12Perpindahan Dan Daya Hantar Panas

Perpindahan dan Daya Hantar Kalor

BAB XII

PERPINDAHAN DAN DAYA HANTAR KALOR

Kualitas kalor dapat mengalami proses perpindahan melalui tiga cara , yaitu secara konveksi

radiasi dan konduksi (hantaran). Dalam hal ini perpindahan secara konveksi disebabkan oleh

aliran fluida dari daerah panas kedaerah yang dingin.Sedangkan perpindahan secara radiasi

disebabkan oleh pancaran kuanta materi yang membawa tenaga dari suatu sumber radiator

kedaerah sekitarnya.Adapun konduksi adalah proses perpindahan panas karena gerak kacau

atom-atom/molekul-molekul atau elektron-elektron bebas dari suatu benda akibat

pemanasan.Dalam hal ini makin panas suatu benda maka makin tinggi pula tingkat-tingkat

kekacauan itu. Akibatnya kebolehjadian zarrah-zarrah tersebut makin bertumbukan makin

besar,menyebabkan pelepasan tenaga dari suatu bagian sistem ke bagian lain makin

besar.Selanjutnya gejala ini menjalar keseluruh sistem. Akibat lanjutannya adalah terjadinya

aliran tenaga (kalor) dari daerah yang kalornya tinggi kedaerah yang kalornya rendah.

Tiga mekanisme perpindahan panas adalah konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi, terjadi

pada suatu benda atau dua bendayang disentuhkan. Konveksi tergantung pada gerakan massa

dari suatu daerah ruang ke daerah lain. Radaisi adalah perpindahan panas melalui radiasi

elktromagnetik, seperti sinar matahari, tanpa memperlukan media apapun pada ruang

diantaranya.

12.1 Konduksi

Jika ujung sebatang tembaga dipegang dan menyentuhkan ujung lainnya ke api, ujung lainnya

yang dipegang akan terasa makin panas, walaupun tidak ada kontas langsung dengan api. Panas

mencapai ujung yang lebih dingin dengan konduksi melalui bahan. Pada tingkat, atom pada

daerah panas memiliki energi kinetik lebih besar daripada daerah dingin. Atom-atom pada

daerah panas menambrak atom terdekat, memberikan sebagaian energinya. Atom terdekat

kembali menabrak atom yang lainnya dan begitu seterusnya. Atom-atom itu sendiri tidak

bergerak dari daerah, tetapi energinya berpindah.

Kebanyakan logam banyak menggunakan mekanisme lain yang lebih effektive untuk

mengkonduksikan panas. Di dalam logam, sejumlah elektron dapat meninggalkan atom asalnya

dan memenbus susunan kristal. Eleketron “bebas” ini dapat membawa energi dengan cepat dari

daerah panas ke dingin dari logam, sehingga hampir semua logam merupakan konduktor yang

baik. Sebuah batang 20oC terasa lebih dingin daripada sepotong kayu pada 20oC karena panas

dapat mengalir lebih mudah dari tangan ke logam. Kehadiran elekteron “bebas” juga

menyebabkan kebanyak konduktor lisrik yang baik.

Fisika Dasar XII-1


Perpindahan hanya terjadi pada daerah yang berbeda suhunya dan arah aliran panas selalu terjadi

dari suhu yang lebih tinggi ke rendah. Gambar di bawah ini menunjukkan panjang sebatang

bahan konduktor dengan luas penampang A dan panjang L.

Selanjutnya dalam uraian ini hanya akan membahas

konduksi T2 .Sekarang tinjaulah suatu lempeng

konduktor panas yang tebalnya l dan luas

penampangannya A dengan selisih suhu antara kedua

belah permukaannya adalah : Δt = t2 – t1.

Secara empris kita dapat menyadari besarnya kalor persatuan waktu yang mengalir melewati

luasan A sebagai akibat perbedaan suhu kedua belah permukaannya adalah :

atau (12.1)

dimana H menyatakan tenaga (kalor) persatuan waktu yang mengalir dari daerah yang suhunya

tinggi kedaerah yang suhunya rendah, sedangkan tanda negatif pada (12.1) melukiskan pelepasan

kalor yang menyebabkan berkurangnya kalor dari daerah yang suhunya tinggi.Berikutnya , untuk

kalor yang tidak homogen (tidak merata) disetiap lapisan, maka rumus (12.2) dapat ditulis

sebagai berikut:

(12.2)

dengan K = Koefisien daya hantar yang satuannya adalah

[K] = [ kalori/det.cmoC]

Akhirnya perlu dicatat disini bahwa apabila sistem sudah dalam setimbang maka aliran kalor

secara nantaran itu akan terhenti. Ini berarti menurut (12.2) suhu kedua belah permukaan sudah

sama,atau dengan kata lain H = 0.

Sebagai contoh pemakaian tinjaulah suatu sistem penghantar yang

berbentuk huruf Y yang ketiga cabangnya sama besar penampang nya

serta sama pula panjangnya.Dalam hal ini kalau t2 > t1,maka suhu pada

titik cabang penghantar dapat dihitung sebagai berikut.

Andaikan suhu pada titik cabang kita tandai dengan t, dan mengingat bahwa diandaikan pulatak

ada kalor yang hilang, maka menurut (9.10) kita akan dapatkan persamaan :

Yang dalam hal ini koefisien K ketiga cabang sama karena bahannya yang sama pula.Dari

sangkutan ini segera kita peroleh :

Fisika Dasar XII-2

Gambar 12.1


Contoh 1.

Sebuah kotak Styrofoam dipakai untuk menyimpang minuman dingin luas dinding total,

(termasuk tutupnya). 0,80 cm2 dan tebal dingin 2,0 cm2 kotak diisi air, es, kaleng Cocacola pada

00C. Berapa laju aliran panas ke dalam kotak jika suhu luar dindingnya adalah 30oC?. Berapa

banyak es yang mencair dalam sehari?

Jawab :

Aliran total panas Q dalam sehari (86,400 sekon) adalah,

Q = Ht = 12 J/s (86,400s) = 1,04 x 106 J

Panas peleburan dari es adalah; 3,34 x 105 J/kg, maka kuantitas es yang mencair oleh tersebut

adalah;

Contoh 2 :

Tinjaulah sebuah lempeng gabungan yang terdiri dari dua bahan yang ketebalannya berbeda.l1

dan l2, dengan konduktivitas yang berbeda k1 dan k2.Jika temperatur pada permukaan-permukaan

luar adalah t2 dan t1, carilah banyaknya perpindahan kalor persatuan waktu yang melalui lempeng

gabungan didalam keadaan lunak.

Jawab :

Misalkan Tx adalah temperature persambungan

;

Dalam keadaan tunak, H1 = H2 = H, sehingga

= = H

Jika diadakan manipulasi matematik dengan menjumlahkan masing-masing luas diperoleh :

Contoh 3 :

Sebuah batang baja sepanjang 10,0 cm disambungkan dengan sebatang tembaga sepanjang 20,0

cm. Masing-masing memiliki luas penampang bujur sangkar dengan sisi 2,0 cm. Ujung bebas

dari baja dijaga tetap 100oC dengan memberikan kontak pada uap. Dan ujung bebas dari tembaga

tetap pada 0oC dengan memberikan kontak pada es. Tentukan suhu sambungan ke dua batang

tersebut.

Jawab:

dan

Fisika Dasar XII-3


Luas A adalah sama dan dapat dibagi, dengan mensubsitusikan harga panjang tembaga dan baja

dan harga kbaja = 50,2 W/m.K, panjang 0,10 m dan ktembaga = 385 W/m.K, panjang 0,20 m maka

diperoleh,

12.2 Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas oleh gerakan massa pada fluida dari daerah rung ke daerah

ruang yang lainnya. Contoh umum meliputi sistem pemanas udara panas dan air panas, sistem

pendingin pada mobil, dan sistem aliran darah pada tubuh manusia. Jika fluida terserkulasi oleh

blower atau pompa, proses disebut konveksi paksa, jika aliran disebabkan karena perbedaan

densitas akibat ekspansi termal, seperti udara panas yang naik, maka proses disebut konveksi

alami atau konveksi bebas.

Konveksi bebas pada atmosfer memiliki peran dominan dalam menentukan cuaca harian, dan

konveksi pada lautan adalah mekanisme perpindahan panas global yang penting. Pada skala

kecil, elang dan pilot pesawat layang memanfaatkan arus naik termal dari bumi yang lebih

hangat. Terkadang arus naik cukup kuat untuk membentuk badai.

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang sangat kompleks, dan tidak

persamaan yang sederhana untuk mendiskripsikannya berikut ini sedikit fakta hasil percobaan :

1. Arus panas karena konveksi berbanding lurus dengan luas permukaan, ini adalah alasan

mengapa luas permukaan radiator dan kipas pendingin harrus besar.

2. Kekentalan fluida memungkinkan konveksi alami berjalan lambat di dekat permukaan

stasioner, emghasilkan lapisan permukaan yang pada permukaan vertikal umumnya memiliki

harga isolasi yang sebanding dengan 1,3 cm. Konveksi paksa mengurangi ketebalan lapisan

ini, dan meningkatkan laju perpindahan panas. Ini menyelaskan ”faktor angin dingin’ : kita

merasa cepat dingin oleh angin dingin bila dibandingkan dengan udara diam pada suhu yang

sama.

3. Arus panas akibat konveksi dapat dianggap sebanding dengan 5/4 daya dari perbedaan suhu

antara permukaan dan bagian utama fluida.

12.3 Radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas oleh elektromagnetik seperti cahaya tampak, inframerah, oleh

radiasi ultra ungu. Setiap orang merasa kehangatan oleh cahaya matahari dan panas yang intens

dari pembakaran kayu yang membara dalam perapian. Kebanyakan panas yang sangat panas

tersebut mencapai tubuh tidak dengan cara konduksi maupun konveksi tetapi dengan cara

Fisika Dasar XII-4


radiasi. Perpindahan panas ini bisa terjadi bahkan tidak ada media (hampa udara) di antara tubuh

manusia dan sumber panas

Laju radiasi energi dari permukaan berbanding lurus dengan luas penampang. Laju sangat cepat

seiring kenaikan suhu, tetapi bergantung pada pangkat empat dari suhu mutlak kalvin (K), laju

juga bergantung sifat fisis dari permukaan benda. Ketergantungan ini dideskripsikan dengan

Kuantitas e yang sering disebut emisivitas. Ini adalah angka tak berdemensi 0 dan 1, yang

menggambarkan laju radiasi dari permukaan tertentu terhadap laju radiasi dari permukaan radiasi

ideal dengan luas yang sama dan suhu yang sama emisivitas juga tergantung pada suhu, laju

aliran panas pada prose konduksi H = dQ/dt akibat radiasi dari luas permukaan A dengan

emisitivitas e pada suhu mutlak T dapat dinyatakan sebagai,

(12.3)

Dimana adalah konstanta Stefan-Boltzman. Hubungan ini disebut hokum Stefan- Boltzman.

Angka ini berharga 5,6705 x 10-8 W/m2.K4. Emisivitas dari permukaan tembaga halus sekitar 0,3

tetapi emisivitas benda hitam pekat hampir mencapai satu.

Contoh 4.

Sebuah pelat baja berbentuk bujur sangkar tipis, dengan sisi-sisi 10 cm, dipanaskan pada tungku

panadi besi hingga suhu 800oC, jika emisivitas adalah 0,60, berapa laju radiasi?

Jawab :

Luas permuakaan total = 0,020 m2, suhu harus dikonversi ke dalam skala kalvin dari 800oC

menjadi 1073 K, dengan menggunakan pesamaan 12.1 didapatkan,

H = (0,020 m2)(0,60)(5,67 x 10-8W/m.K)(1073.K)4 = 900 W.

Contoh 5.

Apabila luas permukaan total dari tubuh manusia adalah 1,2 m2 dan suhu permukaan total 303 K,

Jika lingkungan berada pada 20oC dan emisivitas pada tubuh manusia bernilai 1 (satu). Tentukan

laju radiasi tubuh manusia dan laju kehilangan panas pada tubuh manusia.

Jawab :

Laju radiasi per satuan luas diperoleh dengan menggunakan persamaan 12.1 sehingga didapat,

H = (1,2 m2)(1)(5,67 x 10-8 W/m2.K4)(303.K)4 = 574 W

Kehilangan panas diimbangi dengan penyerapan sebagai akibat dari radiasi, hal ini bergantung

pada suhu lingkungan. Laju perpindahan panas akibat radiasi adalah,

(Persamaan matematis yang digunakan sama seperti contoh soal 1).

H = (1,2 m2)(1)(5,67 x 10-8 W/m2.K4)[(303.K)4-(293.K)4] = 72 W

Fisika Dasar XII-5


Soal-soal Latihan :

1. Keping Logam tebal 4 mm beda suhu 32oC antara permukaannya. Keping itu dilalui 200

kkal/jam pada setiap 5 cm2 luas penampangnya. Hitung Konduktivitas termal logam dalam

satuan W/m.K. (Kunci : 58,5 W/m.K)

2. Dua keping logam dipatri menjadi satu bila diketahui A = 80 cm2, L1=L2 = 3,0 mm ; T1 =

100oC dan T2 = 0oC, keping kiri K1 = 48,1 W/m.K dan K2 = 68,2 W/m.K. Tentukan aliran

kalor per satuan waktu yang terjadi dan hitung pula suhu sambungan. (Kunci : T sambunga =

41,1oC dan H = 7,5 kJ/s)

3. Pendingin minimunan berbentuk kubus 45 cm pada sisi dindingnya dengan tebal 3,0 cm

terbuat dari plastik ( K = 0,05 W/m.K). Bila temperatur luar 20oC . Berapa air yang akan

mencair di dalam alat pendingin setiap jamnya?. (Kunci : m = 379 gr)

MODUL BAB XI SUHU DAN KALOR

NAMA :

NIM :

1. Keping besi tebal 2 cm dengan luas penampang 5000 cm3 sisi yang satu bersuhu 150oC dan

sisi yang lain bersuhu 140oC. Berapa kalor berpindah melaluikeping setiap detik? ( Kunci H

= 20 kJ/s)

Fisika Dasar XII-6


MODUL BAB XI SUHU DAN KALOR

NAMA :

NIM :

2. Seorang tanpa busana dengan luas permukaan tubuh 1,4 m2 dengan daya pancar (emisivitas)

sebesar = 0,05 temperatur orang tersebut 37oC dan berdiri di dalam ruangan bersuhu 20oC.

Berapa banyak panas yang hilang dari orang tersebut per menit? (Kunci = H = 1,880 kkal).

Fisika Dasar XII-7

12Perpindahan Dan Daya Hantar Panas

Documents

Transcript of 12Perpindahan Dan Daya Hantar Panas