PERPINDAHAN KALOR
Air dalam ketel direbus menjadi mendidih berarti kalor telah berpindah dari kompor ke air. Seekor kucing merasa hangat di depan perapian. Kucing merasakan aliran kalor melalui udara. Pengait besi terasa panas pada ujung lainnya sementara ujung ujun g yang satu b erada di bara api. a pi. Pada BAB ini K amu akan mempelajari cara-cara fisik energi kalor berpindah yaitu melalui tiga cara konduksi, konveksi, dan radiasi. Cara fisik energi kalor dapat dipindahkan melalui tiga cara yaitu konduksi, konveksi
dan
radiasi.
Konduksi
memerlukan
medium
zat
padat
untuk
mengalirkan kalor, konveksi terjadi pada zat cair maupun gas, tetapi radiasi tidak selalu memerlukan perantara karena melalui gelombang elektromagnetik umumnya radiasi infra merah. Perpindahan kalor, dalam fisika adalah memindahkan energi kalor dari satu bagian ke bagian lain yang berbeda suhunya. suhunya. Ketiga proses konduksi, konduksi, konveksi dan radiasi dapat terjadi secara serempak, sebagai contoh pada saat merebus air dalam panci, kalor dipindahkan secara konduksi melalui dinding panci yang berisi air. Kalor dikonveksi air ke seluruh bagian, dan radiasi nyala nyala api ke segala arah.
Perpindahan Kalor
1
1) Konduksi (Hantaran) Ke se s
se
se
e
"
"
e se
$
j
!
!
"
y
%
"
w
%
"
Konduksi se "
#
!
e e
!
s
e
!
e e
"
e e
$
"
&
$
e
%
%
s
%
"
Konduks
y
-
!
!
e
#
e
%
!
e
!
e
"
j
"
!
-
!
e
-
-
!
!
e
!
"
!
e
#
!
#
%
%
%
#
e
%
#
y
&
!
!
%
e j
e
"
y
%
-
%
"
#
#
y
s
$
e e
$
sw
"
j
%
#
e
!
#
e
"
%
"
"
&
e
e
y
&
Se e
j
%
e se
!
e
se
%
y
s e se '
$
$
%
%
!
#
$
s
!
!
e
"
ce
y
e
#
"
j
%
e
j
e
e
!
"
s
!
!
%
"
e
#
j
&
!
se
e
s
y
e j
!
e
%
e e
e
Se e
se
%
s D
s
s e j
%
s
se e
e
!
y
!
"
e
'
%
#
sec
"
e e
e
y
#
e
s
%
s
"
M e
&
#
-
e
e
e
%
"
"
%
!
s e se
e
!
!
"
e e
hantaran
e
e e
H
%
'
!
!
e
e
!
%
%
!
"
!
"
e
%
s
#
&
De
j
&
u hantaran kalor han ya t er jadi bila ada p erbedaan suhu.
Berda sarkan eksperim en, m enun jukkan bahwa k ecepatan hantaran kalor m elalui
benda yang sebanding dengan perbedaan suhu antara u jung u jungnya.K ecepatan hantaran kalor juga bergantung pada ukuran dan b entuk benda. Untuk m engetahui secara kuantitatif, perhatikan hantaran kalor m elalui sebuah benda uniform tam pak seperti pada gambar berikut:
Pe
¡
¢
£
¤
¥
¦
¥
£
§
¥
¨
©
2
Besarnya kalor Q tiap selang waktu tertentu dirumuskan sebagai berikut:
Suatu zat yang memiliki kondukti vita s termal ( k ) besar, menghantarkan kalor
dengan cepat dan dinamakan konduktor yang baik. Umumnya logam ma suk dalam kategori ini, walaupun ada variasi yang besar antara logam -logam tersebut. Suatu zat yang memiliki kondukti vitas termal ( k ) k ecil, seperti fibergla ss, polyurethane, dan bulu merupakan panghantar kalor yang buruk yang disebut isolator. Kondukti vitas termal ( k ) b erbagai zat ditun jukkan pada tabel berikut:
Perpindahan Kalor
3
Contoh
soal:
1. Besi pan jangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang
pan jangnya 1 meter, keduanya mempun yai lua s penampang yang sama. Apabila suhu pada u jung besi adalah 500ºC dan suhu pada
u jung kuningan 350ºC. Bila koefisi en konduk si termal kuningan tiga kali ko efisi en termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan! Jawab:
Mi salkan suhu pada titik sambungan = T. maka
[k . A ¨T/L)] besi = [k . A ¨T/L)] kuningan k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l T= 2600/7= 371,4ºC
2)
Konveksi (Aliran) Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi ter jadi pada gas dan zat cair. Energi kalor yang dipindahkan secara konveksi sebesar, Q = k A (t . t
Perpindahan Kalor
4
Kecepatan perpindahan kalor di sekitar suatu benda dirumuskan :
H
!
Q t
h.
!
.(t
H
= la ju aliran kalor (J/s atau watt)
Q
= kalor yang dipindahkan ( joule)
t
= waktu (s)
h
= koefisien konveksi (W/m K)
A
= luas penampang melintang (m )
t
= perubahan suhu (rC)
2
2
Zat
cair dan gas umumnya bukan p enghantar
kalor yang sangat baik. Meskipun d emikian keduanya dapat mentransf er kalor cukup cepat dengan konveksi. Konveksi atau aliran kalor adalah proses di
mana kalor ditransf er dengan perg erakan mol ekul dari satu tempat ke tempat yang lain. Bila pada konduksi m elibatkan mol ekul (atau elektron) yang hanya b erg erak
dalam j arak yang kecil dan b ertumbukan, konveksi melibatkan perg erakan mol ekul dalam jarak yang besar. Tungku dengan udara yang dipana skan dan k emudian ditiup ol eh kipas angin ke dalam ruangan terma suk contoh konveksi yang dipak sakan. Konveksi alami juga ter j adi, misalny a udara panas akan naik, arus samudra yang hangat atau
dingin, angin, dan sebagainya. Gambar di samping m enun jukkan bahwa sejumlah
Perpindahan Kalor
5
air di dalam pan ci yang dipana skan, arus konveksi t er j adi karena p erbedaan kalor. Air di bagian ba wah naik karena massa jenis nya berkurang dan digantikan oleh air yang lebih dingin di ata snya. Prinsip selaput digunakan pada ban yak sistem pemana s, sep erti pada sistem radiator air pana s. Air yang dipanaskan di tungku hingga suhunya naik, akan memuai dan naik. Hal ini m en yebabkan air berputar pada sistem. Air pana s kemudian m emasuki radiator, kalor ditransf er dengan konduksi k e udara, dan air yang didinginkan k embali k e tungku. Dengan demikian, air berputar karena
konveksi.
Konveksi dalam k ehidupan sehari -hari dapat kita lihat pada p eristiwa ter j adinya angin darat dan angin laut. Pada siang hari, daratan lebih cepat panas daripada laut, sehingga udara di atas daratan naik dan udara sej uk di ata s laut berg erak ke daratan. Hal ini kar ena t ekanan udara di ata s p ermukaan laut lebih bes ar, sehingga angin laut b ertiup dari p ermukaan laut ke daratan. Sebalikn ya, pada malam hari daratan l ebih cepat dingin daripada laut, sehingga udara berg erak dari daratan ke laut, disebut angin darat.
Perpindahan Kalor
6
Gambar. (a) Angin darat (b) Angin laut
3) Radiasi
(Pancaran)
Perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi memerlukan adan ya materi sebagai medium dimana pada konduksi m edium perantara tidak ikut berpindah sedangkan pada konveksi m edium perantara ikut berpindah dalam m emba w a
kalor dari da erah yang lebih pana s ke da erah yang lebih dingin. Akan t etapi, perpindahan kalor secara radiasi (pan caran) ter jadi tanpa m edium apapun. Semua kehidupan di dunia ini b ergantung pada transf er en ergi dari Matahari,
dan energi ini ditransf er k e Bumi melalui ruang hampa (hampa udara). Bentuk transf er energi ini dalam b entuk kalor y ang dinamakan radia si, karena suhu Matahari j auh lebih besar (6.000 K) daripada suhu permukaan bumi.
Radiasi pada da sarnya t erdiri dari g elombang elektromagnetik. Radiasi dari matahari terdiri dari caha ya tampak ditambah pan jang gelombang lainn ya yang tidak bisa dilihat ol eh mata, terma suk radia si infram erah (IR) yang berperan dalam m enghangatkan Bumi. Kecepatan atau la ju radiasi kalor dari sebuah b enda sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak b enda tersebut. Sebagai contoh, sebuah b enda pada suhu 2.000 K, jika dibandingkan d engan benda lain pada suhu 1.000 K, akan
meradiasikan kalor dengan kecepatan 16 (2 pangkat 4) kali lipat lebih besar. Kecepatan radia si juga sebanding d engan luas A dari benda yang m eman carkan
Perpindahan Kalor
7
kalor. Dengan demikian, k ecepatan radiasi kalor m eninggalkan sumb er tiap selang waktu tertentu (Q/t ) dirumuskan:
Persamaan di atas disebut persamaan Stefan-Boltzmann, dan adalah konstanta universal yang disebut konstanta Stefan -Boltzmann. Faktor
e
disebut
emisivita s bahan, m erupakan bilangan antara 0 sampai 1 yang bergantung pada
karakteristik materi. Permukaan yang sangat hitam, misalnya arang, mempunyai emisivita s yang mendekati 1, sedangkan bahan yang permukaannya m engkilat
mempunyai
e
yang mendekati nol sehingga m eman carkan radiasi yang lebih
kecil. Permukaan m engkilat tidak hanya m eman carkan radiasi yang lebih k ecil, tetapi bahan tersebut juga hanya m enyerap sedikit dari radiasi yang menimpanya (sebagian besar dipantulkan). Benda hitam dan yang sangat g elap, menyerap kalor hampir seluruh radiasi yang m enimpan ya. Dengan d emikian dapat disimpulkan bah wa bahan p enyerap kalor yang baik juga m erupakan peman car kalor yang baik. Kecepatan total pan caran kalor dari benda k e lingkungan dirumuskan:
Perpindahan Kalor
8
Contoh:
1. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah: a. kalor yang diserap persa tuan wak tu persatuan luas b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam. Jawab:
Benda hitam, maka e = 1 T1 = 300 K T2 = 350 K W
= 5,672.10-8 watt/m2K 4
a. R = e W ( T24 - T14) = 1. 5,672.10-8 (3504 - 3004) = 391,72 watt/m2 b.
R = Q/A.t Q = R. A. t Q = 391,72. 0,5. 3600 = 705060 Joul e
Perpindahan Kalor
9