MAKALAHPERPINDAHAN PANAS DAN MASSA

NAMA KELOMPOK :1. Zahra Sahara Arfenti(2312 030 014)2. Yeni Variyana(2312 030 022)

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA2013

BAB IPENDAHULUAN

I.1 Latar BelakangHal-hal berkenaan mengenai berbagai peristiwa tentang perpindahan kalor beserta cara perpindahannya. Dan pemecahan dalam berbagai masalah yang berkaitan dengan perpindahan kalor beserta contoh dalam kehidupan sehari-hari.Panas telah diketahui dapat berpindah dari tempat dengan temperatur lebih tinggi ke tempat dengan tempeatur lebih rendah. Hokum percampuran panas juga terjadi karena panas itu berpindah, sedangkan pada kalorimeter, perindahan panas dapat terjadi dalam bentuk pertukaran panas dengan luar sistem.Jadi pemberian atau pengurangan panas tidak saja mengubah temperatur atau fasa zat suatu benda secara lokal, melainkan panas itu merambat ke atau dari bagian lain benda atau tempat lain. Peristiwa ini disebut perindahan panas. Menurut penyelidikan,perpindahan tenaga panas dapat dibagi dalambeberapa golongan cara perpindahan. Panas itu dapat merambat dari suatu bagian ke bagian lain melalui zat atau benda yang diam. Panasjuga dapat dibawa oleh partikel-partikelzatyang mengalir. Pada radiasi panas, tenaga panas dapat berpindah melalui pancaran yang merupakan juga satu cara perindahan panas. Umumnya perindahan panas berlangsung sekaligus dengan ketiga cara ini. Perindahan panas melalui cara pertama disebut perpindahan panas melalui kondoksi. Cara kedua, perindahan panas melalui konveksi dan cara ketiga melalui radiasi.

I.2 Rumusan Masalah Bagaimana caranya agar mahasiswa dapat megetahui berbagai peristiwa perpindahan kalor dan dapat menyesesaikan masalah tentang perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari?

I.3 Tujuan Agar mahasiswa dapat megetahui berbagai peristiwa perpindahan kalor dan dapat menyesesaikan masalah tentang perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari.

BAB IIPEMBAHASAN

II.1 PENGERTIAN PERPINDAHAN PANAS (HEAT TRANSFER)Panas telah diketahui dapat berpindah dari tempat dengan temperatur lebih tinggi ke tempat dengan tempeatur lebih rendah. Hukum percampuran panas juga terjadi karena panas itu berpindah, sedangkan pada kalorimeter, perpindahan panas dapat terjadi dalam bentuk pertukaran panas dengan luar sistem. Jadi pemberian atau pengurangan panas tidak saja mengubah temperatur atau fasa zat suatu benda secara lokal, melainkan panas itu merambat ke atau dari bagian lain benda atau tempat lain. Peristiwa ini disebut perindahan panas. Menurut penyelidikan, perpindahan tenaga panas dapat dibagi dalam beberapa golongan cara perpindahan. Panas itu dapat merambat dari suatu bagian ke bagian lain melalui zat atau benda yang diam. Panasjuga dapat dibawa oleh partikel-partikel zat yang mengalir. Pada radiasi panas, tenaga panas berpindah melalui pancaran yang merupakan juga satucara perindahan panas. Umumnya perindahan panas berlangsung sekaligus dengan ketiga cara ini (www.elearning.gunadarma.ac.id/...panas/bab3-perpindahan_panas.pdf).Perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yaitu, konduksi (conduction, juga dikenal dengan istilah hantaran), konveksi (convection, juga dikenal dengan istilah aliran), radiasi (radiation).

II.2 JENIS-JENIS PERPINDAHAN PANAS II.2.1 Perpindahan Secara KonduksiYang dimaksud dengan konduksi ialah pengangkutan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi merupakansatu proses pendalamankarena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energy kalor adalah dari titik bersuhu tinggi ke bersuhu rendah.Perpindahan panas konduksi dan difusi energy akibat aktivitas molekul. Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantarkan kalor sama sempurnanya. Dengan demikian, umpamanya seorang tukang hembus kaca dapat memegang suatu arang kaca yang beberapa cm lebih jauh dari tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya dapat berubah.Persamaan umum yang biasa digunakan dalam perpindahan panas dengan cara konduksi adalah

Keterangan: H : Panas k: Konduktivitas termal

: Perbedaan Suhu: :Perbedaan panjang/jarakA:Luas Permukaan H adalah perpindahan panas, merupakan gradient suhu kea rah perpindahan

panas . Konstanta positifk disebut konduktivitas atau kehantaran termal thermal konductivity) benda itu, A adalah luas permukaan, sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hokum kedua termodinamika, yaitu bahwa panas mengalir dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah.

Gambar II.1 Sketsa yang menunjukkan arah aliran kalor

Konduksi Melalui Dinding DatarHubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi diusulkan oleh ilmuwan perancis, J.B.J. Fourier dalam tahun 1882. hubungan ini menyatakan bahwa qk, laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan, sama dengan hasil kali dari tiga besaran berikut :1. k, Konduksi termal bahan (W/m . 0C)2. A, luas penampang melalui panas mengalir dengan cara konduksi, yang harus diukur tegak lurus terhadap aliran panas (m)3. dT/dx, gradien suhu pada penampang tersebut, yaitu laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x (0C/m)Untuk menulis persamaan konduksi panas dalam bentuk matematik, kita harus mengadakan perjanjian tentang tanda. Kita tetapkan bahwa arah naiknya jarak x adalah arah aliran positif. Mengingat menurut hukum termodinamika II bahwa panas akan mengalir secara otomatik dari titik yang bersuhu lebih tinggi ke titik yang bersuhu lebih rendah, maka aliran panas akan menjadi aliran positif bila gradien suhu negatif, seperti tanpak pada gambar 1. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu (temperatur gradient), maka menurut pengalaman akan terjadi perpidahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Dikatakan bahwa eergi erpindah secara konduksi (conduction) atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradient suhu normal qk ~ T A x

Jika dimasukan konstanta proporsionlitas (proportionality constant) atau tetapan kesebandingan, maka sesuai dengan hal diatas. Persamaan dasar untuk konduksi dapat ditulis sebagai berikut; qk = - kA T (1) x Sesuai dengan hukum fourier (persamaan 1). Jika persamaan ini diintegrasikan, maka akan didapatkan : q = - kA (T2 T1) (2) x Bilamana konduktivitas termal (thermal conductivity) dianggap tetap. Tebal dinding adalah x, sedang T1 dan T2 adalah suhu muka dinding. Jika konduktivitas termal berubah menurut linear dengan suhu, seperti k = k0 (1 + T), maka persamaan aliran kalor menjadi: q = - k0A (T2 T1) + (T22 T12) (3) x 2Jika dalam sistem itu terdapat lebih dari satu macam bahan, seperti dalam hal dinding lapis-rangkap pada Gambar 2.4, analisisnya akan menjadi sebagai beikut: jika gradient suhu (temperature gradient) padan ketiga bahan ialah seperti Gambar 2.4, aliran kalor dapat dituliskan sebagai

q = - kA A T2 T1 = - kB A T2 T1 = - kC A T2 T1 xA xB xC

A

A B C q q

1 2 3 4Gambar II.1 Perpindahan kalor melalui dinding datar

Untuk kosistensi dimensi dalam persamaan (1), laju perpindahn panas qk dinyatakan dalam J/s, luas A dalam m dan gradien suhu dT/dx dalam 0C/m. Konduktivitas termal k adalah sifat bahan dan menunjukkan jumlah panas yang mengalir suatu satuan luas jika gradinnya satu. arah aliran panas arah aliran panas

+T Tx +T Tx+ dT + dT dx + T - T dx

+ x + x

+x +x

Gambar 2.5. Sketsa yang melukiskan perjanjian tanda untuk aliran panas konduksi

Perhatikan suatu sistem satu dimensi sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.6, jika sistem ini berada dalam keadaan tunak yaitu jika suhu tidak berubah menurut waktu, maka hanya perlu melaksanakan integrasi atas persamaan (1) dan mensubstitusi nilai-nilai yang sesuai untuk memecakan soal. Tetapi suhu zat padat itu berubah menurut waktu atau jika ada sumber panas dalam zat padat itu, maka situasinya akan lebih rumit. Perhatikan suatu situasi dimana suhu berubah menurut waktu dan terdapat pula sumber panas dalam zat padat itu. Seperti tampak pada Gambar 2.6, yaitu;

T profil suhu qgen = q'A dx

qx qx + dx

qx

x dx x Gambar 2.6. Gambar 2.7. Bagan yang menunjukan arah panas Volume Unsur untuk analisis konduksi

Energi yang dihantarkan di muka kiri + energi yang dibangkitkan dalam unsur itu = perubahan energi dalam (internal energi) + energi yang dihantarkan keluar unsur itu melalui muka kanan. Kuantitas energi yaitu; Energi dimuka kiri = qx = - kA T xEnergi yang dibangkitkan di dalam unsur = q'A dxPerubahan energi dalam = cA T dx Energi yang keluar dari muka kanan = qx + dx = -kA T x x + dx

= -A k T + k T dx x x

Dimana q' = energi yang dibangkitkan per satuan volume, (W/m) c = kalor spesifik bahan, (J/kg. 0C) = kerapatan, (kg/m)

Jika hubungan-hubungan ini digabungkan, maka kita mendapatkan -kA T + qA dx = cA T dx -A k T + k T dx x x x x k T + q = cT x x

Gambar II.3 Volume satuan untuk analisis konduksi kalor satu dimensi.

Konduksi Melalui Selinder BerlubangAliran panas radial dengan cara konduksi melalui selinder berpenampang lingkaran yang berlubang merupakan satu persoalan konduksi satu dimensi yang besar arti penting dalam pengembangan kompor biji jarak. Jika selinder itu homogen dan cukup panjang sehingga pengaruh ujung-ujungnya dapat diabaikan dan suhu permukaan dalamnya pun konstan pada Ti, sedangkan suhu luarnya dipertahankan seragam pada To.Untuk selinder berlubang yang tanpak pada gambar di bawah ini, luasnya merupakan fungsi jari-jari. A = 2 rl (5)

Maka laju aliran panas dengan cara konduksi dapat dinyatakan sebagai

qk = - kA dT (6) dr

Dimana : qk = laju aliran panas konduksi (J/s) k = kondutivitas termal (w/m 0C) r = jari-jari (m) l = panjang (m) A = luas permukaan aliran panas (m) dT/dr = gradien suhu pada penampang tersebut yaitu laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas r. (0C/m)

II.2.2 Perpindahan Panas Secara Konveksi Seperti telah diketahui mengenai pengertiaan perpindahan panas konveksi hanya membahas sejauh masalah itu berhubungan dengan kondisi batas dan proses yang terjadi pada perpindahan panas konveksi. Pada umumnya plat logam panas akan menjadi dingin lebih cepat bila ditaruh di depan kipas angin dibandingkan dengan ditempatkan di udara tenang. Dimana kecepatan udara yang ditiupkan ke plat panas ini akan mempengaruhi laju perpindahan panas. Tetapi, apakah pengaruh ini berlangsung dalam perbandigan lurus, artinya jika kecepatan dilipat duakan apakah laju perpindahan kalor juga akan menjadi dua kali lebih cepat? Seperti tampak pada Gambar 2.8, yaitu;

Arus bebas

Aliran ll T

llqTW Dinding

Gambar II.4 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa, suhu plat ialah Tw dan suhu fuida T. Kecepatan aliran seperti tergambar yaitu, nol pada muka plat karena kecepatan lapisan fluida pada dinding adalah nol, maka disini kalor hanya dapat berpindah dengan cara konduksi saja. Dengan demikian dapat menentukan harga laju perpinahan dengan cara konveksi antara batas benda padat dan fluida dengan persamaan sebagai berikut :

q = hA (Tw T)

Dimana ; q = laju perpindahan panas konveksi (J/s) h = koefisien perpndahan kalor (W/m 0C) A = luas permukaan (m) TW = suhu plat (0C) T = suhu fluda (0C)

II.2.3 Perpindahan Panas Secara Radiasi

Yang dimaksud radiasi (pancaran) ialah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat lain. Semua bahan memancarkan kalor. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakikatnya proses perpindahan kalor radiasi terjadi drngan perantaraan fot dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat 2 teori yang berbeda menerangkan proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energy kalor tertentu. Semakin tinggi suhu badan tadi maka semakin tinggi pula energy kalor yang disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi dalam suatu bahan. Tetapi apabila suatu bahan menerima sinar, maka banyak hal yang boleh terjadi. Apabila sejumlah nergy kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan, sebagian akan diserap ke dalam bahan, sebagian akan menembusi bahan dan keluar. Jadi dalam memepelajari perpindahan panas radiasi akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Adapun contoh peristiwa radiasi di bawah ini :

Gambar 2.3.1 Seseorang merasakan pancaran energi kalor dari cahaya api unggunSebenarnya setiap benda memancarkan dan menyerap energi radiasi. Benda panas ada yang berpijar dan ada juga yang tidak berpijar. Kedua benda tersebut memencarkan/meradiasikan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan berbagai panjang gelombang.Yosef Stefan menemukan bahwa laju rambat kalor secara radiasi tiap satu satuan luas permukaan benda begantung pada sifat dan suhu permukaan benda. Benda yang mengkilap lebih sukar memencarkan kalor daripada benda yang hitan dan kusam. Keadaan tersebut juga berlaku untuk benda yang menyerap kalor. Benda yang permukaannnya mengkilap lebih sukar menyerap kalor daripada benda yang permukaannnya hitam dan kusam. Jadi dspst dikstsksn bahwa benda hitam dan kusam merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik. Hal ini dapat dibuktikan dari eksperimen seperti berikut (klik tombol untuk melihat eksperimen)

Rumus untuk perpindahan panas secara radiasi menerapkan hokum Stefan, sebagai berikut :

Keterangan : P= Laju rambatan kalor per satuan luas (J s-1 m-2) e= Koefisien emisivitas = Tetapan Stefan Boltzman ( = 5,672 x 10-8 watt m-2 K-4) T= Suhu mutlak permukaan benda (Kelvin)

Telah dijelaskan bahwa koefisien emisifitas permukaan benda bergantung pada sifat permukaan benda tersebut. Untuk benda hitam sempurna, nilai e=1, sedangkan untuk benda lainnya berlaku 0 < e < 1.

Untuk menentukan besarnya kalor atau energi yang dipancarkan oleh suatu benda, dapat digunakan persamaan

Keterangan : Rumus untuk perpindahan panas secara radiasi menerapkan Hukum Stefan yaitu : hukumStef an yaitu: Keterangan: e : Emisivita s : Kon stanta Stefan-Boltzeman (5,67x 10-8 W/m2 K4) T : Suhu Bahan yang dianggap mempunyai cirri yang sempurna adalah bahan yang dianggap mempunyai ciri yang sempurna adalah jasad hitam. Disamping itu ,samaseperti cahaya lampu, tidak semua sinar mengenai permukaan yang dituju. Jadi dalam masalah ini kita mengenalsatu fak tor pandangan yang lazimnya dinamakan faktor bentuk. Radiasi alam adalah radiasi yang ada di alam berupa radiasi kosmik dan radiasi yang berasal dari bahan radioaktif yang ada dalam kerak bumi (radionuklidaterestrial). Radiasi yang terpancar dari inti atom akibat interaksi antara radiasi kosmik dengan inti atom yang ada di atmosfir bumi (radionuklida kosmogenik) adalah radiasi yang paling umum. Di sini akan dibahas radiasi yang berasal dari radiasi kosmik dan dari radionuklida terestriall.1. Radiasi KosmikRadiasi kosmik terdiri dari radiasi berenergi tinggi yang berasal dari luar angkasa yang masuk ke atmosfir bumi (radiasi kosmik primer), partikel sekunder dan gelombang elektromagnetik yang terjadi akibat interaksi radiasi kosmik primer dengan inti atom yang ada di atmosfir.1.1. Radiasi Kosmik PrimerBagian terbesar dari radiasi kosmik primer adalah radiasi Bima Sakti primer yang berasal dari sistem tata surya, terutama partikel yang berasal dari flare matahari seperti partikel proton (90 %) dan partikel alfa (10%). Selain itu, dalam jumlah yang kecil terdapat inti atom berat, elektron, foton, dan neutrino. Besarnya fluks radiasi kosmik yang masuk ke bumi dipengaruhi oleh medanmagnet bumi dan aktivitas matahari. Di daerah pada garis lintang rendah, partikel berenergi rendah dibelokkan kembali ke angkasa, sehingga fluks radiasi kosmik pada daerah tersebut lebih rendah dari pada fluks di daerah pada garis lintang tinggi (efek posisi lintang). Partikel proton berenergi rendah dari radiasi. Bima Sakti primer menunjukkan fluktuasi dengan periode 11 tahun sesuai dengan aktivitas matahari (modulasi). Fluks partikel tersebut akan menjadi sangat kecilpada saat aktivitas matahari sangat tinggi, sebaliknya pada saat aktivitas matahari paling kecil fluksnya menjadi paling besar.1.2 Radiasi Kosmik SekunderSetelah memasuki atmosfir, radiasi kosmik primer akan mengalami berbagai reaksi dengan inti atom yang ada di atmosfir dan menghasilkan partikel dan inti atom yang baru. Partikel radiasi kosmik berenergi tinggi mengalami reaksi inti yang disebut reaksi tumbukan dengan inti atom udara dan menghasilkan materi hasil reaksi partikel sekunder seperti neutron, proton, meson, K meson dan lain-lain, serta inti He-3 (helium), Be-7 (berilium), Na-22 (natrium). Selanjutnya partikel proton, neutron, meson berenergi tinggi bereaksi dengan inti atom yang ada di udara, dan menghasilkan partikel sekunder lebih banyak (cascade). Kemudian meson meluruh dan berubah menjadi muon atau foton dan 2. Radiasi dari Radionuklida alamDari seluruh radionuklida yang ada di bumi, sebagian besar merupakan inti atom yang ada di kerak bumi sejak bumi terbentuk (radiasi primordial). Selain itu terdapat inti yang terjadi dari interaksi antara radiasi kosmik dengan inti atom yang ada di udara, bahan radioaktif akibat peluruhan spontan atau akibat interaksi dengan neutron dari radiasi kosmik, dan radionuklida yang pernah ada tetapi saat ini sudah musnah karena umur paronya pendek. Jumlah inti yang musnah ini tidak begitu banyak. Di bawah ini akan dijelaskan radiasi yang dipancarkan oleh radionuklida terestrial yang ada sejak terbentuknya bumi.

BAB IIIPENUTUP

III.1 KesimpulanKesimpulannya bahwa perpindahan kalor ini merupakan bentuk perpindahan kalor dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Perpindahan kalor melalui zat padat, cair dan gas yang melalui 3 cara yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

III.2 SaranDari hasil penyusunan makalah ini, peneliti menemukan beberapa hal yang menarik untuk diteliti lebih lanjut yang terkait denganberbagai peristiwa perpindahan kalor dan dapat menyesesaikan masalah tentang perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari.

DAFTAR PUSTAKA

Wafa.2012.Makalah tentang perpindahan kalor. http://itmamulwafa.blogspot.com/2012/05/normal-0-false-false-false-in-x-none-x.htmlYunus, A. Darami.2009. Diktat Kuliah Perpidahan Panas dan Massa. Jakarta : Universitas Darma Persadahttp://distantina.staff.uns.ac.id/files/2009/09/2-prinsip-perpindahan-massa.pdf