Perpindahan Perpindahan panas panas

Pengertian perpindahan panas Pengertian perpindahan panas

Panas dapat berpindah dari tempat temperatur

tinggi ke tempat temperatur rendah. Sering juga

digunakan istilah pemaparan kalor. Pemberian

dan pengurangan panas dari suatu zat tidak saja

mengubah temperatur atau fasa suatu zat secara

lokal, melainkan juga merambatnya panas ke

bagian-bagian lain dalam zat itu.

Peristiwa ini disebut “perpindahan panas”.

Perpindahan panas dalam bentuk panas dapat

dibagi dalam beberapa cara perpindahan.

1. konduksi

2. konveksi

3. radiasi

Panas dapat juga dibawa oleh partikel-partikel zat

yang mengalir, perpindahan dengan cara ini

disebut perpindahan secara “konveksi”.

Selain dari pada itu energi panas dapat

juga berpindah melalui pancaran atau “radiasi”.

Dalam prakteknya umumnya berlangsung dengan

kombinasi dua atau tiga cara tersebut yang

berjalan secara simultan.

Sebagai contoh, diambil perpindahan panas yang

terjadi pada suatu heat exchanger atau suatu

furnace, keduanya berlangsung tidak menurut

satu cara saja.

Konduksi Konduksi

Jika salah satu ujung sebuah batang logam diletakkan didalam nyala api, sedang ujung yang lain dipegang, bagian batang yang dipegang ini akan terasa makin lama makin panas, walaupun tidak kontak langsung dengan nyala api itu. Dalam hal ini dikatakan bahwa panas sampai diujung batang yang lebih dingin secara konduksi (hantaran) sepanjang atau melalui bahan batang itu.

Konduksi panas hanya dapat terjadi dalam suatu

benda apabila ada bagian-bagian benda itu

berada pada suhu yang tidak sama, dan arah

alirannya selalu dari titik yang suhunya lebih tinggi

ketitik yang suhunya lebih rendah.

Konveksi

Konveksi panas terjadi karena partikel-partikel zat

yang temperaturnya lebih tinggi berpindah tempat

sehingga terjadi perpindahan panas melalui

perpindahan massa.

Persamaan untuk perhitungan praktis sbb :

Qc = hc.A.Δt

Qc = arus kalor konveksi hc = angka konveksi

A = luas permukaan Δt = beda suhu

Pernyataan matematik tentang konveksi

dipengaruhi banyak faktor yang diterima atau

yang hilang dari suatu permukaan pada suatu

suhu yang bersinggungan dengan fluida.

Faktor tersebut :

1. Keadaan permukaan : datar atau lengkung

2. Letak permukaan : horizontal atau vertikal

3. Sifat aliran : laminer alau turbulen.

Radiasi

Berbeda halnya dengan perpindahan panas secara konduksi dan konveksi dimana ada kontak langsung atau percampuran antara pemberi dan penerima panas, dalam radiasi hal ini tidak diperlukan, panas dapat dipancarkan berupa gelombang-gelombang panas.

Pengukuran secara eksperimen banyaknya energi

pancaran dari permukaan suatu benda dilakukan

oleh John Tyndall (1820 – 1893) dan berdasarkan

hasil hasil percobaan tersebut, dalam tahun 1877

Joseff Stefan (1835 – 1893) mengambil

kesimpulan bahwa banyaknya emisi itu dapat

dirumuskan berdasarkan hubungan :

R = e.σ.T4

R = e.σ.T4

R = banyaknya pancaran energi radian persatuan luas, erg/cm2, watt/m2

e = daya pancar permukaan (emissivity), 1>e>0

σ = konstanta stefan = 5,6699 x 10-8 watt/m2.0K-4

T = suhu permukaan, 0K

Konduksi Konduksi

Konduksi, aliran panas melalui dinding.

Kita tinjau konduksi panas pada sebuah keping

dengan : tebal keping, L

Perbedaan suhu, Δt = t2 – t1

Banyaknya panas yang akan dipindahkan secara

konduksi tiap satuan waktu, q

Bidang tegak lurus arah rambatan panas, A

Banyaknya q berbanding lurus dengan luas permukaan A, berbanding lurus dengan beda suhu Δt dan berbanding terbalik dengan tebal keping L. dirumuskan dengan :

q :: A :: Δt :: 1/L Dalam bentuk persamaan ditulis :

q = k.A. Δt/L dengan k adalah konstanta pembanding atau daya hantar termo.

Kita tinjau konduksi panas pada berbagai bentuk

atau susunan benda :

1. Aliran panas melalui keping-keping yang tersusun dari berbagai bahan dengan berbagai daya hantar termo.

Untuk bahan terdiri dari tiga jenis lapisan yang

disusun secara seri.

Pada sistim ini berlaku : Q = Δt / R.

Q = Δt / R.

aliran panas yang melewati lapisan (1)

mengalami hambatan R1 dan jumlah panas

Q yang mengalir lewat lapisan (2) dan (3)

dalam jumlah yang sama.

Bila hambatan masing-masing R1, R2, R3 berbeda

-beda sebagai akibat perbedaan konduktivitas dan

tebalnya, maka :

Q = Δt / R = Δt1 / R1 = Δt2 / R2 = Δt3 / R3

Δt = Δt1 + Δt2 + Δt3 = (t0- t1) + (t1- t2) + (t2- t3)

R = R1 + R2 + R3

R = L/(k.A) ;

R1= L1/(k1.A) ; R2= L2/(k2.A) ; R3= L3/(k3.A)

Contoh 1 : sebuah dinding tembok yang tebalnya 20 cm mempunyai konduktivitas termal 17 x 10-4 kal.cm-1.det-1.0C-1. permukaan yang satu mempunyai suhu 30 0C dan permukaan yang lain 20 0C

a. Berapa 0C beda suhu didalam tembok ?

b. Berapa kal/jam banyaknya panas yang dihantarkan melalui tiap 1 m2 dalam waktu 1 jam ?

Jawab :

a. Beda suhu adalah 30 0C - 20 0C = 10 0C

b. Jumlah kalor yang dihantarkan ialah :

q/t = k.A.Δt/L

= (17 x 10-4)(104)(10)/20 kal.det-1

= (17/2) kal.det-1(3600) det.jam-1

= 30600 kal.jam-1

Contoh 2 :

sekeping bahan isolator panas luasnya 100 cm2,

tebalnya 2 cm, daya hantar panas bahan tersebut

2 x 10-4 kal.cm-1.det-1.0C-1 jika selisih suhu pada

kedua permukaan bahan 100 0C.

Berapa kal/hari jumlah kalori yang lewat bahan itu

dalam satu hari ?

Contoh 3 : sebuah lemari es yang identik dengan sebuah peti dari gabus yang tebalnya 7,5 cm & luasnya 4,5 m2, dinding dalamnya mempunyai suhu 4 0C dan dinding luarnya 26 0C. konduktivitas termal gabus 1x10-4 kal.cm-1.det-1. 0C-1. berapa kalori tiap detik banyaknya panas yang harus dipindahkan dari dalam lemari es keluar ?

Contoh 4 :

berapa kalori yang dihantarkan dalam 10 menit

melalui sebuah plat tembaga yang tebalnya 2 mm

dan diameternya 2,5 cm. apabila kedua

permukaannya mempunyai suhu masing-masing

100 0C dan 25 0C ?

konduktivitas termal tembaga 0,92 kal.cm-1.det-1. 0C-1. dan A = π R2

Contoh 5 : dinding furnace terbuat dari carborundum brick 4,5 in ; pencylvania firebrick 9 in ; sil-o-cel brick 4,5 in. temperatur bagian dalam 2000 0F dan temperatur dinding bagian luar 100 0F. Berapakah panas yang hilang perft2 dinding tersebut perjamnya serta tentukan temperatur antar permukaan masing-masing lapisan ? Termal conductivity, k masing-masing carborundum brick = 5,6 ; sil-o-cel brick = 0,03pencylvania firebrick = 1,00 btu.ft-1.hr-1. 0F-1

2. Aliran panas melalui bahan berupa silinder.

Ambil luas silinder yang jaraknya r sembarang,

tebalnya dr, luasnya 2πrL, panjang silindernya L

Bentuk persamaannya : q = -k 2πrL dt/dr.

dt = beda suhu pada bahan yang tebalnya dr.

Akan diperoleh bentuk :

q dr/r = - 2πLk dt lalu di integralkan didapat :

q = 2πLk (ta – tb)/(ln rb/ra)

3. Aliran panas melalui bahan bola berongga.Arus panas mengalir secara radial dari dalam keluar bola. Ambil radius sembarang bola r, tebal

bola dr, luas bola A = 4 πr2, ta temperatur sebelah

dalam bola dan tb temperatur sebelah dluar bola. Luas bidang yang dilalui oleh arus kalor tidak konstan, q = -kA dt/dx maka : q = -k 4πr2 dt/dr, q dr/r2 = - 4πk dt, diintegralkan

hasilnya sbb : q = 4πk ra.rb (ta – tb)/((rb – ra)