Laporan Praktikum Konduksi Kelompok 14.pdf

Laporan Praktikum POT

KONDUKSI

Oleh: Kelompok 14 Citra Siti Purnama , 1206314604

Inez Nur Aulia Afiff , 1106009500

Rahmita Diansari , 1106013151

Vania Anisya Albels , 1106052934

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

UNIVERSITAS INDONESIA

2013

1 Laporan POT - Konduksi

Daftar Isi

BAB I .................................................................................................................................................... 2

PENDAHULUAN ............................................................................................................................. 2

BAB II ................................................................................................................................................ 19

PERCOBAAN ................................................................................................................................. 19

BAB III .............................................................................................................................................. 28

ANALISIS ........................................................................................................................................ 28

BAB IV .............................................................................................................................................. 38

KESIMPULAN ............................................................................................................................... 38

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................................... 40


BAB I

PENDAHULUAN

1.1 TUJUAN PERCOBAAN

Berikut ini merupakan tujuan dari praktikum konduksi yang telah dilakukan

oleh praktikan:

1. Menghitung koefisien perpindahan panas logam dan pengaruh suhu terhadap

k, dengan menganalisa mekanisme perpindahan panas konduksi tunak dan tak

tunak.

2. Menghitung koefisien kontak.

1.2 TEORI DASAR

Kalor merupakan salah satu bentuk energi, sehingga dapat berpindah dari satu

sistem ke sistem yang lain karena adanya perbedaan suhu. Kalor mengalir dari sistem

bersuhu tinggi ke sistem yang bersuhu lebih rendah. Sebaliknya, setiap ada perbedaan

suhu antara dua sistem maka akan terjadi perpindahan kalor. Perpindahan Kalor

adalah salah satu ilmu yang mempelajari apa itu perpindahan panas, bagaimana panas

yang ditransfer, dan bagaimana relevansi juga pentingnya proses tersebut.

Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri

proses. Terdapat 3 jenis mekanisme perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan

radiasi. Pada makalah ini, penulis hanya terfokus pada perpindahan kalor secara

konduksi, lebih tepatnya konduksi tunak.

Konduksi adalah proses perpindahan kalor jika panas mengalir dari tempat

yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, tetapi medianya tetap.

Perpindahan kalor secara konduksi tidak hanya terjadi pada padatan saja tetapi bisa

juga terjadi pada cairan ataupun gas, hanya saja konduktivitas terbesar ada pada

padatan. Jadi,

Konduktivitas padatan > konduktivitas cairan dan gas

Pada media gas, molekul-molekul gas yang suhunya tinggi akan bergerak dengan

kecepatan yang lebih tinggi daripada molekul gas yang suhunya lebih rendah. Karena adanya

perbedaan suhu, molekul-molekul pada daerah yang suhunya tinggi akan memberikan

panasnya kepada molekul yang suhunya lebih rendah saat terjadi tumbukan.

Pada media berupa cairan, mekanisme perpindahan panas yang terjadi sama dengan

konduksi pada media gas, hanya kecepatan gerak molekul cairan lebih lambat daripada


molekul gas. Tetapi jarak antar molekul pada cairan lebih pendek daripada jarak antar

molekul pada fase gas.

Konduksi dalam keadaan tunak atau steady state berarti bahwa kondisi, temperatur,

densitas, dan semacamnya di semua titik dalam daerah konduksi tidak bergantung pada

waktu. Persamaan dasar dari konsep perpindahan kalor konduksi adalah hukum Fourier.

Hukum Fourier dinyatakan dengan

=

dimana :

q = laju perpindahan kalor konduksi, Watt (Btu/h)

k = konduktivitas termal, W/mOC (Btu/h.ft.

OF)

(konstanta proporsionalitas)

A = luas permukaan, m2 (ft

2)

= gradien temperatur ke arah normal terhadap luas A

1.1 Konduksi tunak

Perpindahan kalor adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang

terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Kalor dapat

berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi atau hantaran, konveksi atau aliran, dan

radiasi atau pancaran. Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor

melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Sedangkan

yang dimaksud dengan perpindahan kalor konduksi tunak adalah yaitu

perpindahan kalor secara konduksi (tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat

tersebut) dimana sistem berada dalam kondisi setimbang atau tidak berubah terhadap

waktu. Dalam konduksi tak tunak, setiap variabel, seperti energi dalam dan suhu

sistem tetap dan tidak berubah terhadap waktu. Dalam setiap persamaan yang ada

pada prinsip konduksi tunak, waktu menjadi faktor yang diabaikan dan tidak berarti.

1.1.1 Hukum Fourier

Hukum Fourier merupakan hukum empiris yang didasarkan hasil observasi.

Hukum ini menyatakan laju perpindahan kalor berbanding lurus dengan luas

penampang yang dilewati kalor dan perbedaan temperatur sepanjang aliran kalor

tersebut. Hal ini bisa dilihat dari Gambar 1 di bawah ini.


Gambar 1.1. Volume elemental untuk analisis konduksi satu dimensi

(Sumber: Holman, J.P. 2010. Heat Transfer Tenth Edition)

Berdasarkan penjelasan tersebut, kita dapat menuliskan hukum Fourier untuk

konduksi panas sebagai berikut

=

(1)

di mana q ialah laju perpindahan kaor dan

merupakan gradien suhu ke arah

perpindahan kalor. Kontanta positif k disebut konduktivitas atau kehantaran termal

(thermal conductivity) benda yang dilalui panas tersebut. Tanda minus yang

diselipkan pada persamaan tersebut bertujuan untuk memenuhi hukum kedua

termodinamika yang menyatakan bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah

dalam skala suhu.

1.1.2 Konduktivitas

Konduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif

bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas.Nilai

konduktivitas termal diberikan dalam Tabel 1.1.


Tabel 1.1. Konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada 0 0C

Hukum Fourier merupakan dasar dari konduktivitas termal. Untuk

meramalkan konduktivitas termal zat cair dan zat padat,ada teori yang dapat dipakai

dalam beberapa situasi tertentu. Tetapi pada umumnya, dalam zat cair dan padat

terdapat banyak masalah yang memerlukan penjelasan.Mekanisme konduktivitas

termal pada gas cukup sederhana.Energi kinetik molekul ditunjukkan oleh suhunya,

jadi pada bagian bersuhu tinggi, molekul-molekul mempunyai kecepatan yang lebih

tinggi daripada yang berada pada bagian yang bersuhu rendah. Molekul-molekul itu

selalu berada dalam gerakan acak, saling bertumbukan satu sama lain, dimana terjadi

pertukaran energi dan momentum. Perlu diingat bahwa molekul molekul itu selalu

berada dalam gerakan acak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu

rendah.Maka molekul itu mengangkut energi kinetik ke bagian sistem yang suhunya

lebih rendah.Dan disini menyerahkan energinya pada waktu bertumbukan dengan

molekul yang energinya lebih rendah.Pada umumnya, konduktivitas termal itu sangat

bergantung pada suhu.


Konduktivitas termal adalah sifat suatu bahan atau media dalam

menghantarkan panas. Dengan kata lain, konduktivitas termal menunjukkan berapa

cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu. Nilai konduktivitas termal dapat

diperoleh dari persamaan umum konduksi, yaitu:

dimana T adalah perbedaan suhu dan x adalah ketebalan permukaan media yang

memisahkan dua suhu. Nilai konduktivitas panas didapat dari:

Konduktivitas termal dapat dijelaskan pula sebagai kuantitas panas (Q)

yang diteruskan pada waktu t melalui ketebalan media (x), dengan luas A, dengan

perbedaan suhu T, pada keadaan tunak dan ketika perpindahan panas hanya

bergantung pada gradien suhu.

Konduktivitas termal bergantung pada sifat-sifat bahan, khususnya struktur

bahan, dan suhu. Biasanya perubahan k dapat diperkirakan dengan fungsi linear,

yaitu:

Pada zat padat, energi kalor dihantarkan dengan cara getaran kisi bahan.

Selain itu, menurut hukum Wiedemann-Franz, konduktivitas termal zat padat

mengikuti konduktivitas elektrik, dimana pergerakan elektron bebas yang terdapat

pada kisi tidak hanya menghasilkan arus elektrik tapi juga energi panas. Hal ini

adalah salah satu penyebab tingginya nilai konduktivitas termal beberapa jenis zat

padat, terutama logam.

1.1.3 Laju perpindahan kalor konduksi tunak pada sistem berpenampang beda

Sistem dengan sumber kalor

Pada konduksi kondisi tunak (steady) dalam satu dimensi distribusi

suhu konstan, suhu hanya merupakan fungsi posisi dan akumulasi sama

dengan nol (konduktivitas termal dianggap tetap) sehingga hukum Fourier

dapat diintegrasi menjadi:

=

(2 1)

Namun bila konduktivitas termal berubah menurut hubungan linear dengan

suhu, maka persamaannya menjadi:


=

2 1 +

2(2

2 12)

Jika dalam sistem lebih dari satu macam bahan, seperti dinding lapis

rangkap, analisisnya akan menjadi seperti berikut:

Gambar 1.2. Perpindahan kalor pada dinding datar lapis rangkap


Untuk gradien suhu seperti gambar diatas, laju perpindahan panasnya

adalah sebagai berikut:

= 21

=

21

=

21

s

Aliran panas pada setiap bagian adalah sama. Jika ketiga persamaan

akan diselesaikan bersamaan maka aliran kalor dapat dituliskan sebagai

berikut:

=14

+

+

Persamaan Fourier terhadap kasus ini:

=

=

Sedangkan untuk sistem radial silinder yang panjangnya sangat besar

dibanndingkan dengan diameternya diasumsikan aliran kalor berlangsung pada

arah radial, sehingga koordinat ruang yang kita perlukan untuk menentukan

sistem itu adalah r. Luas bidang aliran kalor:

= 2

sehingga hukum Fourier menjadi: = 2

Penyelesaian persamaan: =2 (10)

ln(0

1)


dan tahanan termal ini: =ln(

0

1)

2

Sedangkan untuk sistem tiga lapis, analisanya dan penyelesaiannya

adalah sebagai berikut:

=2(1 4)

ln 2

1

+ ln

3

2

+ ln

(4

3)

Gambar 1.3. Perpindahan kalor pada sistem radial/silinder lapis rangkap


Kemudian untuk sistem yang berbentuk bola dapat ditangani dalam

satu dimensi apabila suhu merupakan fungsi jari-jari saja, sehingga aliran

kalornya menjadi seperti berikut:

= 4(1 0)

1

1

1

0

Sistem dengan sumber kalor

Pada sistem dinding datar dengan sumber kalor, grafik perubahan

temperaturnya akan sama dengan grafik persamaan kuadrat. Pada sistem ini,

aliran kalor dianggap hanya mengikuti satu dimensi saja karena dimensi di kedua

arah lain dianggap cukup besar. Nilai konduktivitas termal tidak berubah terhadap

perubahan suhu. Sehingga didapat persamaan umum, untuk sistem seperti ini

adalah

2

2+

= 0


Kemudian, dengan menentukan nilai batas dari sistem, dapat ditentukan

nilai suhu pada permukaan. Seperti halnya transfer panas diinginkan, suhu di

masing-masing permukaan haruslah sama sehingga terjadi distribusi suhu yang

kurvanya mirip dengan kurva persamaan kuadrat. Untuk sistem yang steady state,

jumlah kalor yang dibangkitkan haruslah sama dengan rugi kalor pada permukaan.

Jumlah kalor yang dibangkitkan adalah Ein bentuknya kalor yang dibangkitkan

dari sumber kalor dalam sistem, sedangkan rugi kalor adalah Eout adalah kalor

yang terbuang dalam bentuk transfer panas secara konveksi. Dari paparan

sebelumnya dapat persamaan

=

. . = . . ( )

. = ( )

Sehingga nilai laju perpindahan panas q dapat ditentukan dengan persamaan,

= ( )

Pada dasarnya terdapat dua jenis silinder untuk sistem ini, silinder pejal

dan silinder berlubang.Yang membedakan dari kedua nya adalah kondisi batas

yang ditetapkan pada kedua sistem ini.Jika suatu silinder dengan jari-jari r,

silinder dialiri oleh sumber kalor rata kesemua bagian, dengan konduktivitas

termal yang tetap. Perhitungan silinder seperti ini dapat dianggap sebagai satu

dimensi dengan syarat bahwa silinder ini cukup panjang sehingga kalor yang

mengalir hanya akan dianggap sebagai fungsi r saja. Persamaan umum yang

digunakan,

2

2+

1

+

= 0

Untuk silinder pejal, kondisi batas yang digunakan adalah

= =

Dengan Tw adalah nilai suhu permukaan, dan R adalah jari-jari dari

silinder pejal. Seperti halnya sistem lain pada kondisi tunak. Kalor yang

dibangkitkan akan sama dengan rugi kalor pada permukaan. Dengan kalor yang

dibangkitkan adalah kalor yang dibangkitkan oleh sumber kalor, dan rugi kalor

adalah kalor yang terbuang pada lingkungan secara konveksi.


=

. = . . ( )

. . 2. = 2. .

2. . . ( )

Sehingga nilai laju perpindahan kalor adalah

= 2. . ( )

Untuk silinder berlubang, kondisi batas yang digunakan adalah

= = (muka dalam)

= = (muka luar)

Dalam kasus ini, berlaku sistem kesetimbangan energi pada silinder

berlubang. Sama halnya dengan pada dinding datar, pada silinder berlubang

energi yang dibangkitkan akan sama dengan energi yang yang dipakai pada

permukaan.

=

. = . . ( )

2

2 = 2 . . ( )

sehingga nilai laju perpindahan kalor untuk silinder berlubang adalah

= 2 ( )

2

2

Untuk sistem bola dengan sumber kalor, dengan jari-jari R mempunyai

sumber kalor yang terbagi rata dan konduktivitas termalnya tetap, maka:

2 (, )

2+

2

(, )

+

= 0

Gradient suhu pada permukaan bola atau T merupakan perubahan suhu

terhadap posisi dan waktu. Sama hal nya dengan sistem-sistem yang ada, jumlah

kalor yang dibangkitkan akan sama dengan rugi kalor yang terbuang melalui

konveksi.

=

. = . . ( )

4

3 3 = 42( )

sehingga nilai laju perpindahan kalor adalah

= 3. . ( )


1.2.4 Tahanan Kontak Termal

Apabila dua batangan padat dihubungkan maka akan terjadi tahanan kontak

termal. Dua sisi batang tersebut diisolasi sehingga aliran kalor hanya terjadi pada arah

aksial, yaitu searah sejajar poros. Meskipun konduktivitas termal kedua bahan

berbeda, fluks kalor yang melewati bahan tersebut dalam keadaan tunak akan sama

karena sisinya diisolasi. Penurunan suhu secara tiba-tiba pada bidang B terjadi karena

tahanan kontak termal.

Gambar 1.4. Dua padatan yang disambungkan dan profil suhunya


Dengan menerapkan neraca energi pada kedua bahan, didapatkan

B

B

B

c

BA

A

A

x

TTAk

Ah

TT

x

TTkAq

322221

/1

=1 3

+

+

Dengan 1/hcA adalah tahanan kontak termal dan hc adalah koefisien konduktansi

termal.Ada beberapa hal yang mempengaruhi tahanan kontak termal.Perpindahan

kalor pada sambungan dapat terjadi melalui konduksi zat padat dengan zat padat pada

titik singgung dan melalui gas yang terkurung pada ruang-ruang lowong yang

terbentuk karena persinggungan (hal inilah yang memberikan tahanan terbesar bagi

aliran kalor karena konduktivitas gas yang sangat kecil). Aliran kalor yang melintasi

sambungan :

Ah

TT

L

TAk

AckLAkL

TTq

c

BA

g

BTAvf

BgcAg

BA

12/2/

222222

dimana Ac adalah bidang kontak ,Av adalah bidang kosong, Lg adalah tebal ruang

lowong, kf adalah konduktivitas termal fluida, A adalah luas penampang total


batangan. Dengan menyelesaikan persamaan tersebut, maka diperoleh hc yaitu

koefisien kontak

hcA

kA

kk

kk

A

A

L

fv

bA

bac

g

21

Beberapa hal yang mempengaruhi tahanan kontak termal.

1. Tekanan Kontak

Ketika tekanan kontak ditingkatkan, maka tahanan kontak akan menurun. Hal

tersebut disebabkan karena adanya deformasi kontak dan dengan demikian

memperluas bidang kontak antara kedua zat padat.

2. Material antara kedua benda yang bersambungan

Ketika permukaan kontak berkurang, maka tahanan untuk aliran kalor muncul.

Fluida (dalam hal ini gas) yang mengisi ruang diantara dua padatan yang

disambungkan akan mempengaruhi total aliran kalor pada permukaan kontak.

Konduktivitas termal dan tekanan dari gas tersebut mempengaruhi tahanan

kontak termal.

3. Kekasaran permukaaan dan Kedataran/ketidakdataran permukaan

4. Deformasi permukaan

Deformasi yang dapat terjadi yaitu plastic atau elastic bergantung pada sifat

material dan tekanan kontak. Ketika yang terjadi adalah deformasi plastic,

maka tahanan kontak akan berkurang, karena deformasiplastik dapat membuat

bidang kontak bertambah

5. Permukaan yang bersih

Adanya partikel debu, asam dapat mempengaruhi tahanan kontak termal

1.2 Konduksi Tak Tunak

Pada konduksi tunak, terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke

bagian bersuhu rendah, dimana suhu tidak berubah terhadap fungsi waktu.Sedangkan,

pada konduksi tak tunak, temperatur merupakan fungsi dari waktu dan jarak. Atau

dengan kata lain, perpindahan kalor konduksi tunak terjadi jika suhu tidak berubah

terhadap waktu dan konduksi tunak terjadi jika suhunya berubah terhadap waktu,

sehingga pada persamaan perpindahan kalor konduksi tak tunak terdapat suku .

Persamaan perpindahan kalor konduksi tak tunak dapat dituliskan secara umum:


dimana merupakan difusifitas termal. Untuk keadaan tidak tunak atau terdapat

sumber kalor di dalam benda, maka perlu dibuat neraca energi.

Tabel 1.2. Neraca Energi Konduksi Tak Tunak Dengan Sumber Kalor

Energi di muka kiri

x

TkAqx

Energi yang dibangkitkan di dalam unsur qAdx

Perubahan energi dalam dx

t

TcA

Energi keluar dari muka kanan

dxx

Tk

xx

TkA

x

TkAq

dxx

dxx

Sehingga persamaan konduksi tak tunak satu dimensi menjadi:

Untuk yang alirannya lebih dari 1 dimensi, kita hanya perlu memperhatikan kalor

yang dihantarkan ke dalam dan keluar satuan volume itu dalam ketiga arah koordinat.

Neraca energi di sini menghasilkan:

2.2.1 Batas konveksi dan bagan Heisler

Konduksi kalor transien berhubungan dengan kondisi batas konveksi pada

permukaan benda padat sebab kondisi batasnya akan digunakan untuk menghitung

perpindahan kalor konveksi pada permukaan. Misalnya terdapat benda padat semi-tak

berhingga seperti pada berikut:


Gambar 1.5. Nomenklatur untuk aliran transien dalam benda padat semi tak berhingga


Perpindahan kalor konveksi pada permukaan dinyatakan dengan

=

atau

( )=0 =

=0

dengan penyelesaian

= 1 erf exp

+

2

2 1 erf +

di mana = 2

Ti= suhu awal benda padat

T~ = suhu lingkungan


Gambar 1.6. Distribusi suhu pada benda padat semi tak berhingga dengan kondisi

batas konveksi


Penyelesaian tersebut berupa grafik pada Gambar 5. Untuk bentuk geometri lain

hasilnya disajikan dalam bentuk bagan Heisler. Bentuk-bentuk yang terpenting adalah

yang berkaitan dengan plat yang ketebalannya kecil sekali dibandingkan dengan

dimensi lainnya, silinder yang diameternya kecil dibandingkan dengan panjangnya,

dan bola.

Dalam semua kasus tersebut, suhu lingkungan konveksi ditandai dengan T~ dan

suhu pusat untuk x=0 atau r=0 adalah T0. Pada t=0, setiap benda padat dianggap

mempunyai suhu awal seragam Ti. Pada Gambar 4-7 sampai dengan 4-13 (Holman,

2010) suhu dinyatakan sebagai fungsi waktu dan kedudukan. Dalam bagan-bagan

tersebut berlaku definisi berikut

= , atau , (18)

= (19)

0 = 0 (20)

Jika suhu garis pusat yang dicari, hanya satu bagan yang diperlukan untuk

mendapatkan 0 dan 0, sedangkan untuk suhu di luar pusat diperlukan dua

bagan untuk menghitung hasil

=

0

0 (21)


Misalnya untuk menghitung suhu di luar pusat plat tak berhingga digunakan

Gambar 7 (untuk mendapatkan nilai 0

) dan Gambar 8 (untuk mendapatkan nilai

0)

(Holman, 2009).

Gambar 1.7. Suhu bidang tengah pada plat tak berhingga dengan ketebalan 2L


Gambar 1.8. Suhu sebagai fungsi dari suhu pusat ada plat tak berhingga dengan ketebalan

2L



2.2.2 Angka Fourier dan angka Biot

Bagan Heisler menggunakan dua parameter tak berdimensi yang disebut angka

Biot dan angka Fourier:

= =

= =

2=

2

di mana s adalah setengah tebal untuk plat atau jari-jari untuk silinder dan bola.

Angka biot adalah rasio antara besaran konveksi-permukaan dan tahanan konduksi-

dalam, sedangkan angka Fourier adalah rasio antara dimensi karakteristik benda

dengan kedalaman tembus gelombang suhu pada suatu waktu .

Nilai Biot yang rendah berarti tahanan konduksi-dalam dapat diabaikan terhadap

tahan konveksi-permukaan. Hal ini berarti pula bahwa suhu akan mendekati seragam

di seluruh benda, dan tingkah laku ini dapat didekati dengan metode analisis

kapasitas tergabung.

Jika perbandingan V/A dianggap sebagai dimensi karakteristik s, maka

=

=

2=

1.3 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Pada dinding datar yang terdapat pada Gambar 9a di mana terdapat fluida panas A

yang memasuki dinding dan pada sisi lainnya fluida B yang lebih dingin. Perpindahan

kalor dinyatakan oleh persamaan berikut.

= 1 1 =

1 2 = 2 2

Proses perpindahan-kalor dapat digambarkan dengan jaringan tahanan seperti pada

Gambar 9b. Perpindahan kalor menyeluruh dihitung dengan jalan membagi beda suhu

menyeluruh dengan jumlah tahanan termal yang dinyatakan dalam persamaan berikut.

=

1 1 + + 1 2


Gambar 1.9. Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar

(sumber: Holman, J.P. 2010. Heat Transfer Tenth Edition)

Nilai 1/hA yang digunakan di sini merupakan tahanan konveksi. Aliran kalor

menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan

dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam

hubungan

=

Di mana A ialah luas bidang aliran kalor. Sesuai dengan Persamaan 4, koefisien

perpindahan kalor menyeluruh adalah

=1

1 1 + + 1 2

Apabila kita memperhatikan selapis isolasi yang dipasang di sekeliling pipa

bundar seperti pada gambar di bawah, suhu dalam dinding dalam isolasi ditetapkan

dalam Ti, sedang muka luarnya terkena lingkungan konveksi apada T.

(b)

(a)


BAB II

PERCOBAAN

2.1 PROSEDUR PERCOBAAN

1. Memeriksa jaringan air pendingin masuk dan keluar peralatan konduksi,

diperiksa apakah air pendingin mengalir ke dalam alat dengan membuka

kran pengontrol.

2. Mengalirkan alir pendingin dengan laju sangat kecil.

3. Menghubungkan kabel ke sumber listrik.

4. Memasang milivoltmeter, mengeset mV meter pada penunjuk mV, DC.

5. Menghidupkan saklar utama dan unit 1/2 dan 3/4.

6. Mengeset heater unit 1/2 pada angka 7 dan unit 3/4 pada angka 500.

7. Mengamati suhu tiap node 1 s/d 10 setiap 5 menit untuk unit 2 dan 3.

8. Menghentikan pengamatan apabila suhu node 10 telah tidak berubah

suhunya pada 3 kali pengamatan.

2.2 PENGOLAHAN DATA

2.2.1 Hasil Pengamatan

Adapun hasil pengamatan yang didapatkan dari percobaan untuk unit 2 dan unit

3 dari alat konduksi ialah

A. DEBIT AIR

Tabel 2.1. Hasil Pengamatan Volume Air yang keluar

No t (s) V (mL) Q (ml/s) Q(m3/s)

1 3 45 15 0,000015

2 3 45,5 15,16667 1,517E-05

3 3 45 15 0,000015

Rata-rata 1,506E-05


B. UNIT 2

Suhu air masuk (Tin air) diasumsikan sebesar 260C.

Tabel 2.2. Tabel Hasil Pengamatan Unit 2

Node Trial 1 Trial 2

Suhu (celcius) T(mV) Suhu (celcius) T (mV)

1 28 3,512 28 3,48

2 28 2,984 28 2,973

3 28 2,553 28 2,549

4 28 2,19 28 2,19

5 28 1,891 28 1,895

6 28 1,602 28 1,606

7 28 1,351 28 1,352

8 28 1,136 28 1,135

9 28 0,93 28 0,928

C. UNIT 3

Suhu air masuk (Tin air) diasumsikan sebesar 260C.

Tabel 2.3. Tabel Hasil Pengamatan Unit 3

Node Trial 1 Trial 2

Suhu (celcius) T(mV) Suhu (celcius) T

(mV)

1 31 2,315 31 2,314

2 31,5 2,132 31 2,131

3 31,5 2,13 32 2,129

4 32 1,739 32 1,73

5 32 1,544 32 1,539

6 32 1,359 32 1,361

7 32 1,196 32 1,197

8 32,2 1 32,3 1,002

9 32,3 0,831 32,3 0,834

2.2.2 Pengolahan Data

A. UNIT 2

Data yang telah didapatkan diolah menggunakan metode pendekatan linear

dengan basis waktu yaitu 1 detik. Langkah-langkah yang dilakukan ialah

Mengubah satuan T dari mV menjadi 0C

T yang didapat dari percobaan masih berbentuk mV (miliVolt)

sehingga harus diubah dalam satuan suhu yaitu 0C dengan cara sebagai

berikut


(0) = 24,82 + 29,74 (2.1)

Pada percobaan terdapat dua kali uji coba (trial) sehingga dalam

perhitungannya harus dirata-ratakan. Tabel yang menyatakan rata-rata

dari suhu yang didapat dari data terdapat pada Tabel 2.4.

Tabel 2.4. Rata-rata Suhu Node dan Air

Node Trial 1 Trial 2 Rata-rata

Tair T(mV) T (0C) Tair T

(mV) T (0C)

Tair avg

T (mV) T (0C)avg

1 28 3,51 116,91 28 3,48 116,11 28 3,50 116,51

2 28 2,98 103,80 28 2,97 103,53 28 2,98 103,67

3 28 2,55 93,11 28 2,55 93,01 28 2,55 93,06

4 28 2,19 84,10 28 2,19 84,10 28 2,19 84,10

5 28 1,89 76,67 28 1,90 76,77 28 1,89 76,72

6 28 1,60 69,50 28 1,61 69,60 28 1,60 69,55

7 28 1,35 63,27 28 1,35 63,30 28 1,35 63,28

8 28 1,14 57,94 28 1,14 57,91 28 1,14 57,92

9 28 0,93 52,82 28 0,93 52,77 28 0,93 52,80

Menghitung nilai konduktivitas termal

Nilai untuk setiap bahan penyusun node didapatkan menggunakan

asas Black seperti pada persamaan 2.2 yang selanjutnya dapat

dijabarkan dan didapatkan persamaan untuk mencari nilai

konduktivitas termal dari bahan.

= (2.2)

. .

= . .

=. . .

. (2.3)

dengan,

= konduktivitas termal (W/m.0C)

= laju alir massa air = = 0,015 kg/s

= = perbedaan temperatur air di tiap node

= luas permukaan logam (7,9 104)m2

= perbedaan suhu logam pada tiap node

= jarak antar node

= konstanta perpindahan panas (4200 J/kg.0C)


Memasukkan data-data yang telah ada, perhitungan selanjutnya

dilakukan menggunakan bantuan Ms.Excel. Sebelumnya, telah

diketahui bahwa bahan yang terdapat pada node yaitu node 1-2 ialah

bahan stainless steel, node 3-6 ialah bahan aluminium dan node 7-9

ialah bahan magnesium. Maka dari itu, nilai konduktivitas termal untuk

ketiga bahan ini diperoleh dengan cara merata-ratakan nilai k untuk

masing-masing bahan. Tabel perhitungan lebih lanjut dinyatakan

sebagai berikut dengan k dalam satuan W/m.0C.

Tabel 2.5. Pengolahan Data untuk Mencari Nilai k pada Unit 2

Menghitung kesalahan relatif

Kesalahan relatif untuk setiap konduktivitas termal bahan yang

didapatkan berasal dari persamaan dibawah ini

% =

100% (2.4)

Menghitung qair, qbahan dan qloss

Untuk mendapatkan nilai q digunakan beberapa persamaan dibawah ini

= (2.5)

=

(2.6)

= (2.7)

Tabel 2.6. Pengolahan Data Q

Selang node

dx (m)

dT1 dT2 dT avg T node

avg k k avg k lit %error

1-2 0,025 13,105 12,584 12,844 110,089 36,354 58,841 73,000 19,395

3-4 0,045 9,010 8,910 8,960 88,576 81,329

89,805 202,000 55,542 4-5 0,045 7,421 7,322 7,372 80,410 89,588

5-6 0,045 7,173 7,173 7,173 73,138 98,496

7-8 0,027 5,336 5,386 5,361 60,604 71,320 100,723 158,240 36,348

8-9 0,045 5,113 5,138 5,125 55,360 130,125

Node Q air Q bahan Q loss

1-2 126,4667 29,62935 -96,8373

3-6 126,4667 27,78411 -98,6826

7-9 126,4667 18,20704 -108,26


Menghitung nilai koefisien kontak (hc)

Jika terdapat fluida yang terperangkap didalam ruangan kosong antara

kedua benda dan bila fluida tersebut ialah udara, maka kf dapat

diabaikan karena terlalu kecil dibandingkan kA dan kB. Persamaan

untuk mencari hc ialah

kf

A

Av

kk

kk

A

Ac

Lghc

BA

BA ..2.1

...(2.8)

dengan satuan m20

C/watt dan

Lg = tebal ruang kosong antara A dan B (5.m)

kf = konduktivitas fluida dalam ruang kosong

A = luas penampang total batang

Ac = luas penampang batang yang kontak (Ac = 0.5 A)

Av = luas penampang batang yang tidak kontak

Tabel 2.7. Perhitungan Koefisien Kontak

hc percobaan literatur %KR

stainless steel & aluminium 7.109.812,46 10.724.363,64 33,70

aluminium & magnesium 9.495.088,98 17.746.213,64 46,50

Menghitung nilai k0 menggunakan metode least square

Nilai k0 dan dapat dicari juga menggunakan metode ini dengan cara

membuat plot untuk k vs T node rata-rata. Dengan persamaan linier

yang didapat dari grafik untuk aluminium dan magnesium didapatkan

= 0 1 + (2.9)

= 0 + 0. .

= +

Berdasarkan tabel 2.5 didapatkan grafik seperti dibawah ini


Gambar 2.1. Grafik k terhadap T node rata-rata untuk Aluminium dan Magnesium

Dari grafik diatas akan didapatkan nilai k0 dan untuk aluminium dan

magnesium, yaitu

Aluminium

Persamaan garis yang didapat: y = -0,898x + 161,3

Maka,

= 0 = 161,3

= ,

=

0=

0,898

161,3= 0,005567

= ,

Magnesium

Persamaan garis yang didapat: y = = -0,089x + 66,96

Maka,

= 0 = 66,96

= ,

=

0=

0,089

161,3= 0,001329

= ,

y = -0,898x + 161,3R = 0,997

y = -0,089x + 66,96R = 1

0,000

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

100,000

0,000 20,000 40,000 60,000 80,000100,000120,000140,000

T n

od

e a

vg

k

Grafik k vs T node avg

Aluminium

Magnesium

Linear (Aluminium)

Linear (Magnesium)


B. UNIT 3

Pada umumnya, perhitungan untuk unit 3 tidak jauh berbeda dengan unit 2,

hanya saja untuk unit 3 hanya terdiri dari satu jenis bahan yaitu tembaga

(Cu). Langkah-langkah perhitungan untuk unit 3 ialah seperti berikut.

Mengubah satuan T dari mV menjadi 0C

T yang didapat dari percobaan masih berbentuk mV (miliVolt)

sehingga harus diubah dalam satuan suhu yaitu 0C dengan cara sebagai

berikut

(0) = 24,82 + 29,74 (2.1)

Pada percobaan terdapat dua kali uji coba (trial) sehingga dalam

perhitungannya harus dirata-ratakan. Tabel yang menyatakan rata-rata

dari suhu yang didapat dari data terdapat pada Tabel 2.8.

Tabel 2.8. Rata-rata Suhu Node dan Air

Node Trial 1 Trial 2 Rata-rata

Tair T(mV) T(0C) Tair T(mV) T(0C) Tair avg T (mV) T (0C )avg

1 31 2,315 87,19 31 2,314 87,173 31 2,32 87,18

2 31,5 2,132 82,65 31 2,131 82,63 31,25 2,13 82,64

3 31,5 2,13 82,61 32 2,129 82,58 31,75 2,13 82,59

4 32 1,739 72,91 32 1,73 72,67 32 1,73 72,79

5 32 1,544 68,06 32 1,539 67,94 32 1,54 68

6 32 1,359 63,4 32 1,361 63,52 32 1,36 63,49

7 32 1,196 59,42 32 1,197 59,45 32 1,19 59,44

8 32,2 1 54,56 32,3 1,002 54,61 32,25 1,001 54,58

9 32,3 0,831 50,36 32,3 0,834 50,44 32,3 0,83 50,41

Menghitung nilai konduktivitas termal

Nilai untuk setiap bahan penyusun node didapatkan menggunakan

asas Black seperti pada persamaan 2.2 yang selanjutnya dapat

dijabarkan dan didapatkan persamaan untuk mencari nilai

konduktivitas termal dari bahan.

= (2.2)

. .

= . .

=. . .

. (2.3)

dengan,


= konduktivitas termal (W/m2.0C)

= laju alir massa air = = 0,015 kg/s

= = perbedaan temperatur air di tiap node

= luas permukaan logam (7,9 104)m2

= perbedaan suhu logam pada tiap node

= jarak antar node

= konstanta perpindahan panas (4200 J/kg.0C)

Memasukkan data-data yang telah ada, perhitungan selanjutnya

dilakukan menggunakan bantuan Ms.Excel. Sebelumnya, telah

diketahui bahwa bahan yang terdapat pada node yaitu tembaga atau

Cu. Bentuk logam pada unit 3 berbeda dari atas hingga bawah,

sehingga luas penampang logam harus berbeda tiap node. Tabel

perhitungan lebih lanjut dinyatakan sebagai berikut.

Tabel 2.9. Pengolahan Data untuk Mencari Nilai k pada Unit 3

Selang node

dx (m)

dT1 dT2 dT avg

T node avg

k k avg k lit %error A

1-2 0,025 4,542 4,542 4,542 84,915 166,184

130,632 385,000 66,070

0,000654

3-4 0,025 9,705 9,903 9,804 77,692 136,538 0,000870

4-5 0,025 4,840 4,741 4,790 70,395 131,010 0,001001

5-6 0,025 4,592 4,418 4,505 65,748 124,044 0,001132

7-8 0,025 4,865 4,840 4,852 57,011 114,209 0,001417

8-9 0,025 4,195 4,170 4,182 52,494 111,810 0,001572 Melalui perhitungan ini didapatkan konduktivitas termal tembaga

sebesar 130,632 W/m.0C serta kesalahan relatif sebesar 66,070%.

Menghitung nilai k0 menggunakan metode least square

Nilai k0 dan dapat dicari juga menggunakan metode ini dengan cara

membuat plot untuk k vs T node rata-rata. Dengan persamaan linier

yang didapat dari grafik untuk tembaga didapatkan

= 0 1 + (2.9)

= 0 + 0. .

= +


Berdasarkan tabel 2.9 didapatkan grafik seperti dibawah ini

Gambar 2.2. Grafik k terhadap T node rata-rata untuk Tembaga

Dari grafik diatas akan didapatkan nilai k0 dan untuk aluminium dan

magnesium, yaitu

Persamaan garis yang didapat: y= 1,524x + 26,88

Maka,

= 0 = 26,88

= ,

=

0=

1,524

26,88= 0,05669643

= ,

y = 1,524x + 26,88R = 0,889

0,000

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

0,000 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000

k

T node avg

T node avg vs k Cu

Cu

Linear (Cu)


BAB III

ANALISIS

3.1 Analisis Percobaan

Percobaan ini bertujuan untuk menghitung koefisien perpindahan panas logam

dan pengaruh suhu terhadap koefisien perpindahan panas tersebut, serta menghitung

koefisien kontak.Pada percobaan ini terdapat dua unit yang digunakan untuk

percobaan, yaitu unit 2 dan unit 3.Langkah awal yang dilakukan adalah melakukan

percobaan pada unit 2. Bahan yang digunakan pada unit 2 adalah magnesium,

aluminium, dan baja karbon (stainless steel). Dengan mengetahui nilai koefisien

perpindahan panas dari ketiga bahan logam tersebut maka kemampuan dari ketiga

bahan logam tersebut dalam menghantarkan panas juga dapat diketahui.Sebab, nilai

koefisien perpindahan panas dari suatu bahan logam menunjukkan kemampuan bahan

tersebut dalam menghantarkan panas.Ketiga jenis bahan logam tersebut berada pada

posisi saling terhubung pada unit 2, dengan susunan sebagai berikut.

Gambar 3.1. Susunan logam pada unit 2

Keterangan :

Baja karbon berada pada node 1-2

Aluminium berada pada node 3-6

Magnesium berada pada node 7-10

Pada unit 2 ketiga bahan logam tersebut saling terhubung.Dengan demikian,

dapat dipelajari bagaimana cara menentukan koefisien kontak dan pengaruhnya

terhadap perpindahan panas konduksi. Fluks kalor yang melewati dua jenis bahan

yang berbeda akan terhambat karena adanya tahanan kontak termal yang akan

menyebabkan penurunan suhu yang secara tiba-tiba pada bidang logam yang kedua.

Berdasarkan data yang diperoleh dari percobaan, akan diperoleh nilai koefisien

setelah dilakukan perhitungan. Nilai koefisien dapat digunakan untuk menghitung

nilai konduktivitas bahan (nilai k).

1-2 7-10 3-6


Pangkal batang baja karbon dihubungkan dengan sebuah pemanas listrik yang

menggunakan arus bolak-balik. Akibatnya, suhu pada pangkal baja karbon akan lebih

tinggi dibandingkan dengan bagian logam lainnya. Hal ini merupakan gaya dorong

yang memicu perpindahan kalor dari pangkal baja karbon ke bagian lainnya. Ketika

pangkal baja karbon mendapat kalor, molekul-molekul dalam logam tersebut bergerak

lebih cepat, sementara itu, tumbukan dengan molekul-molekul yang langsung

berdekatan lebih lembat.Molekul-molekul yang bertumbukan ini mentransfer

sebagian energi ke molekul-molekul lain sehingga lajunya mengalami

peningkatan.Molekul-molekul ini lalu mentransfer sebagian energi mereka dengan

molekul-molekul sepanjang benda tersebut.Dengan demikian, energi gerak termal

ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda.

Menurut Hukum Fourier, besarnya kalor yang ditransmisikan ke suatu titik

sebanding dengan konduktivitas termal bahan, luas penampang, dan gradien suhu

serta berbanding terbalik dengan jaraknya dari sumber kalor.

=

k merupakan konduktivitas termal, besarnya dipengaruhi oleh jenis bahan dan suhu.

Semakin besar konduktivitas termalnya, bahan tersebut akan semakin mudah

menghantarkan kalor. Dengan asumsi bahwa fluks kalor tetap, pada bahan batang

yang sama, suhu batang akan semakin menurun seiring bertambahnya jarak dari

sumber kalor. Pada bahan batang yang berbeda, besarnya gradien suhu akan

berbanding terbalik dengan konduktivitas termal batang kedua. Semakin besar

konduktivitasnya, gradien suhu semakin kecil.

Berdasarkan skema alat percobaan, tahanan kontak termal terhadap

perpindahan kalor akan terjadi pada node 2-3 (sambungan baja karbon-aluminium)

dan pada node 6-7 (sambungan aluminium-magnesium). Pada setiap node dipasang

sebuah termokopel yang berfungsi sebagai sensor suhu pada titik tersebut.Termokopel

ini dihubungkan dengan konektor dan voltmeter sehingga pada titik tersebut dapat

diketahui suhunya.Karena dalam pengukuran suhu digunakan voltmeter, maka suhu

yang terbaca dalam besaran tegangan dengan satuan mV.Sehingga data suhu dapat

diperoleh dengan mengkonversikan data tegangan.

Selanjutnya, percobaan unit 3 bertujuan untuk mempelajari pengaruh luas

permukaan bidang kontak terhadap kemampuan logam dalam menghantarkan panas

secara konduksi. Bahan yang digunakan pada unit 3 adalah bahan yang sama, yaitu


tembaga serta memiliki luas penampang yang semakin besar dari bawah ke atas.

Variabel yang berpengaruh pada unit 3 yaitu jarak antar node dengan sumber kalor

dan luas penampang.Luas penampang batang tembaga semakin besar seiring

bertambahnya jarak dari sumber kalor.

Sesuai dengan prosedur percobaan, langkah awal yaitu memeriksa jaringan air

pendingin masuk dan keluar peralatan konduksi dengan membuka kran pengontrol

untuk memastikan air pendingin mengalir ke dalam alat. Lalu, mengalirkan air

pendingin dengan laju yang cukup kecil. Hal ini bertujuan untuk memenuhi asas

Black, yaitu agar perubahan suhu di setiap node mudah untuk diamati. Jika laju alir

pendingin terlalu besar, maka jumlah kalor yang diserap akan besar juga sehingga

sulit untuk mengamati distribusi suhu setiap node. Selain itu, dengan laju alir yang

kecil dapat mencegah rugi kalor akibat konveksi.Kemudian, menghubungkan kabel ke

sumber listrik, memasang milivoltmeter dengan mengatur mV meter pada penunjuk

mV, DC, serta menghidupkan saklar utama dan unit dan unit .

Setelah itu, mengatur unit selector terlebih dahulu pada unit yang akan dicari

nilai suhunya. Pada percobaan ini unit yang dipilih yaitu unit 2 dan 3.Thermocouple

selector yang menunjukkan node-node lalu divariasikan sehingga suhu tiap node pada

suatu unit dapat dibaca dengan menggunakan temperature recorder.Suhu air keluaran

dapat diukur menggunakan termometer dengan cara menampung air yang keluar dari

selang unit yang dipilih dalam gelas ukur atau beaker glass dengan selang waktu dua

menit. Waktu yang digunakan untuk menampung air keluaran adalah dua menit, agar

suhu air keluaran sudah stabil dan data yang diperoleh lebih akurat serta distribusi

suhu pada setiap node sudah merata. Pengambilan data suhu pada setiap node dan

suhu air keluaran dilakukan sebanyak dua kali.Hal ini dilakukan untuk memperoleh

data yeng lebih akurat, sehingga bila terdapat kesalahan data yang diperoleh dari

termokopel, maka dapat diambil nilai rata-rata dari dua kali pengamatan.Suhu rata-

rata tersebut yang digunakan sebagai data suhu pada setiap node dalam perhitungan.

3.2 Analisis Data dan Perhitungan

A. UNIT 2

Menghitung nilai k untuk unit 2

Percobaan ini dilakukan untuk menghitung nilai k atau koefisien

perpindahan panas konduksi untuk logam-logam yang berbeda

berdasarkan hasil percobaan. Logam yang ada pada unit 2 ini ialah


stainless steel, magnesium, dan alumunium. Pengolahan data agar

mendapatkan nilai k ialah dengan menggunakan data hasil suhu pada

setiap node pada unit dua dan menganggap terjadinya asas black dimana

kalor lepas sama dengan kalor terima. Kalor lepas ialah kalor yang

dihantarkan oleh logam sedangkan kalor terima ialah kalor yang

diterima oleh air untuk mengubah suhunya.

= (2.2)

. .

= . .

Jadi nilai k dapat diketahui dengan persamaan tersebut,

=. . .

. (2.3)

Dengan menganggap bahwa nilai kalor jenis air tidak berubah

sepanjang proses konduksi. Selain itu massa air juga dalam jumlah yang

tetap. Selanjutnya pada unit dua ini batang untuk konduksi memiliki luas

penampang yang sama sehingga nilai luas tersebut bernilai konstan.

Pada unit dua ini dapat dihitung tiga nilai k dimana antara node 1 dan 2

untuk k stainless steel, node 3 dan 6 alumunium, dan node 7-10

magnesium. Namun, pada saat praktikan mengambil data node 10

memiliki nilai yang sangat besar sehingga data tersebut tidak digunakan,

hal tersebut sudah berdasarkan diskusi dengan asisten, sehingga dalam

perhitungan hanya digunakan sampai data pada node 9.

Berdasarkan hasil pengolahan data dari percobaan didapatkan nilai

konduktivitas termal sebagai berikut

Stainless steel, k = 58, 841W/m0C dengan error 19, 395%

Aluminium, k = 89, 805 W/m0C dengan error 55,542%

Magnesium, k = 100,723 W/m0C dengan error 36,348%

Seperti yang diketahui, semakin besar nilai konduktivitas termal maka

semakin besar kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan panas.

Adanya kesalahan relatif pada perhitungan menandakan terdapat

ketidakakuratan pada data. Berdasarkan literatur, seharusnya nilai

konduktivitas termal yang paling besar dimiliki oleh aluminium. Tetapi

pada percobaan, konduktivitas termal yang paling besar ialah


magnesium. Kesalahan inilah yang harus diselidiki lebih dalam dan akan

dibahas pada analisis kesalahan.

Menghitung nilai hc untuk unit 2

Selain nilai k dan dilakukan pula pengolahan data untuk nilai

koefisien kontak termal, nilai ini dapat dihitung berdasarkan persamaan

yang tertera pada modul,

=1

.

2 +

+

(2.8)

Nilai kf tersebut ini biasanya sangat kecil dibandingkan ka dan kb

karena fluida yang terperangkap dalam ruang kosong ini sangatlah kecil

bahkan dianggap tidak ada sehingga nilai tersebut dianggap nol. Nilai Lg

dan Ac/A sudah diberikan asumsi dalam modul sehingga kita tinggal

memakainya saja.

Berdasarkan hasil pengolahan data didapatkan

Koefisien kontak antara SS dan Al, hc = 7109812,46 dengan

error 33,70%

Koefisien kontak antara Al dan Mg, hc= 9495088,98 dengan

error 46,50%

Hal tersebut sesuai dengan dasar teori bahwa nilai koefisien kontak

termal antara alumunium dan magnesium lebih besar dari stalinless steel

dan alumunium. Nilai kesalahan relatif yang lumayan besar menandakan

adanya ketidakakuratan data percobaan.

Menghitung nilai untuk unit 2

Berdasarkan hasil perhitungan kita dapat menentukan nilai k serta

suhu pada setiap node. Berdasarkan hasil tersebut dapat dilakukan plot

grafik untuk nilai k dan suhu. Namun, untuk stainless steel tidak dapat

diketahui sehubungan nilai data k dan suhu yang dimiliki hanyalah satu.

Berdasarkan hasil pengolahan data dan grafik 2.1 terlihat bahwa

kedua grafik baik aluminium maupun magnesium memiliki kelinieran

yang cukup baik. Namun, nilai yang didapat untuk aluminium maupun

magnesium memiliki nilai negatif. Hal ini menunjukkan bahwa nilai k

pada suhu tertentu lebih kecil daripada k temperatur standar. Selain itu,


hal ini juga menandakan adanya penyusutan luas penampang logam.

Dari literatur yang terdapat pada buku perpindahan kalor, untuk

alumunium, nilai konduktivitas termal untuk suhu dari 00C ke 100

0C

mengalami kenaikan, namun akan mengalami penurunan setelah lebih

besar dari 1000C. Dari grafik yang didapat memperlihatkan penurunan k

seiring pertambahan suhu, hal ini tidak sesuai dengan literatur dan akan

dianalisis kesalahannya pada analisis kesalahan. Sementara itu, untuk

magnesium, nilai konduktivitas termal untuk suhu dari 00C ke 100

0C dan

lebih mengalami penurunan seiring menurunnya suhu. Grafik yang

didapat dari percobaan memperlihatkan menurunnnya nilai k seiring

bertambahnya suhu, hal ini sesuai dengan literatur walaupun angkanya

masih jauh dari literatur.

Dalam pengolahan data juga dicari nilai kalor yang hilang dari

bahan ke air. Dari perhitungan didapatkan nilai kalor yang hilang untuk

ketiga bahan (SS, Al dan Mg) bernilai negatif yang berarti bahwa tidak

ada kalor yang hilang dari bahan ke air, tetapi kalor yang hilang dari air

ke bahan.

B. UNIT 3

Menghitung nilai k untuk unit 3

Pada unit 3 ini perhitungan sama dengan unit 2 namun unit tiga

hanya memiliki satu logam sehingga tidak terdapat perhitungan untuk

berbeda jenis logam. Selain itu, perbedaan dasar ialah terletak pada

perbedaan luas penampang pada unit tiga sehingga pada bagian

perhitungan digunakan nilai luas (A) yang berbeda-beda pada setiap

node. Nilai luas ini berubah bergantung pada posisi node. Node yang

paling atas memiliki luas yang lebih besar. Selain itu posisi pemanas

terletak pada bagian bawah sehingga memang lebih dekat dengan node

1. Pada unit tiga ini juga jarak setiap node sama sehingga kita dapat

meilihat profil perpindahan panas konduksi ini yang hanya dipengaruhi

oleh nilai suhu dan luas penampang yang berbeda.

Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan nilai konduktivitas termal

bahan tembaga rata-rata sebesar 130,632 dengan error 66,070%.


Menghitung nilai untuk unit 3

Berdasarkan hasil perhitungan kita dapat menentukan nilai k

serta suhu pada setiap node. Berdasarkan hasil tersebut dapat dilakukan

plot grafik untuk nilai k dan suhu. Dari grafik 2.2. didapatkan persamaan

garis dengan nilai slope yang positif yang membuat nilai juga positif.

Melalui grafik ini terlihat bahwa untuk tembaga, nilai konduktivitas

termalnya terus meningkat seiring pertambahan suhu di node. Adapun

nilai dari tembaga sebesar 0,0566943. Tetapi, pada literatur, untuk

tembaga, nilai konduktivitas termalnya dari suhu 00C ke 100

0C dan lebih

terus menurun seiring bertambahnya suhu. Hal ini tidak sesuai dengan

grafik yang didapat dari percobaan karena adanya faktor kesalahan yang

akan dibahas pada analisis kesalahan.

3.3 Analisis Alat dan Bahan

Gambar 3.2. Instrumen konduksi

Pada percobaan konduksi, digunakan serangkaian instrumen dari

ScottThemal Conduction System model 9051.

3.4.1 Unit 2


Tube Furnace,

Bekerja sebagai AC-operated. Temperature operasi maksimum yang aman

untuk furnace ini adalah 18500F. Untuk menghitung neraca panas alat atau

furnace loses, input listrik dapat diukur dengan menghubungkan voltmeter

dan amperemeter kekontak pada bagian belakang furnace.

Susunan batang logam.

Untuk kondisi panas dari zona temperatur tinggi didalam furnace menuju

kedua sisi alat, digunakan 2 batang baja yang distabilkan.Material ini

mejaga keseragaman dan kondisi permukaan yang tahan lama.Hal ini

penting karena kebanyakan panas yang memasuki batang ditransmisikan

dari elemen pemanas secara langsung dengan radiasi. Serta setiap

perubahan kondisi interface batangan setelah beberapa kali operasi akan

mempengaruhi pengukuran. Selanjutnya , kedua stainless steel bar ini

diberi sedikit jarak untuk mencegah batangan stainless steel itu menjadi

heat sink bagi batangan lainnya. Untuk unit 2: batangan terdiri

daristainless steel-alumunium-magnesium

Pengukuran suhu

Pengukuran suhu digunakan termokopel seperti yang telah disebutkan

pada bagian komponen utama.Semua termokopel diletakkan pada titik-

titik yang perlu untuk pengukuran.

Pengukuran fluks panas

Pengukuran fluks panas dapat dilakukan pada heat sink yang ada.

Insulasi

Furnace, batangan serta heat sink diselubungi oleh insulasi untuk

menghindari kehilangan panas konveksi yang besar sehingga alat dapat

sensitif untuk pengukuran dengan temperatur range yang rendah.


3.4.2 Unit 3

Hot plate-type heat sources (2)

Input listrik maksimum adalah 750 watt

Fluks panas melalui batang silinder dengan luas permukaan yang

meningkat dari bawah ke atas(tapered bar) serta fluks panas melalui

batangan silinder dengan luas permukaan yang seragam.

Pada batangan silinder dengan luas yang seragam, densitas fluks panas

konstan per unit area sepanjang batangan. Pada tapered bar, densitas fluks

panas semakin keatas semakin berkurang (karena luas semakin keatas

semakin besar)

Pengukuran suhu

Sepuluh termokopel yang diletakkan di pusat tiap batang pada posisi

tertentu(pada tiap node) memungkinkan pengukuran suhu.

Termometer

Digunakan untuk mengukur suhu air keluaran

Gelas ukur

Digunakan untuk menampung air keluaran yang akan diukur suhunya.

3.3 Analisis Kesalahan

Terdapat beberapa penyimpangan hasil perhitungan dengan nilai teoritis

dalam pengolahan data percobaan. Adapun penyebab terjadinya kesalahan tersebut,

yaitu:

Suhu yang diperoleh dari percobaan yang tidak sesuai dengan suhu yang

berlaku bagi parameter-parameter dalam literatur sehingga hasil perhitungan

akan berbeda dan persentase kesalahannya besar.

Tidak dihitung heat loss yang terjadi selama percobaan.


Ketidakakuratan data yang diperoleh karena kesalahan paralaks, waktu

pengukuran yang tidak tepat, serta kesalahan prosedural.

Praktikan kurang teliti dalam mengukur data suhu air keluaran yang dilakukan

ketika suhu air keluaran belum konstan.


BAB IV

KESIMPULAN

Konduksi adalah transmisi energi (panas) dari satu bagian padatan yang

bersuhu tinggi ke bagian padatan lain yang kontak dengannya dan memiliki

suhu lebih rendah.

Besarnya perpindahan kalor sebanding dengan gradien suhu yang dinyatakan

dalam persamaan:

X

T

A

q

Pada praktikum yang dilakukan diasumsikan bahwa besarnya kalor yang

dilepas bahan konduktor sama dengan besarnya kalor yang diterima air dan

nilai heat loss diabaikan untuk mempermudah perhitungan.

q konduktor = q air

airinairout TTmCpdx

dTkA

Dari percobaan yang dilakukan didapatkan :

a) Berdasarkan percobaan 1, unit 2 didapat:

Nilai k yang didapat dari percobaan adalah, 58,841 W/msoC untuk

stainless steel, kavg alumunium sebesar 89,805 W/msoC, dan kavg

magnesium sebesar 100,723 W/msoC.

Magnesium merupakan penghantar panas yang paling baik dari ketiga

logam tersebut.

Nilai hc yang dihasilkan pada percobaan pada logam stainless steel-

alumunium dan alumunium-magnesium secara berurutan yaitu

7109812,46 m20

C/Watt dan 9495088,98 m20

C/Watt.

Antara stainless steel-alumunium dan alumunium-magnesium,

perpindahan panas efektif adalah antara stainless steel dan aluminium.

Berdasarkan perhitungan, diperoleh nilai untuk logam alumunium dan

magnesium secara berurutan yaitu -0,005567 dan -0,01329. Harga

dari alumunium lebih besar daripada magnesium. Nilai akan

berpengaruh terhadap nilai k yang terpengaruh oleh suhu. Apabila nilai

makin besar maka nilai k yang terpengaruh oleh suhu juga akan besar.


b) Berdasarkan percobaan 2, unit 3 didapat :

Nilai k untuk logam Cu = 130,632 W/moC dengan kesalahan relatif =

66,070 %

Nilai = -0,05669643

Nilai k bergantung pada suhu dan luas penampang


DAFTAR PUSTAKA

Holman, J.P. 1997. Perpindahan Kalor edisi keenam (terj). Jakarta: Erlangga.

Incropera, Frank P. And David P. DeWitt. 2005. Heat and Mass Transfer. Singapore:

John Wiley & Sons (Asia) Pte.

Lienhard V, John H. and John H. Leinhard IV. A Heat Transfer Textbook third

edition.version1.22 January 5th 2004. http:/

/web.mit.edu/leinhard/www/ahtt.html.

Laporan Praktikum Konduksi Kelompok 14.pdf

Documents

Transcript of Laporan Praktikum Konduksi Kelompok 14.pdf