Perpindahan Panas

Teori dasar perpindahan panas

Jika Suhu itu derajat panas dinginnya suatu benda atau lebih tepatnya jumlah energi kinetik rata-rata suatu zat maka yang namanya Kalor adalah energi yang berpindah dari suatu zat yang suhunya lebih tinggi menuju zat lain yang suhunya lebih rendah. Misalkan saat kita mencampurkan air panas dengan air dingin, maka yang terjadi air tersebut jadi hangat. Kenapa demikian? Hal tersebut dikarenakan air panas memiliki suhu lebih tinggi melepaskan kalor dan diterima oleh air yang dingin sehingga suhu campuran kedua zat tersebut adalah hangat. Atau bayangkan contoh lain. Saat kita memegang gelas berisi teh panas, maka tangan kita akan terasa panas dikarenakan energi berpindah dari teh panas menuju gelas dan berakhir di tangan kita. Lalu berapa besar nilai kalor yang tangan kita terima? Untuk menghitung besarnya diberlakukan rumus Kalor sebagai berikut:

Dimana:

       Q = Kalor (kalori) atau (Joule)

       m = Massa (gram) atau (kg)

       c = Kalor jenis (kal/gr c) atau (J/kg K)

     ∆T = Perubahan suhu (celcius) atau (kelvin)

Perlu diperhatikan bahwa, untuk kalori berpasangan dengan celcius dan gram, sedangkan untuk joule berpasangan dengan kg dan kelvin.

• 1 kalori = 4,2 Joule dan 1 joule= 0,24 kalori. Untuk merubah suhu dalam celcius ke kelvin menggunakan persamaan K = Celcius + 273 (Kelvin adalah satuan internasional dari suhu).
• Kalor jenis setiap benda berbeda-beda, yang sangat sering dipergunakan dalam soal dan dijadikan patokan adalah air. kalor jenis air bernilai 1 kal/gr.c atau 4180 J/KgK sering dibulatkan menjadi 4200 J/kgK. selain tiu ada juga es yang memiliki kalor jenis setengah dari air yakni 0,5 kal/gr.c atau 2100 J/kgK.

Contoh soal :

Berapakah kalor yang diperlukan untuk mendidihkan 1 kg air jika suhu awalnya 25^oC sampai 100^oC dan kalor jenis air 4,2 x 103 J/kg^oC…. ?

Diketahui :

Jawab : 

Kalor jenis

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg zat  sebesar 1^oC atau 1 K, dimana persamaannya dapat ditulis sebagai berikut:

Kapasitas kalor

Kapasitas kalor adalah kemampuan suatu zat menyerap kalor untuk menaikkan suhunya menjadi 1^oC lebih tinggi, nilai persamaanny dapat ditulis sebagai berikut:

 

atau 

Perubahan Wujud Zat dan Grafik Perubahannya

Seperti yang kita kethaui zat terbagi menjadi 3 (tiga) yakni padat, cair dan gas. Adapun diagram perubahannya sebagai berikut:

Gambar : Diagram perubahan suatu zat [1, 3]

Gambar : Perubahan wujud zat yang melepaskan kalor

Berdasarkan grafik diatas terdapat proses perubahan wujud zat yang disebut membeku dan melebur. Untuk membeku dan melebur terdapat kalor yang dibutuhkan yang disebut kalor laten lebur atau beku sebesar:

 QL = m L

Begitupula dengan proses perubahan wujud zat berupa menguap dan mengembun, membutuhkan kalor untuk menguap sebesar:

Qu = m U

Keterangan:
L = kalor laten lebur ( 80 kal/gr)
U = kalor laten uap

Grafik Perubahan Wujud Zat 

Misalkan sebongkah es dengan suhu -10 derajat celcuis dipanaskan hingga berubah menjadi gas, akan melalui tahapan-tahapan sesuai dengan grafik berikut:

Gambar : Grafik perubahan wujud Zat [1, 3]

Masing-masing dari setiap proses perubahan suhu maka akan memiliki kalor yang berbeda, seperti terlihat pada gambar. untuk menghitung total hanya perlu menjumlahkan kalor setiap proses.

Hukum Termodinamika Pertama berbunyi "energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain." Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum pertama tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.

Pada dasarnya terdapat tiga macam proses perpindahan energi panas. Proses tersebut adalah perpindahan energi secara konduksi, konveksi, dan radiasi [1]. Perpindahan energi secara konduksi dan konveksi terjadi pada material padat dan cair. Sedangkan proses perpindahan energi panas secara radiasi terjadi pada ruang hampa. Berikut pembahasan lebih lanjut mengenai ketiga perpindahan energi panas tersebut.

Ada empat cara proses terjadinya perpindahan panas yaitu: 

Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan energi panas secara konduksi merupakan perpindahan energi panas yang disalurkan secara langsung antar molekul tanpa adanya perpindahan dari molekul yang bersangkutan. Proses konduksi terjadi pada benda padat, cair maupun gas jika terjadi kontak secara langsung dari ketiga macam benda tersebut. Ada empat hal penting dalam konduksi yaitu:

1. Konduktivitas panas
2. Konduktansi panas
3. Resistivitas panas, dan
4. Resistansi panas.

Konduktivitas panas (k) merupakan perhitungan kapasitas hantar panas suatu material atau disebut dengan indeks hantar panas per unit luas konduksi per gradient temperatur dari suatu material. Perumusannya adalah sebagai berikut:

Dimana :
Q/t = laju perpindahan kalor, k = konduktivitas termal, A = luas penampang, T1 = suhu tinggi, T2 = suhu rendah, l = panjang benda.

Gambar : Ilustrasi proses perpindahan panas konduksi [1]

Konduktivitas panas merupakan properti dari suatu material yang menentukan kemampuan suatu benda menghantarkan panas. Materi yang memiliki konduktivitas panas rendah dapat disebut dengan isolator yang baik. Konsep dasar konduktivitas panas adalah kecepatan dari proses difusi energi kinetik molekular pada suatu material yang menghantarkan panas. Walaupun mekanisme perambatan gerakan secara molekular pada perambatan panas hampir sama dengan perambatan dari suara dan sifat elektik dari material itu, tetapi hanya ada sebagian dari hubungan secara teoritis yang bisa dicapai.

Gambar : Konduktivitas Thermal suatu material [2]

Contoh Soal :

Dua zat padat P dan Q yang mempunyai ukuran yang sama tetapi jenisnya berbeda dilekatkan seperti pada gambar di bawah. Apabila koefisien konduksi termal P adalah tiga kali koefisien konduksi termal Q, maka suhu pada bidang batas P dan Q adalah:

Pembahasan :
Diketahui :

Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan energi panas dengan proses konveksi terjadi hanya pada benda cair. Perpindahan ini disertai dengan perpindahan benda cair secara fisik.. Pada saat energi panas yang diterima oleh benda cair tersebut melebihi titik batas maka benda cair itu akan mengalami perubahan phasa. Sebuah ilustrasi adalah : Air merupakan zatcair yang terdiri dari partikel-partikel penyusun air. Saat memasak air dalam panci, api memberikan energi kepada panci dalam hal ini termasuk proses konduksi. Kemudian panas yang diperoleh panci kemudian dialirkan pada air. partikel air paling bawah yang pertama kali terkena panas kemudian lama kelamaan akan memiliki  massa jenis yang lebih kecil karena sebagian berubah menjadi uap air. Sehingga saat massa jenisnya lebih kecil partikel tersebut akan berpindah posisi naik ke permukaan. Air yang masih diatas permukaan kemudian turun ke bawah menggantikan posisi partikel yang tadi. begitulah seterusnya hingga mendidih dan menguap seperti tampak pada gambar di bawah ini:

Gambar : Ilustrasi proses perpindahan panas secara konveksi [1, 3]

Besarnya energi konveksi atau bisa disebut laju konveksi ditentukan oleh persamaan berikut:

Dimana :
Q = kalor (joule)
 h = koefisien konveksi
 t  = waktu (s)
A = luas penampang (m persegi)
T = Suhu (Celcius, kelvin)



Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi merupakan proses peripandahan kalor yang tidak memerlukan medium (perantara). Radiasi ini biasanya dalam bentuk Gelombang Elektromagnetik (GEM) yang berasal dari matahari. Namun demikian dalam kehidupan sehari-hari proses radiasi juga berlaku saat kita berada didekat api unggun, seperti gambar di bawah.

Gambar : Ilustrasi perpindahan panas secara radiasi [1, 3]

Contoh lain adalah matahari yang merupakan sumber cahaya di bumi, sinarnya masuk ke bumi melewati filter yang disebut atmosfer, sehingga cahaya yang masuk ke bumi adalah cahaya yang tidak berbahaya. Cahaya yang masuk ke bumi melalui lapisan atmosfer itu dikenal dengan gelombang elektromagnetik yang terbagi ke dalam gelombang pendek dan gelombang panjang. Seperti Radio, TV, Radar, Inframerah, Cahaya Tampak, Ultraviolet, Sinar X dan Sinar Gamma.

Gambar : Ilustrasi perpindahan panas secara radiasi [1, 3]

Sinar Gelombang Elektromagnetik tersebut dibedakan berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya. Semakin besar panjang gelombang semakin kecil frekuensinya. Energi radiasinya tergantung dari besarnya frekuensi dalam arti semakin besar frekuensi semakin besar energi radiasinya. Sinar Gamma adalah gelombang elektromagnetik dan sinar radioaktif dengan energi radiasi terbesar. Dalam kasus ini, terdapat hal yang disebut radiasi benda hitam, yang memaparkan bahwa semakin hitam benda tersebut maka energi radiasi yang dikenainya juga makin besar. Hal ini adalah fakta sehari-hari. Saat kita menjemur pakaian hitam dan putih dibawah sinar matahari berwarna dengan jenis dan tebal yang sama, maka pakaian warna hitam akan lebih cepat kering dibandingkan dengan pakaian berwarna putih. Oleh karena itu, warna hitam dikatakan sempurna menyerap panas, sedangkan warna putih mampu memantulkan panas atau cahaya dengan sempurna. Sehingga emisivitas bahan (kemampuan menyerap panas) untuk warna hitam e = 1 sedangkan warna putih e = 0. Untuk warna lainnya berkisar antara 0 dan 1.
Besarnya energi radiasi benda hitam tergantung pula pada tingkat derajat suhunya. Seperti yang terlihat dari rumus energi radiasi berikut :

Dimana :
 P = Daya Radiasi/Energi Radiasi setiap Waktu (watt)
Q = Kalor (joule)
t   = waktu (s)
e  = emisivitas bahan
A = luas penampang (m persegi)
T = suhu (kelvin)
o = konstanta stefan boltzmann (5,67 x 10 pangkat minus 8)

Referensi :

1. Saryanto, H. "Perpindahan Panas" Modul Bahan Ajar : Teknik Mesin-Universitas Mercu Buana, Jakarta, 2012.
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conductivity
3. http://www.gomuda.com/2013/04/perpindahan-kalor-konduksi-konveksi-dan.html