Prinsip Dasar Perpindahan Kalor

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Artikel dalam bentuk PDF: Prinsip Dasar Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor yaitu suatu fenomena perpindahan energi yg sanggup dengan gampang diamati dalam kehidupan sehari-hari. Sinar matahari mencapai ke bumi, memasak air dengan menggunakan panci, mendinginkan udara dengan AC yaitu teladan fenomena perpindahan kalor. Artikel ini membahas istilah-istilah yg berhu.bungan dengan kalor & prinsip dasar dari fenomena perpidahan kalor yg terdiri dari konduksi, konveksi, & radiasi.

1. Temperatur

Panas / hirau taacuh yaitu ukuran kualitatif yg sangat relatif. Air mendidih merupakan zat yg panas kalau dibandingkan dengan sebuah es batu. Namun, air yg mendidih merupakan suatu hal hirau taacuh kalau dibandingkan dengan api biru. Agar panas / hirau taacuh sebuah objek sanggup ditentukan secara kuantitatif maka diharapkan sebuah besaran yg dinamakan temperatur (Suhu).

Temperatur sanggup didefinisikan sebagai suatu besaran fisis yg menawarkan seberapa panas / hirau taacuh sebuah benda/objek. Dengan a&ya besaran temperatur maka panas / hirau taacuh sanggup ditentukan dengan mudah. Sebagai contoh: kalau ada tiga buah objek yaitu api bertemperatur 300 ^oC, air bertemperatur 100 ^oC, & es kerikil bertemperatur 0 ^oC. Manakah yg paling panas? Dengan a&ya besaran temperatur maka sanggup dengan gampang dikatakan bahwa api biru yaitu yg paling panas.

Gambar 1. Sensor Temperatur

Temperatur sanggup dinyatakan dalam beberapa satuan. Setidaknya ada empat macam satuan temperature yg dikenal luas yaitu: Kelvin, Celsius, Reaumur, & Fahrenheit. Kelvin yaitu satuan temperatur diktatorial & merupakan satuan internasional dari temperatur. Satuan Kelvin sanggup eksklusif dihubungkan dengan tingkat energi molekul zat. Celsius yaitu satuan yg paling banyak dipakai sebab diubahsuaikan dengan air membeku & mendidih sehingga gampang dibaygkan fisisnya. Pada tekanan 1 atm, air akan membeku di temperature 0 ^oC & mendidih pada temperature 100 ^oC. Reaumur yaitu satuan temperature yg dulu pernah terkenal di eropa khususnya perancis. Fahrenheit yaitu satuan temperatur yg hingga ketika ini banyak dipakai di Amerika Serikat & Inggris.

Hu.bungan antara keempat satuan tersebut diatas sanggup dinyatakan sebagai berikut: 

Dimana C yaitu temperatur dalam satuan Celsius, F yaitu temperatur dalam satuan Fahrenheit, R yaitu temperatur dalam satuan Reaumur, K yaitu temperatur dalam satuan Kelvin

2. Kalor, kalor jenis, & kapasitas kalor

Heat dalam bahasa inggris sering diterjemahkan menjadi “panas”. Sebenarnya kata “panas” kurang sempurna dalam menerjemahkannya. “Panas” lebih sempurna untuk menerjemahkan hot sebab panas yaitu kata sifat. Se&gkan untuk menerjemahkan kata heat lebih baik menggunakan kata kalor. Kalor (heat) yaitu sebuah besaran energi yg berkaitan dengan temperatur. Sebagai contoh: kalau ingin memanaskan air, maka diharapkan energi dalam bentuk kalor. Kalor mempunyai satuan yg sama dengan enegri yaitu Joule.

Setiap zat mempunyai karakteristik yg berbeda berkaitan dengan energi kalor. Maksudnya yaitu untuk menaikkan temperatur suatu zat diharapkan jumlah kalor yg berbeda untuk zat yg berbeda. Sebagai teladan untuk menaikkan temperatur air dari temperature tertentu ke temperature lain diharapkan sejumlah kalor. Namun untuk menaikkan temperatur yg sama pada kayu diharapkan jumlah kalor yg berbeda. Besaran yg memilih ini disebut dengan kalor jenis (specific heat) yg mempunyai satuan J/(kg K). Untuk memilih berapa jumlah kalor yg diharapkan untuk menaikkan temperatur dipakai persamaan sebagai berikut:

 (1)

Dimana Q ialah jumlah kalor (J), m ialah massa (kg), c ialah kalor jenis (J/(kg K)), & ΔT yaitu selisih temperature antara temperatur awal & selesai (K). Kalor yg dibahas ini yaitu kalor sensibel yaitu kalor yg mengakibatkan kenaikan temperatur. Kapasitas kalor (heat capacity) yg dilambangkan dengan C merupakan perkalian antara massa dengan kalor jenisnya, , sehingga kalor yg diharapkan untuk menaikkan temperatur benda sanggup dituliskan:

(2)

Selain kalor sensibel, ada yg dinamakan kalor laten yaitu kalor yg tidak meyebabkan perubahan2 temperature. Contohnya yaitu kalau kita memanaskan air yg sudah mendidih pada tekanan atmosfer 1 atm maka temperaturnya akan tetap 100 ^oC. Hal ini dikarenakan air pada keadaan tersebut sudah dalam keadaan saturasi, artinya kalor yg diterima oleh air tidak sanggup menaikkan temperaturnya namun dipakai untuk mengubah fasanya dari cair ke gas (uap). Begitu pula yg terjadi pada ketika es diletakkan ditempat yg mempunyai temperatur ruang. Es yg bertemperatur 0 ^oC tidak eksklusif naik temperaturnya melainkan es akan mencair tanpa a&ya kenaikan temperaturnya. Inilah yg dinamakan kalor laten. Begitu semua es telah berubah fasa menjadi cair barulah temperaturnya naik. Pada ketika ada kenaikan temperatur maka disebut kalor sensibel.

Besarnya kalor laten sanggup dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini:

(3)

Dimana Q yaitu jumlah kalor (J), m ialah massa, & L ialah kalor laten (J/kg). Setiap zat mempunyai nilai L yg berbeda pada ketika berubah fasa cair-gas & padat-cair.

3. Perpindahan Kalor

Kalor ada sebuah bentuk energi yg secara impulsif berpindah dari temperatur yg lebih tinggi ke temperatur yg lebih rendah. Sampai ketika ini dikenal tiga macam cara kalor berpindah yaitu konduksi, konveksi, & radiasi.

• Konduksi

Jika salah satu ujung sebuah batang logam dipanaskan se&gkan ujung lainnya dibiarkan maka lambat laun ujung yg tidak dipanaskan akan menjadi panas juga. Pada kejadian ini terjadi perpindahan kalor dari ujung yg dipanaskan (temperature tinggi) ke ujung yg tidak dipanaskan (temperature rendah). Perpindahan kalor menyerupai ini dikenal dengan nama konduksi.

Pada perpindahan konduksi tidak terjadi perpindahan molekul & terjadi kalau ada medium (dalam masalah ini yaitu batang logam). Perpindahan kalor secara konduksi sanggup dimodelkan secara matematis sebagai berikut.

Gambar 2. Konduksi

Dimana yaitu laju anutan kalor (J/s), k ialah konduktifitas termal suatu bahan2 (W/(mK)), A ialah luas penampang, ΔT ialah perbedaan temperatur antara ujung yg satu dengan yg lainnya, & L ialah tebal bahan2.

• Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi terjadi disertai dengan pergerakan molekul & biasanya terjadi pada fluida (zat alir). Sebagai teladan kalau secangkir air panas diletakkan di ruangan yg sejuk. Pada masalah ini terdapat perbedaan temperatur antara secangkir air panas dengan udara (fluida) ruangan yg sejuk. Udara yg sangat akrab dengan cangkir mengalami kenaikan temperatur sebab melekat dengan permukaan cangkir yg panas. Udara yg mempunyai temperatur lebih tinggi akan menjadi lebih ringan sehingga udara panas ini naik ke atas. Ruang kosong yg ditinggalkan oleh udara panas ini digantikan oleh udara hirau taacuh dari bawah sehingga terjadi anutan udara di akrab permukaan cangkir. Fenomena perpindahan kalor menyerupai ini dinamakan konveksi.

Ditinjau dari cara bergeraknya molekul, konveksi sanggup dibagi menjadi dua macam, yaitu konveksi alami (natural convection) & konveksi paksa (forced convection). Pada konveksi alami, anutan fluida terjadi sebab gaya buoyancy (archimides) menyerupai yag terjadi pada masalah secangkir kopi panas. Se&gkan fluida pada konveksi paksa bergerak sebab ada gaya yg sengaja diberikan menyerupai fan / pompa.

Gambar 3. Perpindahan kalor konveksi (a) konveksi alami. (b) konveksi paksa

Perpindahan kalor secara konveksi disederhanakan menjadi:

(4)

Dimana yaitu laju anutan kalor (J/s), h ialah koefisien konveksi (W/m²K), A ialah luas permukaan kontak antara kedua zat (m²), & yaitu perbedaan temperatur antara kedua zat (K).

Dalam perpindahan kalor, konveksi merupakan perpindahan kalor yg cukup rumit sebab melibatkan mekanika fluida. Oleh akibatnya perhitungan perpindahan kalor secara konveksi lebih sering dengan menggunakan persamaan empiris. Penentuan nilai koefisien konveksi merupakan hal duduk masalah utama dalam perhitungan perpindahan kalor secara konveksi.

• Radiasi

Radiasi merupakan suatu fenomena yg cukup gres diobservasi kalau dibandingkan dengan konveksi & konduksi. Sejatinya perpindahan kalor secara radiasi yaitu pemancaran gelombang elektromagnetik dari sebuah benda. Secara teori setiap zat yg mempunyai temperatur lebih besar dari 0 K akan memancarkan radiasi. Semakin tinggi temperature suatu zat maka semakin besar radiasi yg dipancarakan.

Gambar 4. Radiasi matahari

Perpindahan kalor secara radiasi tidak membutuhkan medium. Salah satu misalnya yaitu pancaran radiasi matahari sehingga hingga di bumi. Antara bumi & matahari sebagian besarnya yaitu ruang hampa, namun demikian panas matahari tetap sanggup hingga ke bumi.

Secara matematis, radiasi dituliskan sebagai berikut:

(5)

dimana yaitu laju anutan kalor (W), e ialah emisifitas bahan2, σ yaitu konstanta Stefan-Boltzmann ( & T yaitu temperature benda).

Referensi

[1] Physics Principles with Applications 6^th Edition, Douglas C Giancoli, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2005, pp 355.