TUGAS MAKALAH PERPINDAHAN PANAS

(KONVEKSI ALAMIAH)

OlehRAHMAN (0705101072)

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Ka1or mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah.

Akan tetapi, gaya dorong untuk a1iran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila sesuatu

benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang lebih panas,

demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain

yang lebih dingin.

Perpindahan ka1or dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri

proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran

ka1or, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu

proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai keadaan yang dibutuhkan

untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus berlangsung pada

suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan ja1an pemasukan atau

pengeluaran ka1or.

Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi

proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan

secara kimia, keadaan ini dapat juga merupakan pengerjaan secara a1ami. Dengan

demikian. pada pengembunan dan penguapan (krista1isasi) ka1or harus

dikeluarkan. Pada penguapan dan pada umumnya juga pada pelarutan, ka1or

harus dimasukkan ada1ah hukum a1am bahwa ka1or itu suatu bentuk energy.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah yaitu seperti

hukum asas yang lain, contohnya hukum kekekalan masa dan momentum, ini

artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama

ke bentuk yang ke dua.

Bila diperhatikan misalnya jumlah energi kalor api unggun kayu yang

ditumpukkan, semua ini .menyimpan sejum1ah energi dalam yang ditandai

dengan kuantitas yang lazim disebut muatan kalor bahan. Apabila api dinyalakan,

energi termal yang tersimpan di dalam bahan tadi akan bertukar menjadi energi

kalor yang dapat kita rasakan. Energi kalor ini mengalir jika terdapat suatu

perbedaan suhu. Bila diperhatikan sebatang logam yang dicelupkan ke dalam

suatu tangki yang berisi air kalor. Karena suhu awal logam ialah T dan suhu air

ialah T , dengan T >> T , maka logam 1 2 2 1dikatakan lebih dingin daripada air.

Ha1 yang penting dalam sistem yang terdiri dari air dan logam ialah adanya suatu

perbedaan suhu yang nyata yaitu (T1 – T2 ).

Pengertian Kalor

Kamu tentu pernah merebus air bukan? Air yang tadinya terasa dingin dan sejuk

setelah direbus beberapa saat akan terasa hangat dan lama-kelamaan menjadi

panas. Tahukah Kamu mengapa demikian? Selama direbus air mendapat energi

dari api yang menyala di bawah air tersebut. energi yang dihasilkan oleh nyala api

akan berpindah ke air dan berubah menjadi panas dalam air. Bentuk energi yang

berpindah karena perbedaan suhu disebut sebagai energi kalor. Perpindahan

energi kalor selalu terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu

rendah. Jadi jika ada dua buah benda A dan B mempunyai suhu yang berbeda, dan

suhu A lebih dari suhu B kemudian kedua benda tersebut disentuhkan maka suhu

A akan menurun dan suhu B akan naik hingga suhu kedua benda tersebut

setimbang.

Oleh karena kalor adalah bentuk energi maka dimensi untuk kalor sama dengan

dimensi energi yaitu [ML2T2 ] dan satuan kalorpun mengikuti pada satuan energi

yaitu joule atau kalori. Hubungan joule dan kalori adalah :

1 kalori = 4,2 joule atau 1 joule = 0,24 kalori

Pengaruh kalor terhadap perubahan suhu dan perubahan wujud zat

1. Kalor dapat mengubah suhu benda

Pada pembahasan sebelumnya telah dibahas tentang perpindahan kalor dari benda

yang bersuhu tinggi menuju benda yang suhunya rendah untuk mengamati lebih

jelas tentang perpindahan kalor maka lakukanlah percobaan berikut

Tujuan :Mengamati perpindahan kalor dan benda yang dapat melepas dan

menerima kalor

1. Sediakan segelas air dingin, segelas air panas, termometer dan sebuah wadah

plastik.

2. Ukurlah suhu air pada masing-masing kedua gelas

3. Campurkan air dari dari kedua gelas tersebut ke dalam wadah plastik

4. Selang beberapa saat ukurlah suhu air campuran tersebut

5. Apakah kesimpulanmu?

Suhu air yang tadinya panas sekarang menjadi lebih dingin dan suhu air yang

tadinya dingin menjadi lebih panas hal ini menunjukkan bahwa air panas

melepaskan kalor dan air dingin menerima kalor dari air panas untuk menaikkan

suhunya. Tidak hanya zat cair yang dapat melepas dan menerima kalor, semua

benda dapat melepas dan menerima kalor. Benda-benda yang bersuhu lebih tinggi

dari lingkungannya akan cenderung melepaskan kalor, demikian juga sebaliknya

bendabenda yang bersuhu lebih rendah dari lingkungannya akan cenderung

menerima kalor untuk menstabilkan kondisinya dengan lingkungan di sekitarnya.

Ketika suatu zat melepas atau menerima kalor tentunya suhu zat tersebut akan

berubah, dengan demikian dapat diambil kesimpulan bahwa kalor dapat

mengubah suhu suatu benda.

2. Kalor dapat mengubah wujud zat

Kondisi wujud suatu benda sangat terpengaruh oleh keadaan suhu suatu zat

tersebut. Pada umumnya benda-benda yang bersuhu rendah berwujud padat

sedangkan bendabenda yang bersuhu tinggi akan berwujud cair atau gas.

Perubahan wujud akan terjadi ketika kita memberikan atau mengambil kalor zat

tersebut secara terus menerus. Untuk lebih jelasnya lakukanlah percobaan berikut!

Tujuan : Mengamati peruibahan wujud suatu zat akibat penambahan kalor

1. Sediakan sepotong es batu, bejana dan pembakar spirtus

2. Masukan es ke dalam bejana kemudian letakkan diatas pemanas

3. Panaskan es dalam bejana dan amati perubahan yang terjadi

4. Panaskan terus bejana tersebut sampai semua es berubah menjadi cair dan

Peristiwa perubahan zat padat menjadi zat cair disebut melebur (mencair)

B. Faktor-faktor yang mempercepat penguapan serta besarnyakalor untuk menaikan suhu benda dan perubahan wujud benda.

Perubahan wujud dari zat cair menjadi gas disebut menguap. Beberapa faktor

yang dapat mempercepat penguapan diantaranya adalah :

a. Memanaskan zat cair

Pemanasan pada zat cair dapat meningkatkan volume ruang gerak zat cair

sehingga ikatan-ikatan antara molekul zat cair menjadi tidak kuat yang akan

mengakibatkan semakin mudahnya molekul zat cair tersebut melepaskan diri dari

kelompoknya yang terdeteksi sebagai penguapan.

b. Memperluas permukaan zat cair

Peristiwa lepasnya molekul zat cair tidak bisa berlangsung secara serentak akan

tetapi bergiliran dimulai dari permukaan zat cair yang punya kesempatan terbesar

untuk melakukan penguapan. Dengan demikian untuk mempercepat penguapan

kita juga bisa melakukannya dengan memperluas permukaan zat cair tersebut.

c. Mengurangi tekanan pada permukaan zat cair

Dengan mengurangi tekanan udara pada permukaan zat cair berarti jarak antar

partikel udara diatas zat cair tersebut menjadi lebih renggang. Akibatnya molekul

air lebih mudah terlepas dari kelompoknya dan mengisi ruang kosong antara

partikelpartikel udara tersebut. hal yang sering terjadi disekitar kita adalah jika

kita memasak air di dataran tinggi akan lebih mudah mendidih daripada ketika

kita memasak di dataran rendah.

d. Meniupkan udara di atas zat cair

Pada saat penjemuran pakaian proses pengeringan tidak sepenuhnya dilakukan

oleh panas sinar matahari, akan tetapi juga dibantu oleh adanya angin yang

meniup pakaian sehingga angin tersebut membawa molekul-molekul air keluar

dari pakaian sehingga pakaian akan cepat kering.

Perubahan zat tidak hanya berlaku satu arah saja seperti pada percobaan 2 akan

tetapi perubahan wujud juga berlaku untuk sebaliknya. Jika kita memasukkan air

ke dalam lemari pendingin yang dapat mengambil kalor air tersebut hingga

suhunya mencapai kurang dari 0o C maka air akan berubah menjadi padat (es).

Jika suatu zat padat dipanaskan pada tekanan rendah, kemungkinan terjadi bahwa

zat tersebut tidak akan melebur akan tetapi langsung menjadi uap atau gas.

Peristiwa ini disebut dengan menyublim atau melennyap. Pada dasarnya

perubahan wujud suatu zat mengikuti sekema daur perubahan wujud berikut ini

membeku mengkristal mencair menyublim menguap mencair.

Kalor sebanding dengan kalor jenis

Untuk memahami kalor jenis suatu zat maka lakukanlah percobaan sederhana

Menyelidiki kalor jenis suatu zat

1. Sediakan sepotong besi dan sepotong kayu yang ukurannya sama

2. Jemurlah keduanya di bawah sinar matahari

3. Setelah beberapa saat rasakan tingkan tanasnya dengan tanganmu

4. Manakah yang lebih panas?

Dari hasil percobaan didapatkan bahwa besarnya kalor yang diterima berbeda-

beda untuk tiap-tiap jenis benda yang berbeda. Dalam fisika besaran yang

membedakan tingkat kemampuan suatu benda untuk menerima atau melepas kalor

dinamakan kalor jenis (c). Besarnya kalor yang diterima oleh tiap-tiap benda

sebanding dengan kalor jenis zat tersebut

Q µ c

dengan

Q : Banyaknya kalor yang dibutuhkan (joule)

c : kalor jenis (J/Kg K)

Kalor sebanding dengan kenaikan suhu

Jika kita menaikkan suhu suatu benda maka dalam hal ini kita juga memberikan

kalor pada benda tersebut. semakin tinggi kita menaikkan suhu suatu benda maka

semakin besar pula kalor yang kita berikan pada benda tersebut. dengan demikian

dapat kita katakan bahwa; Besarnya kalor yang diberikan pada suatu benda

sebanding dengan kenaikan suhu yang diberikan pada benda itu. Atau secara

matematis dapat dituliskan dalam persamaan berikut

Q µ Dt

dengan

Q : Banyaknya kalor yang dibutuhkan (joule)

_ t : Kenaikan suhu (K)

Kalor sebanding dengan massa

Menurut anda samakah kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu dua zat yang

sama jenisnya tetapi massanya berbeda? Untuk membuktikannya maka

lakukanlah percobaan berikut

Menyelidiki pengaruh massa benda terhadap pemberian kalor

1. Sediakan dua gelas ukur (gelas A dan gelas B), dua pemanas spirtus dan air

suling.

2. Isilah gelas ukur A dengan air suling 250 ml dan gelas ukur B dengan air suling

500 ml

3. Panaskan masing-masing gelas ukur dengan kadar api yang sama besar

4. Tunggulah sampai air dalam salah satu gelas ukur mendidih

5. Air dalam gelas manakah yang mendidih lebih dahulu

6. Apakah kesimpulanmu?

Dari kegiatan tersebut jelas bahwa semakin besar massa suatu zat, maka semakin

besar pula kalor yang dibutuhkan untuk mendidihkan air dalam gelas. Jadi,

penambahan kalor pada suatu benda sebanding dengan massa benda tersebut.

Q µ m

dengan

Q : Banyaknya kalor yang dibutuhkan (joule)

m : Massa benda (Kg)

Berdasarkan uraian di atas maka dapat ditarik kesimpulan bahwa kalor yang

diberikan pada benda

- Sebanding dengan kalor jenis (c)

- Sebanding dengan kenaikan suhu (_T)

- Sebanding dengan massa benda (m)

Dan dapat dituliskan dalam persamaan berikut

Q = mcDt

1. Kalor Jenis

Dari persamaan di atas dapat kita turunkan rumusan untuk kalor jenis suatu zat

yaitu

atau secara definitif dapat dikatakan bahwa, kalor jenis suatu zat adalah adalah

banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepas tiap satu kilogram massa, untuk

menurunkan atau menaikkan suhunya sebesar satu Kelvin atau satu derajad

Celsius.

2. Kalor Lebur

Seperti pada sat kita membahas besarnya kalor yang digunakan untuk menaikkan

suhu zat, kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat pada titik lebur tiap-

tiap

zat berbeda-beda. Misalkan untuk mengubah wujud es yang suhunya 0o C

menjadi air

yang suhunya 0o C memerlukan kalor 334 KJ/kg, sedangkan untuk mengubah

alkohol

padat pada suhu –97o C menjadi alkohol cair yang bersuhu –97o C memerlukan

kalor

336 KJ/kg. Jadi besarnya kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud zat dari

padat menjadi cair tergantung pada jenis zat tersebut. Kalor yang digunakan untuk

meleburkan 1 kg zat pada titik leburnya disebut kalor lebur

Hubungan antara kalor yang diberikan dengan kalor lebur dan massa benda adalah

sebagai berikut

Q = mL

Dengan

Q : Kalor yang di berikan (J)

m : Massa benda (kg)

L : kalor lebur (J/kg)

3. Kalor Uap

Pada proses penguapan juga terjadi perubahan wujud yaitu dari bentuk cair

menjadi gas. Untuk mengubah wujud suatu zat tentunya juga memerlukan kalor

yang berbeda-beda antara zat yang satu dengan yang lainya tergantung pada jenis

zat tersebut. untuk menguapkan 1 kg zat cair menjadi menjadi uap atau gas pada

titik didihnya disebut dengan kalor uap. Karna kalor yang diperlukan untuk

mengubah wujud zat sebanding dengan massa zat tersebut maka persamaan yang

berlaku pada saat penguapan adalah.

Q = mU

Dengan

Q : Kalor yang di berikan (J)

m : Massa benda (kg)

U : kalor Uap (J/kg)

Kapasitas kalor

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh suatu zat untuk

menaikkan suhunya 10 C

C = Q/Dt

Satuannya adalah joule/0C

Hubungan kapasitas kalor dengan kalor jenis

C = m.c

Pengaruh kalor pada benda

Bila kalor diberikan kepada zat ada tiga kemungkinan yang terjadi pada zat

1. terjadi kenaikan suhu

2. terjadi perubahan wujud zat

3. terjadi pemuaian zat

Perhatikan gambar ketika air dalam bentuk padat diberi kalor sehingga berubah

wujud menjadi

cair, gas, kemudian plasma sebagai berikut

Perpindahan Panas

Perpindahan panas terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah

yang berlangsung sampai terjadi suhu kesetimbangan. Suhu kesetimbangan adalah

kondisi ketika proses perpindahan panas berhenti yang ditandai dengan kesamaan

suhu dari kedua benda yang mengalami proses perpindahan panas. Proses

perpindahan panas yang terjadi dalam proses injection molding yaitu konduksi

dan konveksi. Yang membedakan dari keduanya jenis perpindahan adalah pada

media perpindahan panasnya.

a. Perpindahan panas konduksi

Perpindahan panas konduksi merupakan perpindahan panas dengan media benda

padat, dimana dalam injection molding terjadi pada mold dan produk plastik.

Perpindahan panas konduksi dirumuskan:

L)T(TkAq12−=............................................................(6)

Dimana:

q = Laju perpindahan panas konduksi (Watt)

K = Kondukrtivitas panas (W/m ºC)

A = Luas penampang aliran panas (m2)

T1 = Temperatur aliran bebas (ºC)

T2 = Temperatur dinding (ºC)

L = Tebal benda (m)

b. Perpindahan panas konveksi

Perpindahan panas konveksi merupakan perpindahan panas dengan media fluida.

Dalam proses perpindahan panas terjadi gerakan fluida yang berarti ada

perpindahan massa. dimana dalam injection molding terjadi pada mold dan cairan

pendingin yang di pompakan ke dalam saluran pendingin pada mold. Perpindahan

panas konveksi dirumuskan:

q = hA (Tw-T∞)=..............................................................(7)

Dimana:

q = Laju perpindahan panas konveksi (Watt)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 ºC)

A = Luasan benda yang bersinggungan fluida (m2)

Tw = Suhu benda (ºC)

T∞ = Suhu fluida (ºC)

Perpindahan panas dalam dinding pipa setiap satuan panjang:

Dr Dt Q k 2πr d = -

Distribusi suhu pada berbagai jarak dari pusat dievaluasi dengan NP di elemen

volum

setebal _r :

Rate of heat Input - Rate of heat output = accumulation

Perpindahan panas di dalam isolasi diperoleh dengan cara yang sama dengan transfer

panas di dinding pipa, diperoleh:

Perindahan panas dari permukaan isolasi ke udara secara konveksi :

Nilai Q dicari dengan menjumlahkan ke-4 persamaan suhu di atas, sehingga

diperoleh:

Transfer panas terbesar jika tebal isolasi minimum, atau:

maka :

Pada kondisi ini, R3 merupakan tebal isolasi minimum atau kritis, dimana jika

tebal isolasi lebih kecil dari R3 kritis ini maka Q semakin besar. Oleh karena

dalam penentuan tebal isolasi harus lebih besar dari R3 kritis ini. Meskipun

semakin besar R3 maka panas yang ditransfer semakin kecil, tetapi semakin tebal

isolasi berarti biaya isolasi semakin tinggi pula. Oleh karenanya perlu

diperhatikan tebal isolasi optimum atau economic insulation thickness. Telah

banyak artikel yang menulis rule of thumb tebal isolasi ekonomis. Keyword:

recommended hot insulation thickness. Tebal ini sangat dipengaruhi suhu alat dan

jenis isolasi.

Laju padatan arah aksial dalam tanur putar telah banyak di modelkan baik secara

numeric maupun analitik. Berikut ini persamaan untuk laju alir padatan aksial

dalam tanur putar (Kramers dan Croockweit 1952)

Secara garis besar pemodelan perpindaha panas dalam tanur putar dapat

diturunkan sebagai berikut.

Aliran laminar

Untuk aliran berlapis (laminar) dalam pipa tegak atau datar, di mana konveksi

bebas dapat diabaikan, berlaku persamaan:

Re < 2100

Dimana:

L =adalah panjang pipa di mana terjadi perpindahan panas; m.

d =diameter pipa; m

•b =viskositas fluida pada suhu rata-rata; Pa.s

•w =viskositas fluida pada suhudinding; Pa.s

Cp =kapasitas panas; J/kg.K

hc =koefisien perpindahan panas rata-rata

k =konduktivitas termal; W/m.K

Faktor (•/• w) digunakan sebagai koreksi, jika viskositas fluida di dekat dinding

dan di tengah pipa terlalu berbeda. Semua sifat fluida dihitung pada suhu rata-rata

kecuali • w Untuk fluida masuk dan keluar pada T berbeda, T rata-rata secara

aritmetik:

Tw = suhu dinding

Tbi = suhu fluida masuk

Tbo =suhu fluida keluar

Aliran turbulen

Untuk aliran bergolak (turbulen) dalam pipa yang bersih berlaku persamaan:

hL = koefisien konveksi didasarkan pada •Tm.

Beda suhu rata-rata logaritmik,LMTD, •Tm

Merupakan selisih suhu rata-rata secara logaritma pada kedua ujung peralatan.

Bilangan Grashof tidak ada dalam persamaan di atas, karena nilai bilangan

Reynolds terlalu tinggi untuk adanya pengaruh konveksi bebas. Sifat-sifat fluida

harus dinilai pada temperatur rata-rata antara temperatur masuk dan keluar.

Persamaan-persamaan empiris yang ada pada waktu ini belum mencakup semua

keadaan yang dijumpai dalam praktek. Banyak hal yang tidak dapat di hitung

koefisiep pindah panasnya. Dalam hal ini h harus diperkirakan dari data empiris,

yang biasanya dalam buku-buku referensi diberikan sebagai batas-batas nilai.

Data yang dilaporkan dalam buku maupun dalam majalah banyak berguna dalam

memperkirakan koefisien pindah panas secara konveksi.

Nila h untuk udara, Ptotal= 1 atm, aliran turbulen

Nilai h untuk air, T=4-105oC, aliran turbulen

Nilai h aliran fluida yang melintasi plat datar

Aliran laminar : Re < 3.105; Pr > 0,7

Aliran turbulen: Re > 3.105; Pr > 0,7

Nilai h untuk aliran melintasi bola

Sebuah bola yang akan dipanaskan atau didinginkan oleh fluida yang

mengalir tegak lurus terhadap sumber bola.

1 < Re < 70.000

0,6 < Pr < 400

Pemanasan udara dalam aliran turbulen.

Udara pada 206,8 kPa dan temperatur rata-rata 477,6 K akan dipanaskan melalui

pipa dengan ID 25,4 mm dan kecepatan 7,62 m/dt. Sebagai media pemanas

digunakan steam pada 488,7 K diluar pipa. Karena koefisien konveksi steam besar

sedangkan tahanan dinding pipa sangat kecil, dianggap temperatur dinding pipa

yang kontak dengan udara juga 488,7 K.

Hitung :

a. Koefisien perpindahan panas untuk L/D > 60.

b. Fluks panas (q/A)

Penyelesaian:

Dari App. A.3. Geankoplis 1987, udara pada 477,6 K:

mb = 2,6.10-5 Pa.s

k = 0,03894 W/m

Pr = 0,686

Pada 488,7 K, mw = 2,64.10-5 Pa.s

mb = 2,6.10-5 Pa.s = 2,6.10-5 kg/m.dt

(a) Aliran turbulen:

Air mengalir melalui pipa horizontal 1” sch 40, pipa baja pada temperatur rata-

rata 65,6 oC dan kecepatan 2,44 m/dt. Air akan dipanaskan dengan steam pada

107,8 oC diluar dinding pipa.

Koefisien sisi uap diperkirakan ho = 10500 W/m2.K.

a. Hitung hi untuk air didalam pipa.

b. Hitung U, koefisien perpindahan panas keseluruhan, didasarkan atas permukaan

dalam pipa.

c. Hitung q untuk 0,305 m pipa.

Penyelesaian:

Dari App. A-5 (Geankoplis, 1987):

1” sch 40 : ID= 0,0266 m dan OD = 0,0334 m.

Air pada T = 65,6 oC dari App. A.2 : NPr = 2,72

r = 0,98 (1000) = 980 kg/m3

k = 0,633 W/m.K

µ = 4,32.10-4 Pa.S

Daftar Pustaka

A A. Boateng, (2008), ” Rotary Kiln: Transport Phenomena and Transport Processes”, Butterworth-Heinemann, USA.

A.K Ray and K.K Prasad, (1992) ,”A model for the isothermal reduction of iron ore with coal char”, Solid State Ionics Journal, 50, 217-226

Babu, B.V., et.al. Modeling and Simulation of Reduction Zone of Downdraft Biomass Gasifier: Effect of Air to Fuel Ratio. Department of

Supratomo, Ir, MSc, Dr. 2006. Perpindahan Panas. Jurusan Teknologi Pertanian Universitas Hasanuddin : Makassar.

Zuhrina Masyithah, ST, MSc dan Bode Haryanto, ST, MT, 2006. Buku ajar Perpindahan Panas.Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara: Medan