VII. Hewan dan Lingkungannya

Gusti Rusmayadi

PS. Agronomi – BDP – Faperta Unlam

Topik

1. Konsep Neraca energi.

2. Fluks energi Radiasi untuk Hewan

3. Metabolisme.

4. Pertukaran Bahang Laten.

5. Konduksi Bahang dalam Kulit dan Jaringan

Hewan.

6. Penerapan Persamaan Neraca Radiasi.

7. Ruang Iklim.

8. Suhu Benda Hitam yang Setara.

• ? Daya tahan tubuh;

– Pemeliharaan

tubuh pada

keadaan stabil;

produksi kalor

metabolik.

– Berapa banyak

penyediaan bahan

makanan untuk

mempertahankan

suhu badan.

•?

Kesesuaian

lingkungan

fisik bagi

daya tahan

tubuh hewan.

1.1. Konsep Neraca Energi

Li Loe

M,q λE

G

Sp

Sd

1.1. Konsep Neraca Energi

• Neraca energi satu satuan luas pada permukaan hewan yang menghadap atmosfer adalah jumlah dari pemasukan bahang dan kehilangannya;

• asSi + aLLi – Loe + M – λE – H – q – G = 0 – as dan aL adalah koefisien penyerapan gelombang

pendek dan gelombang panjang,

– Si dan Li adalah radiasi gelombang pendek dan panjang,

– M adalah bahang metabolik per satuan luas permukaan kulit,

– λE adalah kehilangan bahang laten melalui penguapan air dari kelenjar respirasi dan kulit hewan,

– G adalah kehilangan bahang melalui konduksi, dan

– q adalah laju penyimpanan bahang pada hewan

• Pada kondisi mantap (steady state), dengan laju penyimpanan bahang, q = 0, maka terjadi keseimbangan kehilangan dan pemasukan bahang. Asumsi G = 0.

• Loe= εσT4

• H = ρcp (Ts – Ta)/rHa

• Berhubungan dengan suhu permukaan tubuh hewan

Implikasi persamaan neraca energi

•Menentukan kebutuhan makanan untuk iklim

tertentu, atau

•Iklim yang diperlukan untuk jumlah

penyediaan makanan dan aktivitas tertentu.

Suhu permukaan hewan mungkin lebih tinggi atau

rendah dari yang diperlukan untuk hidup hewan.

Apabila suhu badan dan tingkat metabolisme

ditentukan, berarti menyatakan lingkungan apa yang

diterima.

1.2. Fluks Energi untuk Hewan

Li = εiσTi4

Ti = suhu dinding pemancar radiasi

εi = koefisien pemancaran (emisivitas) dinding

Dinding lebih luas dari hewan εi 1

Contoh 1.2.1

• Dinding kandang mempunyai suhu permukaan sebesar 20ºC. Berapakah pancaran radiasi yang ditimbulkan oleh dinding ?

• Jawab;

• Li = εiσTi4; εi = 0,9; σ = 5,67 x 10-8 Wm-2);

Ti = K, = (20 + 273) K = 293 K

• Li = 0,9 x 5,67 x 10-8 Wm-2 x (293)4 K

• Li = 376 Wm-2

Kuantifikasi pemasukan radiasi

gelombang pendek

• Kuantifikasi pemasukan radiasi gelombang pendek untuk hewan dilakukan dengan proyeksi di hewan tegak lurus terhadap berkas radiasi matahari (Sp).

• Radiasi gelombang pendek datang rata-rata adalah perbandingan antara luas terproyeksi dengan luas keseluruhan dikalikan dengan radiasi yang datang tegak lurus berkas radiasi (Sp).

A Sp

Ap

• Perbandingan antara luasan yang

terproyeksi dan seluruh luasan adalah;

• (Ap/A) = πr2/4πr2 = 1/4

– r adalah jari-jari bola

• Rata-rata radiasi yang datang;

• Sid = Sp x (Ap/A)

• Sid = 0,25 Sp

Gambar 1. Perbandingan luas bayangan pada permukaan yang tegak lurus

berkas radiasi matahari terhadap keseluruhan luas untuk tiga

bentuk yang dapat digunakan hewan. Sudut θ adalah sudut

antara berkas radiasi matahari dan sumbu benda.

Tab

el 1

. K

oef

isie

n p

eny

erap

an r

adia

si m

atah

ari

dan

ko

efis

ien p

eman

aran

per

mu

kaa

n t

ub

uh

hew

an

1.3. Metabolisme

• Tingkat metabolisme terendah (dalam Watt) dapat diperkirakan untuk berbagai jenis hewan dengan persamaan;

Bm = C m3/4

m adalah massa hewan (kg) dan C adalah tetapan dengan nilai 3 – 5 untuk homoetherm dan sekitar 5 untuk poikiolotherm pada suhu 20ºC.

Luas permukaan (A=m2) dan massa (kg),

A = 0,1 m2/3

Gambar 2. Hubungan antara massa tubuh dan kecepatan metabolisme

dasar poikilotherm pada suhu 20ºC, kecepatan metabolisme

dasar homeotherm pada 39ºC, dan kecepatan metabolisme

aerobik maksimum.

• Tingkat metabolisme dasar per satuan luas

permukaan menjadi;

– Mb = (Bm/A)

– hasil pengamatan nilai Mb berkisar antara 30

sampai 50 W/m2.

• Laju metabolisme meningkat dengan

aktivitas hewan. Hal ini dapat dihitung

dengan dua cara;

1. Asumsi efisiensi perubahan energi kimia

menjadi energi kerja adalah 30%, maka setiap

satuan kerja yang dilakukan akan dihasilkan

sekitar dua satuan kalor.

2. Metabolisme aerobik tertinggi pada hewan

adalah sekitar 10 kali laju metabolisme

terendah atau dasar.

• Apabila aktivitas hewan dapat ditaksir

dalam persen terhadap maksimumnya, maka

laju metabolisme diduga dari:

– M = Mb (1 + 9α/αM)

– α adalah aktivitas hewan, dan

– αM adalah aktivaitas maksimum yang dapat

dilakukan. Apabila Mb 50 W/m2, M akan

bervariasi antara 50 dan 500 W/m2.

1.4. Pertukaran Bahang Laten

• Kehilangan bahang laten

melalui respirasi adalah

bagian yang tetap dari

produksi bahang

metabolisme, karena

kenaikan produksi bahang

metabolik menyebabkan

kenaikan konsumsi

oksigen, yang

meningkatkan kecepatan

pernapasan.

• Perbandingan antara penguapan respirasi

terhadap produksi metabolisme diperoleh,

• λER/M = (ρve – ρvi)λ /(ρoi - ρoe)Г

– ρv adalah kerapatan uap di udara,

– ρo adalah kerapatan oksigen di udara,

– i adalah pada fluks nafas masuk, e adalah

konsentrasi fluks nafas ke luar,

– Г adalah bahang yang dihasilkan untuk setiap

kilogram oksigen yang dikonsumsi.

Contoh 1.4.1

• Misalkan λ = 2,4 MJ/kg, Г = 15 MJ/kg, ρve = 44 g/m3, ρvi = 7 g/m3, ρoi = 280 g/m3, dan ρoe = 210 g/m3 (menurut reduksi konsentrasi oksigen dari prosentase volume dari 21% menjadi 16%).

• λER/M = (ρve – ρvi)λ /(ρoi - ρoe)Г

• λER/M = {(44 – 7) g/m3 x 2,4 MJ/kg}/

{(280 – 210) g/m3 x 15 MJ/kg

• λER/M = 0,08

• Beberapa hewan

dengan

pembuluh nafas

yang kecil akan

menghembuskan

udara pada suhu

di bawah suhu

badan

Gambar 3. Suhu udara hembusan nafas

sebagai fungsi suhu udara,

beberapa spesies.

• Kehilangan air melalui kulit hewan dihitung

dari,

• Es = (ρ’vs – ρva)/rvs + rvc + rva

– Rvs, rvc, dan rva, hambatan terhadap difusi uap

melalui, mantel (coat) dan lapisan batas, dan

– ρ’vs adalah kerapatan uap jenuh pada suhu kulit.

• Hewan berkulit lembap (cacing, siput,

amphibi) rvs = rve = 0, dan

• hambatan yang mengontrol kehilangan air

adalah hambatan lapisan batas.

Tabel 2. Hambatan kulit terhadap difusi uap pada

hewan (tidak pada keadaan tegangan suhu)

Contoh 1.4.2. Hambatan difusi

• Hambatan difusi kulit berperan untuk pendugaan neraca energi dan neraca air pada hewan.

• Diketahui ρva = 7 g/m3, ρ’vs= 44 g/m3 dan rvs= 13000 s/m.

• Es = (ρ’vs – ρva)/rvs + rvc + rva

• λEs = λ(ρ’vs – ρva)/rvs + rvc + rva

• λEs = {2430 Jg-1(44 - 7) g m-3}/13000 s m-1

• λEs = 6,9 W/m2

1.5. Konduksi bahang dalam Kulit dan

Jaringan Hewan

Ali

ran b

ahan

g

Aliran uap air Aliran bahan

Ts - Ta

H = ρcp ────

rH

Contoh 1.5.1. hambatan bahang

• Hambatan bahang lapisan kapas setebal 1

cm.

• Difusivitas bahang, DH=k/ρcp.

• k (konduktivitas benda) kapas = 0,059 Wm-

1K-1.

• DH=k/ρcp= 0,059Wm-1K-1/1200 Jm-3K-1

= 4,9 x 10-5 m2/s.

• rH = l/DH= 10-2m/4,9 x 10-5 m2/s = 204 s/m

Contoh 1.5.1. hambatan bahang

• Hambatan bahang udara setebal 1 cm.

• Difusivitas bahang, DH=k/ρcp.

• k (konduktivitas benda) udara = 0,0258 Wm-1K-1.

• DH=k/ρcp= 0,0258Wm-1K-1/1200 Jm-3K-1

= 2,15 x 10-5 m2/s.

• rH = l/DH= 10-2m/2,15 x 10-5 m2/s = 465 s/m

• Jadi, kapas hanya (204 s/m)/(465 s/m) x 100% =

44% mampu mengurangi kehilangan bahang

dibandingkan udara.

• Rata-rata hambatan mantel menurun menurut akar kecepatan angin;

• rHc = rºHc - b√u

rºHc adalah hambatan jika tidak ada angin, dan

b adalah penurunan setiap satuan perubahan √u.

– Nilai b tergantung dari penembusan dan pengaruh angin terhadap ketebalan mantel.

– Nilai b pada burung layang-layang dan kelinci sekitar 50.

Gambar 1.4. Hambatan bahang mantel hewan yang diukur

pada beberapa potong kulit dan kulit berbulu.

Hewan

Hambatan

penyempitan

pembuluh (s/m)

Hambatan

pengembangan

pembuluh (s/m)

Steer 170 50

Calf 110 50

Pig (3 bulan) 100 60

Down sheep 90 30

Man 90 15

Tabel 3. Hambatan thermal jaringan sekeliling hewan

1.6. Penerapan Persamaan Neraca Radiasi

• Persamaan neraca energi;

– asSi + aLLi – Loe + M – λE – H – q – G = 0

• Perpindahan bahang dari dalam tubuh hewan ke permukaan dapat dinyatakan sbb;

ρcp (Tb – Ts)

M – λE = –––––––––– rHb

Tb adalah suhu dalam tubuh hewan, Ts adalah suhu permukaan, dan

rHb adalah rata-rata hambatan perpindahan bahang mantel dan jaringan.

rHb(M – λE) Ts = –––––––––

ρcp

• Asumsi q – G = 0

• asSi + aLLi – Loe + M – λE – H = 0

• as (Ap/A) Sp + asŚd + aLĹi –εσT4s + M – λE

– {ρcp (Tb – Ts)}/rHa = 0

• Rabs –εσT4s + M – λE – {ρcp (Tb – Ts)}/rHa

+ {rHb(M – λE)}/re = 0

• Rabs = as (Ap/A) Sp + asŚd + aLĹi

• 1/re = 1/re + 1/rHa

1.7. Ruang Iklim

Gambar 1.5. Diagram iklim untuk “masked shrew”

(Sorex cinereus).

• Asumsi-asumsi hewan ‘Shrew’;

– Kecepatan angin 0,1 dan 1 m/s

– Suhu tubuh dipilih untuk dua garis 41 dan 37,5ºC.

– Hambatan tubuh ‘Shrew’ diambil 300 s/m pada Tb =

37,5º.

– 3 garis lainnya adalah;

• Garis benda hitam adalah rongga benda hitam seperti lubang di

tanah, Rabs= εσT4a

• Garis malam hari cerah adalah lingkungan energi radiasi

terkecil, Rabs malam = εsσT4s.

• Garis sinar matahari cerah menunjukkan energi maksimum

pada keadaan langit cerah, Rabs siang = Rabs malam + as (Ap/A)

Sp + asŚd

Gambar 1.6. Diagram iklim untuk iguana padang pasir

untuk angin 0,3 m/s.

1.8. Suhu Benda Hitam, Yang Setara

• Lingkungan

bersuhu tinggi

dengan pemasukan

energi radiasi kecil,

atau

• Lingkungan

bersuhu rendah

dengan energi

radiasi tinggi.

• Te = suhu hewan

dalam rongga atau

ruang benda hitam

Neraca energi hewan

ρcp (Tb – Te)

──────── = M – λE

rHb + re

• kehilangan bahang terasa dan energi radiasi

dari hewan dalam rongga atau ruang benda

hitam dengan suhu Te.

• rHB adalah hambatan pertukaran bahang

total, dan

• re adalah hambatan paralel rHa dan rr.

nilai Te

re (Rabs – εσT4) • Te = Ta + ───────── ρcp

• Apabila Rabs = εσT4

a, maka Te = Ta • Contoh; • Carilah suhu ruang (Te) yang sebanding

dengan suhu di luar 30ºC untuk manusia yang menggunakan mantel warna gelap pada radiasi matahari penuh dan kecepatan angin 1 m/s. Sudut θ = 60º

• Penyelesaian nilai Te

• Sudut θ = 60º. Gunakan Gambar 1, maka Ap/A = 0,26.

• Mantel berwarna gelap, α = 0,8 ε = 1, Sp = 1000 W/m2, asŚd = 250 W/m2, maka

• Rabs = as (Ap/A) Sp + asŚd + aLĹi

= 0,8 (0,26 x 1000 + 250) + 0,94 x 479 = 858 W/m2.

• Dimensi untuk manusia, d = 0,17 m, maka;

• rHa= 0,7 x 307 (d/u)1/2 = 215(0,17/1)1/2= 89 s/m

• rr = (ρcp/ 4εσT3a) = 1200/6,3 = 190 s/m

• re = rHarr/rHa + rr = (89x190)/(89+190) = 60 s/m

• Te= 30 + 60(858 – 479)/1200 = 49ºC

• Apa yang anda lakukan pada lingkungan bersuhu 49ºC.

• Apabila kecepatan angin meningkat menjadi 3 m/s, berapakan Te ?

Pendugaan kebutuhan makanan dengan persamaan

neraca energi

• Seekor kelinci seberat 1,5 kg dalam lingkungan dengan Te =0ºC. Asumsikan Te = Ta, u = 1 m/s dan d = 10 cm. λE/M=0,2 dan Tb = 37ºC.

• Penyelesaian;

• rHa = 68 s/m, rr = 261 s/m, re = 54 s/m.

• Gambar 4; rHb = 1000 s/m untuk kelinci. ρcp (Tb – Te) ──────── = M – λE rHb + re

• 1200(37 – 0)/(1000+ 54) = M – 0,2M

• 53 W/m2

• A = 0,1 m2/3 = 0,1 x 1,52/3 = 0,13 m2

• Energi yang diperlukan kelinci adalah, 0,13 x 53 = 6,9 W.

• Untuk kandungan kalori glukosa 15,7 MJ/kg, maka satu kilogram glukosa aka dihabiskan dalam 15,7 x 106/6,8 = 2,3 x 106 s, atau setara dengan 27 hari.

• Bagaimana dengan bahan rumput kering ?

Latihan

1. Buatkan diagram iklim untuk sejenis hewan!

2. Berapa banyak makanan yang diperlukan

caribou seberat 500 kg dalam kg/hari untuk

bertahan pada musim dingin Artic dengan rata-

rata Ta = 20ºC ? Anggap u = 3 m/s.

3. Berapakah suhu kesetaraan (equivalent

temperature) untuk orang yang berjemur di sinar

matahari di pantai pada siang hari cerah, dengan

Ta = 30ºC, u = 2 m/s, as = 0,7 ?