Makalah Perpindahan Kalor - Radiasi Dan Evaporator (Isi) - Pemicu 3
Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
-
Upload
rizqi-pandu-sudarmawan -
Category
Documents
-
view
244 -
download
0
Transcript of Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
1/31
Pemicu 5
Topik: Perpindahan Kalor Radiasi
oleh
Kelompok: 2
Anggota:
1. Adilfi Finasthi Kusuma Putri (1106018594)2. Ikhsan Nur Rosid (1106007691)
3.Nuri Liswanti Pertiwi (1106015421)4. Rizqi Pandu S. (0906557045)
5. Wahyudi Maha Putra (1106005742)
Departemen Teknik Kimia FTUI
Universitas Indonesia
Depok 2013
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
2/31
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
3/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 3
Daftar Isi
Peta Konsep ..................................................................................................... 2
Daftar Isi .......................................................................................................... 3
Pendahuluan
Latar belakang ..................................................................................... 4 Perumusan masalah............................................................................. 4 Tujuan penulisan ................................................................................. 4
Tugas
Soal 1 ................................................................................................... 6 Soal 2 ................................................................................................... 10 Soal 3 ................................................................................................... 14 Soal 4 ................................................................................................... 18
Soal Perhitungan
Soal 1 ................................................................................................... 23 Soal 2 ................................................................................................... 26
Kesimpulan ...................................................................................................... 30
Daftar Pustaka
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
4/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 4
Pendahuluan
I. Latar BelakangRadiasi adalah salah satu bentuk dari perpindahan kalor. Mekanisme transfer
panas radiasi tidak mempunyai analogi baik dalam transfer momentum maupun
transfer massa, karena radiasi sendiri berlangsung tanpa adanya medium. Radiasi ini
dari mekanisme fisinya termasuk dalam salah satu fenomena gelombang
elektromagnetik yaitu yang gelombang yang tidak memerlukan medium dalam
perambatannya. Hal inilah yang membuat cahaya matahari dapat sampai ke bumi
melalui ruang hampa udara di ruang angkasa. Karena radiasi merupakan suatu
fenomena penting dalam kehidupan di bumi ini maka kita memerlukan mempelajari
dasar-dasar teori radiasi dalam memahami fenomena perpindahan kalor radiasi ini.
II. Perumusan MasalahHal yang menjadi permasalahan disini adalah mahasiswa dapat mempelajari
dasar-dasar teori radiasi antara lain pengertian radiasi, sifat perpindahan kalor radiasi,
benda hitam, benda tidak hitam, hal-hal yang mempengaruhi perpindahan pansa
secara radiasi, hukum Stefan Boltzman, hukum Kirchoff, Asas Planck, faktor bentuk
radiasi dan hubungan antara faktor bentuk radiasi. Selain itu dengan mempelajari
teori dasar dari perpindahan kalor radiasi mahasiswa dapat memecahkan persoalan
yang umum terjadi dalam kehidupan sehari-hari dengan dasar radiasi yang sudah
dipelajari.
III. Tujuan PenulisanTujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk merangsang kami agar tidak
hanya memahami teori radiasi sebagai bahan pustaka, namun juga dalam aplikasi
penyelesaian masalah dalam kehidupan sehari-hari. Selain itu pembuatan makalah ini
kami gunakan juga sebagai rangkuman atas apa yang kami pelajari dalam bab radiasi
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
5/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 5
sehingga kami dapat mengukur diri sampai sejauh mana kami memahami bab radiasi
tersebut.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
6/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 6
Jawaban Pertanyaan
Tugas
1. Berikan penjelasan mengenai sifat perpindahan kalor radiasi, benda hitam(black body), dan benda tidak hitam.
Terdapat beberapa kemungkinan apabila permukaan suatu bahan dikenai radiasi.
Sebagian dari radiasi itu akan dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan
sebagian lagi diteruskan (transmisi). Fraksi yang dipantulkan biasanya dinamakan
sebagai reflektivitas , fraksi yang diserap absorptivitas , dan fraksi yang diteruskantransmisivitas . Ketiga fraksi tersebut apabila dinyatakan dalam sebuah persamaan
adalah sebagai berikut:
+ + = 1 (1)Sebagian besar benda padat tidak meneruskan radiasi termal, sehingga
transmisivitas dapat dianggap nol. Maka:
+ = 1 (2)
Gambar 1. Pengaruh radiasi datang.
(sumber:http://vanbigbro.files.wordpress.com/2008/10/radiasi.jpg)
Terdapat dua kemungkinan dalam refleksi dari sebuah radiasi pada suatu
permukaan bahan. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi, maka dapat
dikatakan bahwa refleksi tersebut adalah spekular. Sedangkan, jika berkas yang jatuh
tersebar merata ke segala arah sesudah refleksi, maka refleksi itu disebut baur.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
7/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 7
Gambar 2. spekular (a) dan refleksi baur (b).
(sumber:http://dc310.4shared.com/doc/zkcMlXJo/preview_html_m28c7964d.png)
Sebenarnya tidak ada permukaan yang hanya spekular atau baur saja, sebuah
cermin biasa tentu bersifat spekular untuk cahaya tampak tetapi belum tentu bersifat
spekular untuk keseluruhan rentang panjang gelombang radiasi termal. Biasanya,
permukaan kasar lebih menunjukkan sifat baur daripada permukaan yang mengkilap.
Daya emisi (emissive power) E suatu benda ialah energi yang dipancarkan benda
itu per satuan luas per satuan waktu.Dalam suatu ruangan tertutup terbuat dari benda
hitam sempurna yaitu yang menyerap seluruh radisi yang menimpanya, ruang itu juga
akan memancarkan radiasi. Besarnya fluks radiasi yang diterima ruangan itu
ialahqiW/m2. Jika suatu benda ditempatkan di ruangan tersebut dan dibiarkan
mencapai kesetimbangan, maka energi yang diserap benda itu mesti sama dengan
energi yang dipancarkan.Sebab jika tidak, tentu ada energi yang mengalir masuk ataukeluar benda itu dan menyebabkan suhunya naik atau turun atau yang disebut dengan
hukum kesetimbangan energi. Pada kesetimbangan dapat ditulis:
= (3)Dimana:
E = Daya emisi (W/m2)
A = Luas permukaan (m2)
qi= Fluks radiasi (W/m2)
= Absorptivitas
Jika dalam ruangan itu diganti dengan benda hitam sempurna yang bentuk dan
ukurannya sama, dan benda hitam itu di biarkan mencapai kesetimbangan dengan
ruang itu pada suhu yang sama, maka
= (4)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
8/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 8
Dimana:
= Daya emisi benda hitam (W/m2)Jika persamaan E dibagi dengan Eb, diperoleh
= (5)
Perbandingan daya emisi suatu benda dengan benda hitam pada suhu yang sama ialah
sama dengan absorptivitas benda itu. Perbandingan ini yang disebut dengan
emisivitas benda. Maka,
= (6)Sehingga:
= (7)Dimana:
= Emisivitas bendaBenda hitam
Benda hitam adalah benda khayal yang dengan kondisi ideal tertentu yang
berusaha diciptakan oleh para ilmuwan fisika untuk menganalisis prilaku radiasi yang
terperangkap dalam rongganya. Di anggap sebagai benda khayal karena sulitnya
menemukan benda dengan hitam sempurna. Benda yang hampir hitam sempurna
adalah jelaga lampu. Jelaga ini memancarkan kira-kira 1% energi radiasi yang
mengenainya. Para ilmuwan bersepakat bahwa yang dimaksud dengan benda hitam
disini adalah benda dengan ruang tertutup yang terdapat lubang kecil di dindingnya.
Gambar 3. Benda hitam.
(sumber:http://pustakafisika.files.wordpress.com/2012/11/benda-hitam.gif)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
9/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 9
Sebagian besar energi radiasi yang masuk melalui lubang ini akan diseraap oleh
dinding-dinding bagian dalam. Dari sebagian yang terpantul hanya sebagian kecil
yang dapat keluar lewat lubang tersebut. Jadi dapat dianggap bahwa lubang ini
berfungsi sebagai penyerap yang sempurna. Benda hitam ini akan memancarkan
radiasi lebih banyak jika bendanya memiliki suhu tinggi. Spektrum benda hitam
panas mempunyai puncak frekuensi lebih tinggi daripada puncak spektrum benda
hitam yang lebih dingin.
Distribusi spektrum dari intensitas radiasi diasosiasikan dengan emisi benda
hitam pertama kali diungkapkan oleh Planck:
,(,) = [
(
/
)
] (8)
Dimana:
= 6,625610-34Jsk = konstanta Planck dan Boltzmann (1,380510
-23J/K)
= kecepatan cahaya pada ruang vakum (2,998108m/s)T = temperatur absolut dari benda hitam.
Karena benda hitam adalah penghambur emisi, maka energi dari spektrum emisi
dalam bentuk:
,(,) = ,(,) = [(/)](...)
dengan2482
01 /10742,32 mmWhcC dan
KmkhcC 402 10439,1/ merupakan konstanta radiasi. Energi total
dari pancaran suatu benda hitam adalah:
= [(/)] = (9)
Benda tidak hitam (kelabu)
Benda kelabu adalah benda yang mempunyai emisivitas monokromatik (
)
yang tidak bergantung dengan panjang gelombang. Emisivitas Monokromatik
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
10/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 10
didefinisikan sebagai perbandingan antara daya emisi monokromatik benda itu
dengan daya emisi monokromatik benda-hitam pada panjang gelombang dan suhu
yang sama. Jadi,
= (10)Dimana:
Eb= daya emisi banda-hitam per satuan panjang gelombang.
Emisivitas total benda dapat dihubungkan dengan emisivitas monokromatik, yaitu:
= = (11)
Jika terdapat kondisi benda kelabu, artinya
= konstan sehingga = . Hubunganfungsi untukEbditurunkan oleh Planckdengan menggunakan kuantum untuk energi
elektromagnetik sebagai:
= = [(/)] (12)Dimana:
u= densitas energi.
Titik maksimum dalam kurva radiasi dihubungkan oleh hukum peranjakan atau
pergeseran Wien (Wiens displacement law):
= 2897,6.[5215,6m. ] (13)
2. Apa yang anda ketahui tentang hukum Stefan-Boltzman, hukum Kirchoff,dan Asas Planck?
Hukum Planck
Hukum planck menjelaskan emisi radiasi elektromagnetik oleh benda hitam pada
kesetimbangan termal pada temperature tertentu.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
11/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 11
Gambar 4. daya emisi spectral benda hitam
(sumber: Incropera. 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 7thEdition. halaman 811)
,(,) = (14)
Dimana nilai = 6,62610. dan = 1,38110/ masing-masingadalah konstanta Planc dan konstanta Boltzmann, dengan nilai = 2,99810/ adalah kecepatan cahaya di ruang vakum dan T adalah temperature daribenda hitam dalam satuan Kelvin. Karena benda hitam merupakan emitter, maka
persamaan berikut menjelaskan daya emisi.
,(,) =,(,) = (15)
Dimana nilai = 2 = 3,74210./ dan = =1,43910/Persamaan di atas merupakan hukum Planck, yang berbunyi:
1. Radiasi emisi bervariasi secara kontinyu dengan panjang gfelombang
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
12/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 12
2. Pada panjang gelombang berapapun, radiasi emisi meningkat denganmeningkatnya temperature
3. Daerah spektral di mana radiasi terkonsentrasi tergantung pada suhu, denganradiasi relatif lebih banyak muncul pada panjang gelombang lebih pendek
dengan naiknya suhu.
4. Sebuah fraksi tertentu dari radiasi yang dipancarkan oleh matahari, yang dapatdiperkirakan sebagai blackbody pada 5800 K, berada pada daerah visible dari
spektrum. Sebaliknya, untuk T 800 K, emisi didominasi di wilayahinframerah dari spektrum dan tidak terlihat oleh mata.
Hukum Stefan-Boltzmann
Hukum Stefan-Boltzmann, pernyataan bahwa total energi panas radiasi
diemisikan dari permukaan sebanding dengan suhu mutlak pangkat empat.
Diformulasikan pada tahun 1879 oleh fisikawan Austria Josef Stefan sebagai hasil
dari studi eksperimental, hukum yang sama berasal pada tahun 1884 oleh fisikawan
Austria Ludwig Boltzmann dari pertimbangan termodinamika: jika E adalah energi
panas radiasi yang dipancarkan dari satuan luas dalam satu detik dan T adalah
temperatur absolut (dalam derajat Kelvin), maka E = T4, huruf Yunani sigma ()
mewakili konstanta proporsionalitas, disebut konstanta Stefan-Boltzmann.
Daya Emisi dari suatu benda hitam dapat dihitung melalui persamaan berikut
=
(16)
Dengan menyelesaikan persamaan tersebut, didapatkan rumus berikut
= (17)Dimana nilai adalah konstanta Boltsmann, = 5,6710/. HukumBoltzmann dapat menhitung jumlah radiasi yang diemisikan dalam semua arah dan
panjang gelombang jika diketahui temperature dari benda hitam. Total intensitasnyajuga dapat dihitung melalui persamaan berikut.
= (18)Hukum Kirchhoff
Dalam termodinamika, Hukum Kirchhoff tentang radiasi termal adalah
pernyataan umum dalam menghitung emisi dan absorpsi objek yang dipanaskan.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
13/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 13
Hukum ini diajukan oleh Gustav Kirchhoff pada tahun 1859, dibuat berdasarkan
hukum keseimbangan termodinamika.
Suatu objek pada temperatur bukan nol mutlak meradiasikan energi
elektromagnetik. Jika benda ini adalah benda hitam sempurna, benda itu akan
memancarkan energi setara dengan energi yang diserapnya berdasarkan persamaan
radiasi benda hitam. Secara umum, jika benda itu bukan benda hitam sempurna, maka
akan meradiasikan sejumlah energi yang memiliki rasio berdasarkan benda hitam
sempurna, yang disebut emisivitas.
= (19)Dimana E adalah daya emisi suatu benda, Eb adalah daya emisi benda hitam, dan adalah emisivitas.
Hukum Kirchhoff menyatakan bahwa pada keseimbangan termal, tingkat emisi
suatu benda atau permukaan setara dengan jumlah penyerapannya. Penyerapan
(absorptivitas) yang dimaksud adalah fraksi cahaya (atau energi) yang diserap suatu
benda atau permukaan. Dalam bentuk yang lebih umum, energi ini harus
diintegralkan berdasarkan semua jenis panjang gelombang cahaya dan sudut datang
cahaya. Dalam beberapa kasus, tingkat emisi dan penyerapan hanya dapat
didefinisikan berdasarkan panjang gelombang dan sudut datang tertentu.
= (20)Dimana adalah absorpsivitas dari suatu benda.
Hukum Kirchhoff memiliki kesimpulan bahwa emisivitas tidak bisa melebihi
jumlah energi yang diserap (berdasarkan hukum kekekalan energi), sehingga tidak
mungkin suatu benda memancarkan energi radiasi yang lebih besar dibandingkan
benda hitam sempurna pada kesetimbangan. Dalam luminesensi negatif, sudut datang
dan panjang gelombang penyerapan melebihi emisi material, namun sistem tersebut
digerakkan oleh sumber eksternal sehingga dapat dikatakan bahwa sistem tersebuttidak dalam kesetimbangan termal.
= (21)Energi yang diemisikan suatu benda berbeda dengan energi yang dipantulkan
benda. Hukum Kirchhoff kadang-kadang dinyatakan sebagai, pemantul energi yang
buruk adalah pemancar energi yang baik, namun pemantul energi yang baik
merupakan pemancar energi yang buruk. Konsep ini digunakan dalam benda yang
harus menyimpan energi termal agar temperatur tidak menurun, misalnya pada
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
14/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 14
termos. Permukaan bagian dalam termos adalah pemantul energi yang baik sehingga
panas tidak diserap badan termos dan diemisikan atau dipancarkan ke lingkungan.
3. Apa yang dimaksud dengan Faktor Bentuk Radiasi? Jelaskan hubunganantara berbagai faktor bentuk
Gambar 5. Orientasi permukaan radiasi
(Sumber: Cengel, Yunus A. 2003.Heat Transfer: A Practical Approach, 2ndEd. Boston: McGraw-
Hill, hal 606)
Perpindahan kalor radiasi antar permukaan tergantung dengan orientasi dari
permukaan-permukaan tersebut satu dengan yang lainnya serta properti radiasi dan
temperatur (Lihat Gambar 1). Sebagai contoh, pada saat api unggun, kita akan lebih
hangat bila menghadapkan badan ke arah api daripada menghadapkan sisi tubuh kita
ke arah api. Untuk memperhitungkan efek dari orientasi permukaan ini, didefinisikan
suatu parameter yang disebut faktor bentuk radiasi. Parameter ini sangat efektif
karena hanya tergantung dengan faktor geometri dari permukaan tersebut saja dan
tidak tergantung dengan sifat-sifat permukaan itu sendiri maupaun temperatur. Faktor
bentuk radiasi juga memiliki nama lain faktor pandang (view factor), faktor
konfigurasi (configuration factor) dan faktor sudut (angle factor).
Faktor bentuk radiasi yang mengasumsikan bahwa permukaan adalah diffuse
emitters dan diffuse reflectors disebut faktor bentuk baur (diffuse view factor).
Sedangkan faktor bentuk yang mengasumsikan bahwa permukaan adalah diffuse
emittersdan specular reflectorsdisebut faktor bentuk spekular (specular view factor).
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
15/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 15
Gambar 2, dapat menggambarkan bagaimana perpindahan kalor radiasi terkait
dengan faktor bentuk radiasi.
Gambar 6. Geometri perpindahan panas radiasi terkait dengan faktor bentuk radiasi
(Sumber: Cengel, Yunus A. 2003.Heat Transfer: A Practical Approach, 2ndEd. Boston: McGraw-
Hill, hal 606)
F12 merepresentasikan faktor bentuk radiasi yang meninggalkan permukaan 1
menuju permukaan 2. Sedangkan F21 merepresentasikan radiasi yang
meninggalkan permukaan 2 menuju permukaan 1. Permukaan 1 direpresentasikan
oleh suatu luas pemukaan A1 dengan elemen luas pemukaan sedangkanpemukaan 2 direpresentasikan oleh suatu luas pemukaan A2 dengan elemen luas
permukaan . Jarak antara 2 permukaan adalah r dan sudut antara normalpermukaan dengan garis jarak yang menguhubungkan antar 2 permukaan adalah
dan . Laju radiasi yang meninggalkan dalam arah adalah ,dengan mengingat bahwa = /,maka radiasi yang mengenai dA2adalah
= cos = cos (22)Kemudian, faktor bentuk F12 atau F21 dapat ditentukan dengan prosedur integral
dan substitusi yang sesuai dan berkelanjutan. Persamaan (2) dan (3) merupakan
bentuk dari persamaan faktor bentuk radiasi sedangkan persamaan (4) merupakan
hubungan umum dari faktor bentuk radiasi dan luas permukaan, yang disebit
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
16/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 16
hubungan reciprositas (reciprocity relation). Pada Tabel 1 diberikan faktor bentuk
untuk beberapa geometri.
= = = (23)
= = = (24)
= (25)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
17/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 17
Tabel 1. Ekspresi faktor bentuk untuk beberapa kasus geometri 3D
(Sumber: Cengel, Yunus A. 2003.Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd
Ed. Boston: McGraw-
Hill, hal 609)
Hubungan Antar Faktor Bentuk
Dalam aplikasinya, sangat jarang kita temui benda yang hanya mempunyai satu
permukaan. Oleh karena itu perlu dipelajari bagaimana cara mencari faktor bentuk
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
18/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 18
untuk bentuk yang terdiri atas beberapa permukaan. Misalnya saja kubus, bola,
kerucut dan bentuk-bentuk lainnya.Pada intinya untuk mencari faktor bentuk pada bentuk-bentuk seperti itu
hanyalah gabungan dari faktor bentuk untuk satu permukaan. Prinsip yang digunakan
untuk memcahkan permasalahan yang ada dapat di rangkum manjadi tiga, yaitu:
Membaca grafik (gambar) Resiprositas
32,12,12,133 FAFA
311133 FAFA
322233 FAFA
Persamaan 11
n
j
ijF (26)
Semua permasalahan yang menyangkut hubungan anatara berbagai faktor
bentuk dapat diseleasaikan dengan prinsip diatas. Dari soal yang diberikan, kita
mencari karakteristik soal apakah kubus, kerucut, dan lain-lain. Kemudian kita
mencari F dari gambar dengan menggunakan data yang diberikan soal. Setelah itu
kita menggunakan persamaan resiprositas untuk mendapatkan F lain yang berbalasan
dengan F yang didapat dari gambar. Setelah itu kita gunakan persamaan (26) untuk
menghitung F yang benar-benar tidak dapat dicari dengan resiprositas. Bila masih
perlu gunakan persamaan resiprositas untuk mencari F yang belum diketahui.
4. Berikan juga penjelasan mengenai perpindahan kalor radiasi antara gasdan benda.
Tidak semua jenis gas dapat terlibat dalam radiasi antara gas dan benda. Gas-gas
seperti He, Ar dan gas-gas yang bentuk molekulnya simetris seperti N2 dan O2
dianggap transparan terhadap radiasi. Gas-gas ini baru dapat terlibat radiasi pada suhu
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
19/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 19
yang tinggi, dimana ion-ion mulai terbentuk. Gas-gas tersebut merupakan penyusun
utama atmosfir, sehingga gas atmosfir dapat dikatakan transparan terhadap radiasi.
Sementara itu, gas-gas yang dapat terlibat dalam radiasi adalah gas-gas yang
bentuk molekulnya asimetris seperti H2O, CO2, CO, SO2dan hidrokarbon. Pada suhu
sedang, gas-gas tersebut dapat terlibat dalam radiasi melalui absorpsi, sedangkan
pada suhu tinggi gas-gas tersebut dapat terlibat melalui emisi dan absorpsi. Udara
dengan komposisi gas asimetris yang dominan harus diperhitungkan dalam radiasi,
contohnya seperti udara dalam ruang pembakaran. Jika suatu gas terlibat dalam
radiasi, maka gas tersebut akan mengemisi dan mengabsorpsi pada rentang panjang
gelombang yang sempit.
Intensitas radiasi pada gas akan berkurang sesuai dengan ketebalan lapisan dan
intensitas radiasi pada titik tersebut. Fenomena tersebut dapat digambarkan dalam
Hukum Beer, yang dapat dituliskan menjadi:
= (27)dimana adalah koefisien absorpsi monokromatik. Dengan mengintegralkanpersamaan di atas dari hingga dan 0 hingga x, kita juga bisa mendapatkanbesaran transmisivitas yang merupakan perbandingan intensitas masuk dan intensitas
keluar:
= = (28)Jika gas yang terlibat dalam radiasi tersebut tidak memantulkan radiasi yang
diterimanya, maka absorpsi gas tersebut dapat dinyatakan dengan:
= 1 (29)Persamaan (27), (28) dan (29) disadur dari bukuHeat Transfer10thEdition karangan
J.P. Holman.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
20/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 20
Emisivitas gas merupakan fungsi dari suhu, tekanan dan ketebalan lapisan gas.
Emisivitas CO2dan H2O dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut:
= , (30)Dimana cx adalah faktor koreksi tekanan. Nilai emisivitas pada P = 1 atm bisa
didapatkan dari grafik berikut:
Gambar 7. Emisivitas (a) H2O dan (b) CO2pada 1 atm
(Sumber: Cengel, Y.A. 2009.Heat Transfer: A Practical Approach, Second Edition.McGraw-Hill,
halaman 643)
Sedangkan faktor koreksinya didapatkan dari grafik berikut:
Gambar 8. Faktor koreksi tekanan untuk (a) H2O dan (b) CO2
(Sumber: Cengel, Y.A. 2009.Heat Transfer: A Practical Approach, Second Edition.McGraw-Hill,
halaman 643)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
21/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 21
Untuk campuran gas CO2dan H2O, emisivitasnya dapat dicari dengan persamaan:
= , +, (31)dimana adalah faktor koreksi emisivitas. Faktor koreksi emisivitas didapatkan darigrafik berikut:
Gambar 9. Faktor koreksi emisivitas untuk campuran gas CO2dan H2O
(Sumber: Cengel, Y.A. 2009.Heat Transfer: A Practical Approach, Second Edition.McGraw-Hill,
halaman 644)
Emisivitas gas juga bergantung pada jarak rata-rata yang dilalui pancaran radiasi
sebelum mencapai permukaan sehingga bentuk dan ukuran berpengaruh terhadapemisivitas gas. Hubungan antara emisivitas dan bentuk dapat digambarkan dengan
variabel mean beam length (L) yang merepresentasikan jari-jari permukaan yang
ekivalen. Variabel L untuk masing-masing geometri dapat dilihat dalam tabel berikut.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
22/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 22
Tabel 2.Mean beam length (L)untuk geometri-geometri berbeda
(Sumber: Cengel, Y.A. 2009.Heat Transfer: A Practical Approach, Second Edition.McGraw-Hill,
halaman 645)
Absorpsivitas masing-masing gas CO2 dan H2O dapat dicari dengan menggunakan
persamaan:
= ,(, ) (32)
= ,(, ) (33)dimana Tsadalah suhu sumber radiasi dan Tgadalah suhu gas. Untuk campuran CO2
dan H2O, absorpsivitasnya dapat dihitung dengan persamaan:
= + (34)dimana adalah faktor koreksi absorpsivitas. nilainya sama dengan faktorkoreksi emisivitas. Setelah mengetahui emisivitas dan absorpsivitas gas, kita dapat
menghitung laju radiasi dari gas yang dapat dituliskan sebagai berikut:
= (35)Dengan mengasumsikan bahwa permukaan benda mengemisi radiasi tanpa ada
pemantulan dan gas akan mengabsorpsi radiasi tersebut, maka laju perpindahan kalor
antara gas dan benda hitam dapat dicari dengan persamaan:
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
23/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 23
=( ) (36)dimana As adalah luas permukaan benda hitam dan adalah konstanta Stefan-Boltzmann. Untuk radiasi gas dengan benda tidak hitam yang emisivitasnya lebih dari
0,7, maka dapat digunakan persamaan:
, = ( ) (37)Persamaan (37) dapat digunakan untuk menghitung radiasi gas dan permukaan
dinding ruang pembakaran, karena dinding ruang pembakaran memiliki emisivitas
lebih dari 0,7. Persamaan (30) hingga (37) kami sadur dari buku Heat Transfer: A
Practical Approach, Second Editionkarangan Yunus A. Cengel.
Soal Perhitungan
1. Hitunglah perpindahan kalor secara radiasi antara kedua tutup sebuahsilinder yang berdiameter 12 in dan panjang 3 in. Suhu pada kedua bidangitu berturut-turut 1940
oF dan 140
oF. Bahan tutup silinder terbuat dari Cr, Ni
alloy dengan = ,.Dinding silinder dianggap tidak dapat menghantarkanpanas tetapi dapat memantulkan semua panas yang diterimanya.
Jawab:
Asumsi :1. Dinding silinder dianggap tidak dapat menghantarkan panas tetapi dapat
memantulkan semua panas yang diterimanya.
2. Posisi silinder horizontal.3. Suhu pada tutup silinder bagian kiri = 1940oF = 1333 K4. Suhu pada tutup silinder bagian kanan = 140oF = 333 K
Skema :
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
24/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 24
Gambar 10. Skema kasus perpindahan kalor radiasi pada silinder horizontal
Cara Penyelesaian :Untuk menyelesaikan soal di atas maka mula-mula perlu ditentukan faktor
bentuk konduksinya. Oleh karena sisi selimut silinder dianggap memantulkan
semua energi kalor yang diterimanya maka keberadaan selimut silinder dapat
dieliminasi. Namun tidak dapat digunakan faktor bentuk radiasi antara dua
piring sejajar karena bagaimana pun selimut tidak menghantarkan kalor. Oleh
karena itu digunakan faktor bentuk radiasi untuk dua silinder konsentrik
dengan panjang berhingga dari silinder luar ke silinder itu sendiri di mana
silinder dalam memiliki D = 0, sehingga kondisi tidak berubah.
Solusi :
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
25/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 25
Gambar 11. Faktor bentuk radiasi dua silinder konsentrik dengan panjang berhingga untuk silinder
luar ke silinder itu sendiri
(Sumber: Holman, J.P. 2009.Heat Transfer, 10nd
Ed. New York: McGraw-Hill, hal 395)
Gambar 12. Skema kasus untuk penggunaan grafik pada Gambar 4.
Berdasarkan gambar di atas, untuk silinder dalam dengan D = r = 0 inch
sehingga = 0 dan nilai L/r2 =
3
12= 0,25
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
26/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 26
Didapatkan F22 = 1,1. Karena silinder merupakan benda tak hitam
perpindahan kalornya adalah
= (1 ) +1 +(1 )
= ( )(1 ) +1 +(1 )
di mana = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,66910 W/m2.K4, =suhu silinder 2 (silinder luar) sisi pertama = 1333 K, = suhu silinder 2(silinder luar) sisi kedua = 333 K, = =emisivitas silinder = 0,7 dan
=
=luas sisi silinder =
=
0,305 = 0,073m2. Sehingga
= 5,66910(1333 333)(1 0,7) 0,70,073 +1 0,0731,1+(1 0,7) 0,70,073
= 7,3710 = 7,37Maka didapatkan perpindahan kalor radiasi dari satu sisi silinder ke sisi
lainnya adalah sebesar 7,37 kW.
2. Gas karbon dioksida berada dalam silinder berdiameter 1,5 ft. suhupermukaan pipa = 540 F dan tekanan gas = 0,5 atm. Permukaan pipa
dianggap bidang abu-abu = 0,9, factor karakteristik dari dimensikarakteristik (diameter pipa) = 0,9. Hiutnglah perpindahan kalor radiasi
antara gas CO2dan permukaan pipa /jam.ft pipa.
Jawab:
Diketahui
= 1,5 = 0,475 = 0,5 = 540= 555,22 = 0,9 = 0,9Asumsi
Suhu gas adalah 700 K, pertimbangannya yaitu suhu gas pasti lebih panasdisbanding dengan dinding pipa
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
27/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 27
Gas yang terlibat mengikuti hukum gas ideal = 0,9 = 0,9 (1,5) = 1,35. = (0,5)(1,35) = 0,675.Menentukan nilai
Gambar 13. grafik hubungan emisivitas CO2dan temperature
(sumber: Cengel, Yunus. 2002.Heat Transfer A Practical Approach. Halaman 643)
Dari gambar di atas didapat nilai = 0,120
.
= (0,5
)(1,35
)
700
555,22= 0,851
.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
28/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 28
Gambar 14. grafik hubungan emisivitas CO2dan temperature
(sumber: Cengel, Yunus. 2002.Heat Transfer A Practical Approach. Halaman 643)
Dari gambar di atas diperoleh nilai = 0,130 = = = (1)(0,13)
700555,22
,= 0,1511
Menentukan nilai q pada benda hitam =
=
= (0,457)[(0,120)(5,6710)(700) (0,1511)(5,6710)(555,22)] = 1176,5
. = 4,2410
. = 1,29310
.
Menentukan nilai q pada benda kelabu (berdasarkan Holman, halaman edisi 6
persamaan 8-62)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
29/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 29
= + 12
= 1,29310 . 0,9+ 1
2 = 1,22810 .
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
30/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 30
Kesimpulan
1. Radiasi merupakan salah satu cara dalam perpindahan kalor.2. Radiasi termal merupakan energi yang diemisikan oleh benda yang berada pada
temperatur tertentu.
3. Radiasi memiliki karakteristik yang unik dibandingkan konduksi dan konveksikarena tidak membutuhkan medium dalam transfer panas radiannya serta jumlah
radian dan kualitas radiasi yang bergantung dari temperatur.
4. Pada penggunaan formulasi bentuk radiasi digunakan faktor bentuk, faktor bentukini merupakan salah satu cara untuk mewakilkan geometris suatu bidang radiasi
dari suatu benda terhadap benda yang ada disekitarnya, pada konveksi analoginya
kita kenal.
5. Penggunaan idealisasi benda abu-abu menghasilkan suatu pendekatan yangdisederhanakan untuk pertukaran energi yang sangat berguna.
6. Radiasi benda tak hitam terjadi pada benda tak hitam. Benda tak hitam adalahbenda yang hanya menyerap sebagian pancaran energi yang diberikan padanya dan
memantulkan energi yang tidak terserap. Benda tak hitam memiliki emisivitas
dibawah satu.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 5: Perpindahan Kalor 2013
31/31
Pemicu 5 Perpindahan Kalor Radiasi Kelompok 2 31
Daftar Pustaka
Anonim. http://global.britannica.com/EBchecked/topic/564843/Stefan-Boltzmann-
law(diakses pada 6 Mei 2013 pukul 02.44)
Holman, J.P. 2009.Heat Transfer, 10nd
Ed. New York: McGraw-Hill
Cengel, Yunus. 2002.Heat Transfer A Practical Approach. USA: McGraw-Hill
Incropera. 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 7thEdition. USA: John
Willey & Sons