7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 1/8

LTM 3 Perpindahan Kalor

Konveksi Alamiah

 Nama : Muhamad Ruby Mujakki

 NPM : 140660812

 Jurusan : Teknik Kimia

Outline : Definisi Konveksi Alamiah dan Koefisien Konveksi

 Pembahasan :

 

Definisi Konveksi

Konveksi merupakan suatu mekanisme perpindahan panas antara permukaan

 benda padat dan fluida (cairan atau gas) yang bergerak. Dengan kondisi ada medium,

medium ikut berpindah, dan driving force berupa perbedaan suhu.

Bila ada fluida yang bergerak terhadap suatu permukaan, dan kedua suhunya

tidak sama, maka akan terjadi mekanisme perpindahan panas secara konveksi.

Semakin cepat gerakan fluida tersebut, maka semakin besar laju perpindahan panas

konveksinya. Bila fluida tidak bergerak, maka mekanisme perpindahan panas akan

menjadi mekanisme perpindahan konduksi kembali.

Gambar 1. Perpindahan kalor dari permukaan panas ke udara dengan konveksi  

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 2/8

 

(a) (b)

Gambar 2(a) . Pendinginan telur panas pada lingkungan dingin dengan konveksi alamiah; (b)

 Penghangatan cola dingin pada lingkungan hangat dengan konveksi alamiah.  

Karena konveksi terjadi akibat adanya gerakan fluida, maka dikenal istilah

konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami (konveksi bebas) terjadi karena

fluida bergerak secara alamiah dimana pergerakan fluida tersebut lebih disebabkan

oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut.

Logikanya, jika suhu fluida tinggi, maka fluida tersebut akan menjadi lebih ringan

dan mulai bergerak keatas.

Disebut juga konveksi alamiah (natural convection), terjadi karena fluida

mengalir secara alamiah/tidak dipompa/tidak dihembus. Fluida dapat mengalir secara

alamiah karena adanya perubahan sifat fisis (terutama rapat massanya) dan pengaruh

dari gaya apung (bouyancy force).

 Buoyancy force  adalah gaya yang menyebabkan terdorongnya fluida dengan

densitas lebih rendah sehingga mengalami gerak vertikal ke atas. Gaya  –   gaya apung

(buoyancy forces) yang menyebabkan terjadinya konveksi alamiah disebut sebagai

body force  (gaya badan).

Dalam perpindahan kalor konveksi alami, fluida yang mengalami kontak

dengan benda yang memiliki suhu lebih tinggi akan mengalami peningkatan

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 3/8

temperatur. Peningkatan temperatur akan mengakibatkan ekspansi fluida yang

 berdampak pada penurunan densitas fluida, sehingga akan tampak gradien densitas

antara fluida dengan temperatur yang berbeda. Fluida yang lebih panas dan lebih

ringan (karena densitasnya yang lebih rendah) akan mengalami gerak vertikal ke atas

dan digantikan dengan fluida yang lebih berat dengan densitas lebih tinggi (umumnya berada dalam kondisi ambien). Peran kedua gaya di atas tampak dalam proses

 pergerakan fluida tersebut (di mana kedua gaya merupakan faktor yang menyebabkan

terjadinya pergerakan vertikal fluida).

Batasan agar proses perpindahan kalor dikatakan konveksi alami, antara lain:

o  Fluida berubah densitasnya karena proses pemanasan.

o  Fluida bergerak naik karena mengalami gaya apung (bouyancy force)

apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan kalor

 berkurang akibat proses pemanasan.o  Fluida hanya mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi

Sementara konveksi paksa terjadi karena bergeraknya fluida bukan karena

faktor alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk

menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower  dan sebagainya.

Laju perpindahan panas konveksi dirumuskan melalui hukum pendinginan

 Newton ( Newton’s Law of Cooling ) yang dinyatakan dengan:

 

dimana h  adalah koefisien konveksi, A  luas permukaan konveksi, T w adalah suhu

 permukaan sementara T ∞  adalah suhu fluida. Satuan untuk koefisien

konveksi h  adalah W/(m2.K).

  Koefisien Konveksi Alamiah

Koefisien konveksi bukan merupakan properti dari suatu fluida. h   merupakan

 parameter yang diperoleh berdasarkan experimen yang mana nilainya bergantung

kepada semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri

 permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida. 

Koefisien perpindahan panas konveksi (h ) pada konveksi alamiah juga sangat

dipengaruhi oleh sifat fisis fluida dan bentuk geometri benda.

Sifat fisis fluida ini dievaluasi pada suhu lapisan film (T  f ) dengan,

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 4/8

 

Penyelesaian umum pada persamaan perpindahan panas konveksi

memunculkan suatu parameter berupa bilangan tak berdimensi yang disebut dengan bilangan Grashof (Gr).

 

dimana :

-  g : percepatan gravitasi, m/s2 

-   β : koefisien ekspansi volum (1/Tf ), 1/K

 

-  υ  : viskositas kinematik fluida, m2/s

-  Tw  : suhu permukaan benda, K

-  T∞  : suhu fluida pada jarak tak hingga dari benda, K

-  L : panjang karakteristik, m

Selain bilangan Grashof ( Gr), koefisien perpindahan panas pada konveksi

 bebas juga dipengaruhi oleh bilangan Prandtl.

 

 

 = viskositas kinematis

 = difusifitas termal

Koefisien perpindahan panas konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi

dapat didekati dengan persamaan empiris sebagai berikut:

 

dengan k: konduktivitas termal fluida; L: panjang karakteristik; dan Ra : bilangan

Rayleigh = Gr.Pr. Nilai C dan n tergantung pada geometri benda dan daerah aliran

yang dikarakterisasikan dalam bilangan Rayleigh.

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 5/8

Beberapa persamaan empiris untuk kasus-kasus perpindahan panas konveksi

 bebas pada berbagai geometri benda terangkum dalam table 9-1 (Cengel,2003).

Bentuk geometri yang ditinjau meliputi:

1. 

Plat tegak (vertical plate)2.  Plat datar (horizontal plate)

3.  Plat yang dimiringkan (inclined plate)

4.  Silinder

5.  Bola

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 6/8

Contoh Soal: 

Karena terdapat perbedaan antara suhu tubuh normal dengan suhu lingkungan,

maka secara alami manusia akan kehilangan panas ke lingkungan sekitar setiap saat.

Jika suhu lingkungan rata-rata adalah 29°C, suhu normal tubuh manusia adalah 37°C,dan panas yang hilang ke lingkungan dianggap mengikuti mekanisme perpindahan

 panas konveksi bebas, hitung berapa panas yang hilang setiap saat!

Asumsi yang digunakan:

1.  Panas yang hilang hanya disebabkan oleh beda suhu antara tubuh

dengan lingkungan.

2.  Tidak ada gaya luar yang menyebabkan aliran udara sehingga

 perpindahan panas mengikuti mekanisme konveksi bebas.

3.  Tubuh manusia adalah silinder tegak dengan diameter 30 cm dan

tinggi 160 cm.

4.  Perpindahan panas terjadi pada  steady-state. 

5.  Udara dianggap sebagai gas ideal.

6.  Tekanan udara 1 atm.

 Jawaban :

Sifat-sifat fisis udara ditentukan berdasarkan suhu film (T  f )

T w = Suhu rata-rata tubuh manusia = 37°C = 310 K

T ∞ = Suhu lingkungan = 29°C = 302 K

 

Berikut adalah data sifat fisis udara pada suhu 33°C dan tekanan 1 atm

k = 0,026 W/m.K

ρ = 1,148 kg/m3 

μ = 1,874x10-5 kg/m.s

Cp = 1012 J/kg.K

o 

Viskositas kinematis :

 

o  Panjang karakteristik = L = tinggi tubuh manusia = 160 cm = 1,6 m.

o  Koefisien ekspansi volum :

 

o  Percepatan gravitasi, g = 9,8 m/s2 

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 7/8

o  Bilangan Grashof (Gr)

()

 

o  Bilangan Prandtl (Pr)

 

 

o  Bilangan Rayleigh (Ra)

 

o 

Silinder tegak dapat disamakan dengan plat tegak jika

 

 

diketahui diameter silinder = 30 cm =0,3 m (> 0,22 m) , sehingga untuk kasus

ini persamaan Nu yang digunakan sama dengan persamaan untuk plat tegak

 pada kisaran Ra 109 1013 

⁄

⁄

 

o  Koefisien perpindahan panas konveksi bebas

 

 

o 

Luas permukaan silinder

 

 

o  Panas hilang

 

  

7/26/2019 Perpindahan Kalor Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/perpindahan-kalor-konveksi 8/8

o  Panas yang hilang selama 1 hari

 

 

 Energi manusia secara alami akan berkurang akibat beda suhu antara tubuh

dengan lingkungan. Jadi minimal energi yang dibutuhkan oleh manusia dalamsehari adalah sejumlah panas yang hilang yaitu sebesar 631,204kcal.

 Daftar Pustaka:

Holman, J. P. 1997.  Perpindahan Kalor, terj. E. Jasfi.  Edisi Keenam. Jakarta:

Erlangga.

Pitts, Donald R dan Leighton E. Sissom. 1987. Teori dan Soal-Soal Perpindahan

 Kalor . Jakarta : Erlangga