Rabu, 23 Desember 2009

Teori Dasar Perpindahan Panas

Perpindahan ka1or dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada
kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran ka1or, untuk mencapai dan
mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu
mencapai keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus
berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan ja1an pemasukan atau
pengeluaran ka1or. Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk
operasi proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara
kimia, keadaan ini dapat juga merupakan pengerjaan secara a1ami. Dengan demikian. pada
pengembunan dan penghabluran (krista1isasi) ka1or harus dikeluarkan. Pada penguapan dan pada
umumnya juga pada pelarutan, ka1or harus dimasukkan. Ada1ah hukum a1am bahwa ka1or itu
suatu bentuk energi.
Sama seperti bentuk lain dari energi, jumlah ka1or juga dinyatakan da1am suatu gaya kali suatu
jarak yaitu Newton ka1i meter atau Nm. 1 Nm dinamakan 1 Joule. Untuk memberikan sedikit
gambaran mengenai besarnya energi 1 Joule tersebut, bisa diperhatikan dari ha1 berikut: Untuk
penguapan 1 kg air, diperlukan cukup banyak energi yaitu perubahan zat cair ke dalam uap ini
kira-kira membutuhkan energi 2.225.000 Joule = 2,25 MJ. Pada pembakaran 1 kg minyak akan
terbebas kira-kira 45 MJ.
Ka1or mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Akan tetapi, gaya
dorong untuk a1iran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus
dimi1iki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan
sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah yaitu seperti hukum asas yang
lain, contohnya hukum kekekalan masa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang. Energi
hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama ke bentuk yang ke dua. Bila diperhatikan
misalnya jumlah energi kalor api unggun kayu yang ditumpukkan, semua ini .menyimpan
sejum1ah energi dalam yang ditandai dengan kuantitas yang lazim disebut muatan kalor bahan.
Apabila api dinyalakan, energi terma yang tersimpan di dalam bahan tadi akan bertukar menjadi
energi kalor yang dapat kita rasakan. Energi kalor ini mengalir jika terdapat suatu perbedaan
suhu. Bila diperhatikan sebatang logam yang dicelupkan ke dalam suatu tangki yang berisi air
kalor. Karena suhu awal logam ialah T1 dan suhu air ialah T2, dengan T2 >> T1, maka logam
dikatakan lebih dingin daripada air. Ha1 yang penting dalam sistem yang terdiri dari air dan
logam ialah adanya suatu perbedaan suhu yang nyata yaitu (T2- T1).
Kalor dapat diangkut dengan tiga macam cara yaitu:
1. Pancaran, sering juga dinamakan radiasi.
2. Hantaran, sering juga disebut konduksi.
3. Aliran, sering juga disebut radiasi.


1.1. Pancaran (Radiasi)
Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ia1ah perpindahan ka1or mela1ui gelombang dari
suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah
suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan perantaraan
foton dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk menerangkan
bagaimana proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari
sejumlah energi ka1or tertentu. Semakin tinggi suhu bahan tadi maka semakin tinggi pula energi
ka1or yang disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi
pada bagian da1am bahan. Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar, maka banyak ha1 yang
boleh terjadi. Apabila sejumlah energi ka1or menimpa suatu permukaan, sebahagian akan
dipantulkan, sebahagian akan diserap ke da1am bahan, dan sebagian akan menembusi bahan dan
terus ke luar. Jadi da1am mempelajari perpindahan ka1or radiasi akan dilibatkan suatu fisik
permukaan.
Bahan yang dianggap mempunyai ciri yang sempurna ada1ah jasad hitam. Disamping itu, sama
seperti cahaya lampu, adaka1anya tidak semua sinar mengenai permukaan yang dituju. Jadi
da1am masalah ini kita mengena1 satu faktor pandangan yang lazimnya dinamakan faktor
bentuk. Maka jumlah ka1or yang diterima dari satu sumber akan berbanding langsung
sebahagiannya terhadap faktor bentuk ini. Dalam pada itu, sifat terma permukaan bahan juga
penting. Berbeda dengan proses konveksi, medan a1iran fluida disekeliling permukaan tidak
penting, yang penting ialah sifat terma saja. Dengan demikian, untuk memahami proses radiasi
dari satu permukaan kita perlu memahami juga keadaan fisik permukaan bahan yang terlibat
dengan proses radiasi yang berlaku.
Proses perpindahan kalor sering terjadi secara serentak. Misa1nya sekeping plat yang dicat hitam.
La1u dikenakan dengan sinar matahari. Plat akan menyerap sebahagian energi matahari. Suhu
plat akan naik ke satu tahap tertentu. Oleh karena suhu permukaan atas naik maka kalor akan
berkonduksi dari permukaan atas ke permukaan bawah. Da1am pada itu, permukaan bagian atas
kini mempunyai suhu yang lebih tinggi dari suhu udara sekeliling, maka jumlah kalor akan
disebarkan secara konveksi. Tetapi energi kalor juga disebarkan secara radiasi. Dalam hal ini dua
hal terjadi, ada kalor yang dipantulkan dan ada kalor yang dipindahkan ke sekeliling.
Berdasarkan kepada keadaan terma permukaan, bahan yang di pindahkan dan dipantulkan ini
dapat berbeda. Proses radiasi tidak melibatkan perbedaan suhu. Keterlibatan suhu hanya terjadi
jika terdapat dua permukaan yang mempunyai suhu yang berbeda. Dalam hal ini, setiap
permukaan akan menyinarkan energi kalor secara radiasi jika permukaan itu bersuhu T dalam
unit suhu mutlak. Lazimnya jika terdapat satu permukaan lain yang saling berhadapan, dan jika
permukaan pertama mempunyai suhu T1 mutlak sedangkan permukaan kedua mempunyai suhu
T2 mutlak, maka permukaan tadi akan saling memindahkan kalor .
Selanjutnya juga penting untuk diketahui bahwa :
1. Kalor radiasi merambat lurus.
2. Untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas)


1.2. Hantaran (Konduksi)
Yang dimaksud dengan hantaran ialah pengangkutan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga
perpindahan kalor secara hantaran/konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses
perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik
bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.
Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya. Dengan
demikian, umpamanya seorang tukang hembus kaca dapat memegang suatu barang kaca, yang
beberapa cm lebih jauh dari tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya
dapat berubah. Akan tetapi seorang pandai tempa harus memegang benda yang akan ditempa
dengan sebuah tang. Bahan yang dapat menghantar ka1or dengan baik dinamakan konduktor.
Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa

bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi terma. Apabila
nilai koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat.
Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil.
Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan
penghantar yang baik juga untuk kalor dan sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi
atau sembarang jenis logam dan salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api. Dapat
diperhatikan bagaimana kalor dipindahkan dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Apabila
ujung batang logam tadi menerima energi kalor dari api, energi ini akan memindahkan
sebahagian energi kepada molekul dan elektron yang membangun bahan tersebut. Moleku1 dan
elektron merupakan alat pengangkut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan kalor
konduksi. Dengan demikian dalam proses pengangkutan kalor di dalam bahan, aliran elektron
akan memainkan peranan penting .
Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa kadar alir energi kalor adalah
berbeda. Hal ini disebabkan karena susunan molekul dan juga atom di dalam setiap bahan adalah
berbeda. Untuk satu bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan
berfasa gas seperti udara. Molekul udara adalalah renggang seka1i. Tetapi dibandingkan dengan
bahan padat seperti kayu, dan besi , maka molekul besi adalah lebih rapat susunannya daripada
molekul kayu. Bahan kayu terdiri dari gabungan bahan kimia seperti karbon, uap air, dan udara
yang terperangkat. Besi adalah besi. Kalaupun ada bahan asing, bahan kimia unsur besi adalah
lebih banyak.



1.3. Aliran (Konveksi)
Yang dimaksud dengan aliran ialah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan.
Proses perpindahan ka1or secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses
konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan
kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu
adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseirnbangan termodinamik di dalam bahan akibat
proses konduksi, suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu sekelilingnya. Dalam hal ini
dikatakan suhu permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan Tl>T2. Kini terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan sekelilingnya.
Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan cara pengangkutan kalor
yang paling banyak dipakai. Oleh karena konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir,
maka bentuk pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat
ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus di bawa kesuhu yang sama
tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau yang pertama dipanaskan memperoleh
masa jenis yang lebih kecil daripada bagian masa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi
sirkulasi, sehingga kalor akhimya tersebar pada seluruh zat.

Pada perpindahan kalor secara konveksi, energi kalor ini akan dipindahkan ke sekelilingnya
dengan perantaraan aliran fluida. Oleh karena pengaliran fluida melibatkan pengangkutan masa,
maka selama pengaliran fluida bersentuhan dengan permukaan bahan yang panas, suhu fluida
akan naik. Gerakan fluida melibatkan kecepatan yang seterusnya akan menghasilkan aliran
momentum. Jadi masa fluida yang mempunyai energi terma yang lebih tinggi akan mempunyai
momentum yang juga tinggi. Peningkatan momentum ini bukan disebabkan masanya akan
bertambah. Malahan masa fluida menjadi berkurang karena kini fluida menerima energi kalor.
Fluida yang panas karena menerima kalor dari permukaan bahan akan naik ke atas. Kekosongan
tempat masa bendalir yang telah naik itu diisi pula oleh masa fluida yang bersuhu rendah. Setelah
masa ini juga menerima energi kalor dari permukan bahan yang kalor dasi, masa ini juga akan
naik ke atas permukaan meninggalkan tempat asalnya. Kekosongan ini diisi pula oleh masa fluida
bersuhu renah yang lain. Proses ini akan berlangsung berulang-ulang. Dalam kedua proses
konduksi dan konveksi, faktor yang paling penting yang menjadi penyebab dan pendorong proses
tersebut adalah perbedaan suhu. Apabila perbedaan suhu .terjadi maka keadaan tidak stabil terma
akan terjadi. Keadaan tidak stabil ini perlu diselesaikan melalui proses perpindahan kalor.
Dalam pengamatan proses perpindahan kalor konveksi, masalah yang utama terletak pada cara
mencari metode penentuan nilai h dengan tepat. Nilai koefisien ini tergantung kepada banyak
faktor. Jumlah kalor yang dipindahkan, bergantung pada nilai h. Jika cepatan medan tetap, artinya
tidak ada pengaruh luar yang mendoromg fluida bergerak, maka proses perpindahan ka1or
berlaku. Sedangkan bila kecepatan medan dipengaruhi oleh unsur luar seperti kipas atau peniup,
maka proses konveksi yang akan terjadi merupakan proses perpindahan kalor konveksi paksa.
Yang membedakan kedua proses ini adalah dari nilai koefisien h-nya.

Tidak ada komentar: