luas perpindahan kalor arah normal pada arah aliran kalor, A.

Rumus Hukum Fourier :

 

 

Dimana :

Qx       = Laju perpindahan panas konduksi (Watt)

k          = konduktivitas thermal (W/m.⁰C)

A         = luas penampang yang tegak lurus dengan arah laju perpindahan panas (m²)

DT       = perubahan suhu

Dx        = ketebalan bahan

Alasan pemberian tanda minus (-) pada rumus konduksi hukum Fourier, seperti diilustrasikan sebagai berikut :

·                     Jika temperatur menurun pada arah-x positif, DT/Dx adalah negatif ; kemudian Q_x menjadi nilai positif dikarenakan kehadiran dari tanda negatif, sehingga laju kalor berada pada arah-x positif.

·                     Jika temperatur meningkat pada arah-x positif, DT/Dx adalah positif, Q_x berubah menjadi negatif, dan aliran kalor berada pada arah-x adalah negatif, sebagaimana diilustrasikan pada gambar berikut. Q_x merupakan nilai positif, aliran kalor berada pada arah-x positif, dan sebaliknya.

 Panas dikonduksikan dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah. Sebagai akibatnya gradien suhu (DT/Dx) kearah x positif menjadi negatif. Dengan adanya tanda negatif  pada persamaan diatas akan menyebabkan nilai laju perpindahan panas dari suhu tinggi ke suhu rendah ini akan menjadi positif.

 Nilai konduktivitas beberapa bahan.

C.2     KONVEKSI

Konveksi merupakan suatu mekanisme dimana energi kalor  dipindahkan oleh beberapa benda alir, yaitu gas atau cair. Konveksi tidak akan terjadi tanpa adanya pergerakan udara, tetapi pergerakan udara dapat terjadi tanpa perpindahan kalor.

Berdasarkan penjelasan tentang daya hantar kalor sebelumnya, dapat diketahui bahwa air dan udara termasuk isolator sehingga merupakan penghantar panas yang buruk. Tapi, mengapa air yang dimasak dapat mendidih dan udara di atas api menjadi panas? Hal ini karena kalor dapat berpindah dengan cara konveksi atau aliran.

 Untuk memudahkan kita dalam memahami perpindahan panas konveksi, perhatikan penjelasan tentang konveksi pada zat cari dan konveksi paga gas (udara) di bawah ini :

a. Konveksi pada zat cair

Terjadinya konveksi pada zat cair dapat kita lihat saat memasak air. Pada saat air di panaskan maka akan memuai, pemuaian ini dimulai dari air yang berada di bagian bawah yang lebih dekat dengan nyala api. Ketika air di bagian bawah ini memuai, massa jenisnya akan berkurang sehingga akan membuat air di bagian bawah tersebut bergerak naik (ke atas).

Tempatnya digantikan oleh air yang suhunya lebih rendah, yang bergerak turun karena massa jenisnya lebih besar. Untuk membuktikan kejadian seperti ini, dapat digunakan zat warna agar gerakan air nampak jelas.

b. Konveksi pada gas (udara)

Peristiwa konveksi pada gas sama dengan konveksi pada zat cair. Konveksi pada gas, misalnya udara terjadi ketika udara panas naik dan udara yang lebih dingin bergerak turun.

Gejala alam yang merupakan contoh dari perpindahan kalor secara konveksi adalah terjadinya angin darat dan angin laut. Pada siang hari, daratan suhunya lebih cepat panas. Akibatnya udara di atas daratan akan bergerak naik dan udara yang lebih dingin yang berada di atas laut bergerak ke daratan karena tekanan udara di atas permukaan laut lebih besar daripada tekanan di atas daratan.

Hal ini menyebabkan terjadinya angin laut yang bertiup dari permukaan laut ke daratan. Sebaliknya, pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada laut. Akibatnya udara panas di atas laut bergerak naik dan tempatnya digantikan oleh udara yang lebih dingin dari daratan, sehingga terjadi angin darat yang bertiup dari daratan ke lautan.

Dalam perpindahan panas konveksi menerapkan hukum Newton, yang menyatakan: " kecepatan pemindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan luas permukaan dan perbedaan suhu antara fluida yang panas dengan bagian yang dingin"

Rumus perpindahan panas konveksi :

Dimana :           Qx       = Laju perpindahan panas (Watt)

                           A         = Luas penampang (m2)

                           h          = kefisien konveksi (m)

                           DT       = perbedaan suhu (^oC)

Aliran panas tidak bergantung pada sifat-sifat material dari permukaan dan hanya bergantung pada sifat-sifat fluida. Namun demikian, bentuk dan sifat permukaan akan mempengaruhi aliran dan karenanya terjadi perpindahan panas.

Koefisien konveksi merupakan nilai keefektifan laju perpindahan panas, di bawah ini adalah table nilai koefisien konveksi.

Konveksi ada 2 macam :

• ·         Konveksi Alami adalah Aliran panas yang terjadi  dengan cara alami, tanpa ada energi luar yang bekerja.
• ·         Konveksi Paksa adalah aliran panas yang terjadi dengan cara paksa, dengan adanya energi luar yang bekerja seperti kipas, ditiup dll.

Contoh Soal :

Udara dingin pada temperatur 8°C dipaksakan melalui plat tipis yang memiliki temperatur 50°C. Tentukan laju aliran panas dari plat ke udara yang melalui plat dengan luas permukaan 2 m², jika nilai koefisien perpindahan kalor nya 30 W/(m². °C).?

Jawab :

Diketahui :

T₁         = 8°C

T₂        = 50°C

A         = 2 m²

h          = 30 W/(m². °C)

Ditanya :

Q_x ?

Jawab :

Qx = h.A.DT   =  h.A.( T₂ - T₁)

                        =  30 W/(m². °C) x 2 m²  x (50°C - 8°C)

                        =  30 x 2 x 42

                        =  2520 W

                        =  2,52 kW

C.3     RADIASI

Radiasi merupakan proses perpindahan panas dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan jika terdapat ruang hampa di antara benda - benda tersebut. Sehingga, Perpindahan kalor dengan cara radiasi berbeda dengan perpindahan kalor dengan cara konduksi dan perpindahan kalor dengan cara konveksi. Jika pada perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi kedua benda yang berbeda suhu harus bersentuhan, tetapi pada perpindahan kalor dengan cara radiasi kedua benda tidak harus bersentuhan karena kalor berpindah tanpa melalui zat perantara. Artinya kalor tersebut dipancarkan ke segala arah oleh sebuah sumber panas dan kalor akan mengalir ke segala arah.

Ilustrasi perpindahan panas Radiasi

Energi radiasi dikeluarkan oleh benda karena temperatur yang dipindahkan melalui ruang antara, dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bila energi radiasi menimpa suatu bahan, maka sebagian radiasi dipantulkan (Refleksi), sebagian diserap (Absorpsi) dan sebagian diteruskan (Transmisi) seperti gambar ilustrasi di atas.

Panas matahari sampai ke bumi merupakan contoh peristiwa perpindahan kalor dengan cara radiasi. Seperti yang kita ketahui, matahari merupakan bintang yang memancarkan energi kalor. Lalu, bagaimana kalor dari matahari sampai ke bumi? Energi kalor yang dipancarkan oleh matahari dalam bentuk gelombang elektromagnetik, gelombang elektromagnetik ini dapat merambat melalui ruang hampa di luar angkasa dan memasuki atmosfer bumi. Gelombang elektromagnetik terdiri dari beberapa gelombang cahaya yang mempunyai panjang gelombang dan frekuensi berbeda-beda. Seperti yang kita ketahui mengenai gelombang, bahwa semakin besar panjang gelombang, maka frekuensinya akan semakin kecil. Besar kecilnya energi radiasi dipengaruhi oleh frekuensi. Artinya semakin besar frekuensi maka energi radiasinya juga akan semakin besar.

Contoh perpindahan kalor secara radiasi lainnya, pada waktu kita mengadakan kegiatan perkemahan, di malam hari yang dingin sering menyalakan api unggun.

Saat kita berada di dekat api unggun badan kita terasa hangat karena adanya perpindahan kalor dari api unggun ke tubuh kita secara radiasi. Walaupun di sekitar kita terdapat udara yang dapat memindahkan kalor secara konveksi, tetapi udara merupakan penghantar kalor yang buruk (isolator). Jika antara api unggun dengan kita diletakkan sebuah penyekat atau tabir, ternyata hangatnya api unggun tidak dapat kita rasakan lagi. Hal ini berarti tidak ada kalor yang sampai ke tubuh kita, karena terhalang oleh penyekat itu. Dari peristiwa api unggun dapat disimpulkan bahwa:

·Dalam peristiwa radiasi, kalor berpindah dalam bentuk cahaya, karena cahaya dapat merambat dalam ruang hampa, maka kalor pun dapat merambat dalam ruang hampa

·Radiasi kalor dapat dihalangi dengan cara memberikan tabir/penutup yang dapat menghalangi cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya.

Pernahkah kamu menjemur pakaian berwarna hitam dan putih secara bersamaan? Apa yang akan terjadi dengan pakaianmu? Ternyata pakaian yang berwarna hitam lebih cepat kering jika dibandingkan dengan pakaian yang berwarna putih. Mengapa hal itu dapat terjadi? Padahal kedua pakaian mendapat panas yang sama.

 Dalam perpindahan panas konveksi menerapkan hukum Stefan Boltzmann, yang menyatakan: “Kalor yang diradiasikan berbanding lurus dengan pangkat empat dari perbedaan temperature mutlak”

Rumus perpindahan panas Radiasi :

Dimana :           Qx        = Laju perpindahan panas (Watt)

                           A         = Luas penampang (m2)

                           e          = kefisien radiasi (emitansi)

                           T          = suhu (^oK)

                           s          = konstanta radiasi = 5.576 x 10^-8 (W/m².K⁴)

Emitansi / Emisivitas (daya pancar) adalah karakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama.

Penentuan emitansi agak jarang dan nilai yang tersedia untuk konfigurasi yang sederhana dalam bentuk grafik dan tabel. Untuk kasus yang sederhana dari permukaan hitam yang tertutup oleh permukaan lainnya, F = 1 dan untuk permukaan yang tertutup bukan hitam, F = emisifitas. (Didefinisikan sebagai rasio panas yang diradiasikan oleh permukaan ke permukaan yang ideal)

Contoh Soal :

Sebuah benda berpenampang persegi dengan panjang sisi 80 cm memiliki suhu 120^oC. Tentukan daya yang diradiasikan benda tersebut jka koeffisien radiasinya adalah 1!

Jawab :

Diketahui :    p = 80 cm = 0.8 m

                        A = p² = 0.8 x 0.8 = 0.64 m²

                        T = 120^oC = 120+273 = 393⁰K

                        e = 1

                        s = 5,576 x 10^-8 (W/m².K⁴)

Ditanya : ?

            Jawab :            Q_x = esAT⁴

                                    Q_x = 1 x 5,576 x 10^-8 W/m².K⁴ x 0.64 m² x (393⁰K)⁴

                                    Q_x = 851,281 W

Benda tidak hanya melepaskan kalor ke lingkungan, tetapi juga menyerap kalor dari lingkungan.

Contoh :

            Air yang dipanaskan di atas kompor menyerap energi panas dari api yang menyala pada kompor.

            Petani di sawah waktu siang hari merasa panas karena tubuhnya menyerap panas dari sengatan matahari.

Bukti benda dapat menyerap kalor dari lingkungan juga dilihat dari contoh berikut :

v   Dua benda identik yang suhunya sama, masing-masing dimasukkan ke dalam dua ruang yang suhunya berbeda. Benda yang berada dalam ruangan yang bersuhu lebih rendah akan lebih cepat turun suhunya dibandingkan benda yang dimasukkan dalam ruangan bersuhu tinggi.

v   Pada saat suhu benda sama dengan lingkungann, suhu benda tidak turun lagi. Keadaan ini dinamakan benda berada pada kesetimbangan termal.

Berdasarkan bukti di atas, dapat disimpulkan bahwa besarnya koefisien emisifitas sama dengan koefisien absorbsi (serapan).