Perpindahan Panas dan Mekanismenya

By All About Knowledge at December 05, 2019

Perpindahan kalor adalah ilmu yang mempelajari berpindahnya suatu energi (berupa kalor) dari suatu sistem ke sistem lain karena adanya perbedaan temperatur. Perpindahan kalor tidak akan terjadi pada sistem yang memiliki temperatur sama.

Perbedaan temperatur menjadi daya penggerak untuk terjadinya perpindahan kalor. Berikut akan dijelaskan apa yang dimaksud dengan perpindahan panas dan mekanismenya. Selamat membaca :)

 

PERPINDAHAN PANAS

 

Perpindahan panas merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas.

Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

 

Perpindahan panas merupakan cara untuk memindahkan panas dari satu medium ke medium lain. Perpindahan panas merupakan proses yang sederhana dengan variabel yang steady state dan waktu yang konstan terhadap fluida. Alat penukar panas memindahkan panas dengan dua laju alir yang berbeda dan suhu yang berbeda.

MEKANISME PERPINDAHAN PANAS

 

1. Perpindahan Panas secara Konduksi

 

Konduksi: Hal ini terjadi pada tingkat molekuler bila gradien suhu ada dalam medium, yang bisa padat atau cair. Panas ditransfer sepanjang gradien suhu dengan konduksi. Perpindahan secara konduktif langsung diminati melalui bahan padat.

Namun, konduksi dalam cairan juga penting karena merupakan salah satu mekanisme dimana panas mencapai dan meninggalkan permukaan yang padat. Apalagi, rongga kecil di dalam beberapa bahan padat mengandung gas yang menghantarkan panas, meski tidak terlalu efektif kecuali jika digantikan oleh cairan, suatu peristiwa yang tidak umum.

 

Suatu material bahan yang mempunyai gradient, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh suatu gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut konduksi atau hantaran. Konduksi termal pada logam-logam padat terjadi akibat gerakan elektron yang terikat dan konduksi termal mempunyai hubungan dengan konduktivitas listrik. Pemanasan pada logam berarti pengaktifan gerakan molekul, sedangkan pendinginan berarti pengurangan gerakan molekul.

Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan berikut:

Keterangan:

q          = Laju Perpindahan Panas (kj/det,W)

k          = Konduktifitas Termal (W/m.°C)

A         = Luas Penampang (m²)

dT       = Perbedaan Temperatur (°C, °F)

dX       = Perbedaan Jarak (m/det)

 

Konstanta positif ”k” disebut konduktifitas atau kehantaran termal benda itu, sedangkan tanda minus disisipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala temperatur.

Hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara laju aliran panas yang melintas permukaan isotermal dan gradien yang terdapat pada permukaan tersebut berlaku pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap waktu yang dikenal dengan Hukum Fourier.

Dalam penerapan Hukum Fourier pada suatu dinding datar, jika persamaan tersebut diintegrasikan maka akan didapatkan:

Bilamana konduktivitas termal (thermal conductivity) dianggap tetap. Tebal dinding adalah Δx, sedangkan T₁ dan T₂ adalah temperatur muka dinding. Hampir disemua heat exchanger, perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh dinding. 

 

2. Perpindahan Panas secara Konveksi

 

Perpindahan panas konveksi terjadi baik karena gerakan molekuler dan gerakan cairan curah. Perpindahan kalor konveksi dapat dikategorikan menjadi dua bentuk sesuai dengan sifat aliran: konveksi alami dan konveksi paksa.

Dalam konveksi 'bebas' alami, gerakan fluida didorong oleh perbedaan densitas yang terkait dengan perubahan suhu yang dihasilkan oleh pemanasan atau pendinginan. Dengan kata lain, aliran fluida diinduksi oleh kekuatan apung. Dengan demikian perpindahan panas itu sendiri menghasilkan arus yang mengeluarkan energi dari titik di mana transfer terjadi.

Dalam konveksi paksa, gerakan fluida didorong oleh beberapa pengaruh eksternal. Contohnya adalah arus udara yang diinduksi oleh kipas angin, oleh angin, atau oleh gerak kendaraan, dan aliran air di dalam sistem pemanas, pendinginan, suplai dan drainase.

Proses pemanasan atau pendinginan fluida yang mengalir didalam saluran tertutup seperti pada gambar 2.2 merupakan contoh proses perpindahan panas. Laju perpindahan panas pada beda suhu tertentu dapat dihitung dengan persamaan:

Keterangan: 

Q    = Laju Perpindahan Panas (kJ/det atau W)

h     = Koefisien perpindahan Panas Konveksi (W/ m².^oC ) 

A    = Luas Bidang Permukaan Perpindahaan Panas (ft², m²) 

dT   = Perbedaan Temperatur (°C, °F)

Tanda minus (-) digunakan untuk memenuhi hukum II termodinamika, sedangkan panas yang dipindahkan selalu mempunyai tanda positif (+).

 

Penukar panas biasanya melibatkan dua cairan mengalir yang dipisahkan oleh dinding yang kokoh. Panas pertama ditransfer dari fluida panas ke dinding oleh konveksi melalui dinding dengan konduksi dan dari dinding ke cairan dingin lagi dengan konveksi. Pada perpindahan panas konveksi paksa di dalam tube banyak dijumpai dalam aplikasi alat penukar kalor.

 

3. Perpindahan Panas secara Radiasi

 

Perpindahan panas dengan radiasi termal, atau radiasi infra merah, adalah mekanisme terpisah dari konveksi dan konduksi. Secara khusus, radiasi termal tidak memerlukan media untuk mengangkut energi panas.

Jadi radiasi termal bisa berjalan melalui ruang 'kosong' (seperti panas yang sampai ke permukaan bumi dari sinar matahari). Radiasi termal adalah fenomena elektromagnetik, yang terjadi akibat suhu tubuh yang absolut. Jadi, semua bodi dengan suhu lebih besar dari nol mutlak mengalami perpindahan panas radiasi.

Radiasi termal terjadi pada kisaran panjang gelombang 0,1 <λ<100 μm (dengan cara perbandingan, cahaya tampak menempati kisaran 0,5 < λ <1 μm). Untuk permukaan padat, radiasi termal diserap dan dipancarkan di sekitar 1 μm permukaan.

Besarnya energi dirumuskan sebagai:

Dimana:

Q           = laju perpindahan panas (W) 

s           = konstanta boltzman (5,669.10^-8 W/m².K⁴ )

A          = luas permukaan benda (m² )

T          = suhu absolut benda (^oC )

 

Demikian penjelasan apa itu perpindahan panas dan mekanismenya. Semoga bermanfaat yaa !!!

 

1 2 3