MAKALAH PERPINDAHAN PERPINDAHAN PANAS PERPINDAHAN PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI
DISUSUN OLEH: 1. DIYAH WULAN SARI 2. SITI DWI WAHYUNI
14644040 14644048
PROGAM STUDI TEKNOLOGI KIMIA INDUSTRI JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI SAMARINDA 2016
1
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah Yang
Maha Pengasih lagi Maha
Penyayang, segala puji hanya bagiNya. Semoga sholawat beserta salam senantias tercurahkan kepada junjungan kita, Nabi besar Muhammad SAW beserta keluarga dan para sahabatnya, dan juga kepada parapengikut-Nya parapengikut-Nya yang setia hingga hingga akhir zaman. Puji syukur Alhamdulilah kami panjatkan kehadiratTuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan segala rahmat,hidayah,inayah-Nya. Sehingga penulisan makalah ini dapat diselesaikan dengan baikdan lancar. Makalah dengan judul
“P er pi ndahan ndahan P anas K onduksi ” sebagai tugas
mata kuliah Perpindahan Panas. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan makalah ini masih jauh dari sempurna, karena masih banyak kekurangan dan kesalahan. Maka penulis menerima kritikdan saran yang bersifat membangun untuk meyempurnakan makalah ini. Dengan makalah ini, penulis mengharapkan semoga makalah ini dapat bermanfaat dan berguna bagi penulis serta pembaca pada umumnya. umumnya.
Samarinda, Februari 2016
Penulis
2
DAFTAR ISI
Halaman KATA PENGANTAR ...........................................................................
2
DAFTAR ISI ............................................................................................
3
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ........................................... ................................................................. ............................... .........
4
1.2 Tujuan ......................................... ............................................................... ............................................. .........................
5
1.3 Manfaat ............................................ .................................................................. .......................................... ....................
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Perpindahan Panas . ........................................... ................................................ .....
6
2.2 Jenis-Jenis Perpindahan Panaas ........................................... ................................................ .....
6
2.3 Aplikasi Dalam Kehidupan Sehari-hari .................................... ....................................
13
2.4 Contoh Soal ............................................ .................................................................. .................................. ............
14
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan ............................................. ................................................................... .................................. ............
16
3.2 Saran ........................................... .................................................................. ............................................. ........................
16
DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................
17
3
BAB I PENDAHULUAN
3.1 LATAR BELAKANG
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran kalor, 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 jalan pemasukan atau pengeluaran kalor. 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 alami. Dengan demikian, Pada pengembunan dan penghabluran (kristalisasi) kalor harus dikeluarkan. Pada penguapan dan pada umumnya juga pada pelarutan, kalor harus dimasukkan. Hukum alam menyatakan bahwa kalor adalah suatu bentuk energi. Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu, atau bila dua sistem yang suhunya berbeda disinggungkan,maka akan terjadi perpindahan energi. Proses ini disebut sebagai perpindahan panas (Heat Transfer). Dari titik pandang teknik (engineering), Analisa perpindahan panas dapat digunakan untuk menaksir biaya, kelayakan, dan besarnya peralatan yang diperlukan untuk memindahkan sejumlah panas tertentu dalam waktu yang ditentukan. Ukuran ketel, pemanas, mesin pendingin, dan penukar panas tergantung tidak hanya pada jumlah panas yang harus dipindahkan, tetapi terlebih-lebih pada laju perpindahan panas pada kondisi-kondisi yang ditentukan. Beroperasinya dengan baik komponen-komponen peralatan, seperti misalnya sudu-sudu turbin atau dinding ruang bakar, tergantung pada kemungkinan pendinginan logam-logam tertentu dengan membuang panas secara terus menerus pada laju yang tinggi dari suatu permukaan. Juga pada rancang-bangun (design) mesin-mesin listrik, transformator dan bantalan, harus diadakan analisa perpindahan panas untuk menghindari konduksi-konduksi yang akan menyebabkan pemanasan yang berlebihan dan merusakan peralatan. Berbagai contoh ini menunjukkan bahwa dalam hampir tiap cabang keteknikan dijumpai masalah perpindahan panas yang tidak dapat dipecahkan dengan penalaran termodinamika saja, tetapi memerlukan analisa yang didasarkan pada ilmu perpindahan panas. Dalam perpindahan panas, sebagaimana dalam cabang-cabang keteknikan lainnya, penyelesaian yang baik terhadap suatu soal memerlukan asumsi (pengandaian) dan idealisasi. Hampir tidak mungkin menguraikan gejala fisik secara tepat, dan untuk merumuskan suatu soal dalam bentuk
4
persamaan yang dapat diselesaikan kita perlu pe rlu mengadakan beberapa pengirapengira iraan (approximation). Dalam perhitungan rangkaian listrik, biasanya diasumsikan bahwa nilai tahanan, kapasitansi, dan induktansi tidak tergantung pada arus yang mengalir melaluinya. Asumsi ini menyederhanakan analisanya, tetapi dalam hal-hal tertentu dapat sangat membatasi ketelitian hasilnya. Pada waktu menafsirkan hasil ahir suatu analisa, kita perlu mengingat asumsi, idealisasi dan pengira-iraan yang telah kita buat selama mengadakan analisa tersebut. Kadang-kadang kita perlu mengadakan pengira-iraan keteknikan dalam penyelesaian suatu soal, karena tidak memadainya keterangan tentang sifat-sifat fisik. Sebagai contoh, dalam merancang bagian bagian mesin untuk pengoperasian pada suhu tinggi mungkin kita perlu memakai batas proporsional (propoyional limit) atau kuat-lelah (fatigue strength) bahannya dari data suhu rendah. Guna menjamin pengoperasian yang memuaskan dari bagian mesin ini, perancang harus menerapkan faktor keamanan (safety factor) pada hasil yang diperoleh dari analisanya. Pengirairaan semacam itu perlu pula dalam soal-soal soal -soal perpindahan panas. Sifat-sifat fisik seperti konduktivitas termal atau viskositas berubah dengan suhu, tetapi jika dipilih suatu harga rata-rata yang tepat , maka penyelesaian soal dapat sangat disederhanakan tanpa memasukan kesalahan yang cukup besar dalam hasil ahirnya. Bila panas berpindah dari suatu fluida ke dinding , seperti misalnya didalam ketel, maka kerak terbentuk pada pengoperasian yang terus menerus dan akan mengurangi laju aliran panas. Untuk menjamin pengoprasian yang memuaskan dalam jangka waktu yang lama, maka harus ditrapkan faktor keamanan untuk mengatasi kemungkinan ini. Dalam perpindahan panas ada tiga jenis perpindahan panas yaitu perpindahan panas dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi. 3.2 TUJUAN Menentukan jenis-jenis perpindahan panas dan aplikasi perpindahan panas dibidang teknik kimia. 3.3 MANFAAT Mahasiswa dapat mengetahui jenis-jenis perpindaham panas dan pengaplikasian perpindahan panas dibidang teknik kimia.
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 PENGERTIAN PERPINDAHAN PANAS Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerahdaerah tersebut. Karena beda suhu terdapat di seluruh alam semesta, maka aliran panas bersifat seuniversal yang berkaitan dengan tarikan gravitasi. Tetapi tidak sebagaimana halnya gravitasi, aliran panas tidak di kendalikan oleh sebuah hubungan yang unik, namun oleh kombinasi dari berbagai hukum fisika yang tidak saling bergantungan. Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yaitu, konduksi konduksi (conduction, juga dikenal dikenal dengan istilah hantaran), konveksi (convection, juga dikenal dengan istilah aliran), radiasi (radiartion).
2.2 JENIS-JENIS PERPINDAHAN PANAS 1)
PERPINDAHAN PANAS DENGAN CARA KONDUKSI
Yang dimaksud dengan konduksi 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. Perpindahan panas konduksi dan difusi energi akibat aktivitas molekul 6
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 kalor 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.
Ujung besi yang dipanaskan menyebabkan ujung yang lai n ikut panas
Persamaan umum yang biasa digunakan dalam perpindahan panas dengan cara konduksi adalah = − −
Keterangan :
H k T x A
: Panas : Konduktivitas termal : Perbedaan suhu : Perbedaan panjang/ jarak : Luas permukaan
H adalah perpindahan panas dan
merupakan gradien suhu
kearah perpindahan panas. Konstanta positif k disebut konduktivitas atau kehantaran termal (thermal konductivity) benda itu, i tu, A adalah luas l uas
7
permukaan, sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa panas mengalir dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah. NILAI KONDUKTIVITAS KONDUKTIVITAS TERMAL (k ) BERBAGAI BAHAN PADA SUHU 0° C Bahan Logam Perak (murni) Tembaga (murni) Aluminium (murni) Nikel (murni) Besi (murni) Baja karbon, 1% C Timbal (murni) Baja krom-nikel (18% Cr, 8% Ni) Bukan Logam Kuarsa (sejajar sumbu) Magnesit Marmar Batu pasir Kaca, jendela Kayu mapel atau ek Serbuk gergaji Wol kaca Zat cair Air-raksa Air Amonia Minyak Lumas, SAE 50 Freon 12,CCl 2 F2
W/m x °C
Btu/h x ft x °F
410 385 202 93 73 43 35 16,3
237 223 117 54 42 25 20,3 9,4
41,6 4,15 2,08-2,94 1,83 0,78 0,17 0,059 0,038
24 2,4 1,2-1,7 1,06 0,45 0,096 0,034 0,022
8,21 0,556 0,540 0,147 0,073
4,74 0,327 0,312 0,085 0,042
0,175 0,141 0,024 0,0206 0,0146
0,101 0,081 0,0139 0,0119 0,00844
Gas Hidrogen Helium Udara Uap air (jenuh) Karbon dioksida
8
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 mer upakan 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.
K onduksi nduksi K alor lor 1. Konduksi kalor pada keadaan tetap (steady state) · Konduksi Kalor melalui Dinding Datar · Konduksi Kalor melalui sistim radial: silinder dan bola · Koeffisien perpindahan panas menyeluruh. 2. Konduksi kalor pada keadaan tidak tetap (unsteady state)
Konduksi kalor pada keadaan tetap Dinding datar
Dari Hukum Fourier akan didapat :
9
jika persamaan ini diintegrasikan akan menjadi :
inilah persamaan untuk sebuah dinding datar Dalam konduksi kalor dikenal juga apa yang dinamakan dengan konsep tahanan termal , dimana pada konsep ini aliran kalor dianalogikan sama dengan aliran listrik sehingga prinsip hukum Ohm dapat diterapkan dalam aliran kalor. Laju perpindahan kalor dapat dianggap sebagai arus aliran, beda suhu dianggap sebagai beda potensial sedangkan konduktivitas panas dan tebal bahan dianggap sebagai tahanan terhadap arus aliran. Dan persamaan Fourier dapat ditulis :
jika,
Sehingga tahanan termal adalah :
Dinding datar berlapis. Jika dalam suatu sistim terdapat lebih dari satu lapisan dinding yang terbuat dari bahan yang berbeda, maka analisa konduksi kalor akan menjadi :
10
Laju perpindahan kalor pada lapisan A
Laju perpindahan kalor pada lapisan B
Laju perpindahan kalor pada lapisan C
Aliran kalor pada ketiga lapisan ini adalah sama dan pada kasus ini dianggap luas permukaan penerima panas dari ketiga lapisan ini adalah sama. Jika ketiga persamaan diatas dijumlahkan akan dihasilkan :
Dan konsep tahanan termalnya menjadi :
Konduksi pada sistim radial.
Perhatikan gambar suatu silinder dengan panjang L dan radius bagian dalam r 0 , radius luar r 1 . Temperatur bagian dalam silinder t 0 dan bagian luar t 1, sehingga beda temperatur adalah t 1 - t 0 . Barapakah aliran kalor yang terjadi ?
11
Diasumsikan kalor mengalir pada arah radial, luas bidang aliran kalor dalam sistim silinder ini adalah : dari hukum Fourier diketahui :
Luas bidang aliran kalor A r disubtitusikan ke dalam persamaan diatas, sehingga menjadi :
Jika persamaan terahir diintegrasikan dengan kondisi batas t = t 0 pada r = r 0 , dan t = t 1 pada r = r 1 , akan menghasilkan :
sedangkan tahanan termal dari persamaan ini adalah :
Sehingga konsep tahanan termal dapat ditulis :
Untuk analisa silinder yang mempunyai lebih dari satu dinding, dapat digunakan konsep tahanan termal. Sekarang diandaikan suatu dinding silinder dilapisi oleh dua lapisan isolasi untuk mencegah kalor keluar ataupun masuk seperti pada gambar di bawah ini.
Persamaan Fourier untuk untuk kasus ini dapat ditulis :
12
Dari persamaan diatas dapat kita lihat bahwa tahanan termal ( termal ( R ) untuk ketiga lapisan dinding masing masing adalah :
Sehingga Konsep tahanan termal untuk kasus ini adalah sbb :
2.3 APLIKASI DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
13
Ujung logam akan terasa panas jika ujung yang lain dipanaskan, misalnya saat kita mengaduk adonan gula, air panas, dan kopi dengan menggunakan sendok logam; saat kita memegang kawat logam kembang api yang sedang menyala
Knalpot akan panas ketika mesin motor dihidupkan
Mentega akan meleleh ketika diletakkan di wajan yang tengah dipanaskan
Tutup panci terasa panas saat panci digunakan untuk memasak
Air akan mendidih ketika dipanaskan menggunakan men ggunakan panci logam dan sejenisnya
2.4 CONTOH SOAL 1. Jelaskan menggunakan contoh, pengertian perpindahan kalor secara konduksi ? Pembahasan: Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi melalui tumbukan antara atom/molekul penyusun benda. Misalnya tinjau sebatang besi yang dipanaskan. Salah satu ujung besi disentuhkan ke api dan ujung lainnya dipegang. Walaupun ujung besi yang dipegang tidak bersentuhan dengan api tetapi karena kalor/panas berpindah melalui batang besi maka ujung besi yang dipegang dipegang terasa panas. Bagaimana cara kalor berpindah dari satu satu ujung besi ke ujung besi lainnya ? Ujung besi yang dipanaskan mendapat tambahan kalor. Kalor adalah energi yang secara alamiah berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Adanya tambahan energi menyebabkan menyebabkan atom/molekul penyusun besi bergetar semakin jauh dari posisi setimbangnya. setimbangnya. Ketika bergetar semakin jauh, atom/molekul tersebut menumbuk atom/molekul atom/molekul di sebelahnya sehingga atom/molekul yang ditumbuk bergetar semakin jauh dan mempunyai energi semakin besar. Proses ini berlangsung seterusnya hingga kalor tiba pada ujung besi yang dipegang. 2. Mungkinkah perpindahan kalor secara konduksi terjadi antara atom/molekul zat cair ? Pembahasan: Cermati contoh berikut ini. Ketika sebatang besi dipanaskan, kalor berpindah dari suatu atom/molekul besi ke atom/molekul besi lainnya lainnya sehingga bisa dikatakan perpindahan kalor secara konduksi terjadi antara atom/molekul zat padat. Perpindahan kalor secara konduksi tidak terjadi antara atom/molekul zat cair karena antara atom/molekul zat cair terjadi
14
perpindahan kalor secara konveksi dan demikian juga juga antara atom/molekul zat gas terjadi perpindahan kalor secara konveksi. 3.
Konduktivitas termal bata adalah 0,84 J/m.s.Co dan konduktivitas termal wol adalah 0,040 J/m.s.Co. Manakah yang merupakan konduktor kalor yang lebih baik, bata atau wol ? Pembahasan: Benda yang memiliki konduktivitas termal besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik) sedangkan benda yang memiliki konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk). Berdasarkan soal, konduktivitas termal bata lebih besar daripada konduktivitas termal wol sehingga bata merupakan penghantar kalor yang lebih baik dibandingkan wol.
4. Sebatang baja berbentuk silinder pejal mempunyai panjang 1 meter dan luas penampang 0,2 meter kuadrat. Konduktivitas termal baja adalah 40 J/m.s.Co. Jika selisih suhu antara kedua ujung baja adalah 10oC, tentukan laju perpindahan kalor secara konduksi pada batang baja tersebut ! Pembahasan: Diketahui: Panjang baja (l) = 1 m Luas penampang baja (A) = 0,2 m 2 Konduktivitas termal baja (k) = 40 J/m.s.C o Perbedaan suhu kedua ujung baja (ΔT) = 10 oC Ditanya : Laju perpindahan kalor secara konduksi (Q/t) Jawab : Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi : Q/t = k A ΔT / l Q/t = (40)(0,2)(10) / 1 Q/t = 80 / 1 Q/t = 80 Joule/sekon
15
BAB III PENUTUP 3.1 KESIMPULAN Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut. Yang dimaksud dengan konduksi 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
3.2 SARAN Saran dari kelompok kami adalah teruslah mempelajari peristiwa tentang perpindahan kalor dan harapannya semoga dengan kelompok kami mempersentasikan tentang perpindahan kalor ini mudah – mudahan kita lebih dapat bisa mengerti lagi tentang apa itu perpindahan kalor, dengan cara apa perpindahan kalor itu bisa terjadi. Kami harap teman – teman dapat memahaminya dan dapat diterapkan dalam kehidupan sehari – harinya.
16
DAFTAR PUSTAKA
Anonim.2012.https://gurumuda.net/contoh-soal-perpindahan-kalor-secarakonduksi.html Diakses pada tanggal 29 februari 2016 pukul 11:00 Anonim.2015.http://dokumen.tips/documents/isi-makalah-perpindahan panas.html Diakses pada tanggal 29 februari 2016 pukul pukul 12:00. Kreith,Frank dan Arko prijono. pr pr insip-p insip-pri ri nsip nsip pe perpinda rpindahan han pana panas. s.Edisi ketiga. Erlangga:Jakarta.1997. Holman, J.P., dan jasjfi. Perpind Perpi nda ahan han K alor lor . Edisi keenam.Erlangga:Jakarta.1997 Incropera, F.P., dan Dewitt, D.P., F undam undamental of of H eat and M ass Tr ansfe ansfer , John Wiley & Sons, 2002. Kern, D.Q., P r ocess cess H eat Tr ansfer , Mc Graw Hill, New York, 1950. McCabe, Smith dan Harriots, Uni t Oper Oper ations i n Chem Chemi cal cal Engi E ngi nee neer i ng , Mc Graw Hill,1985. Holman, J.P., H eat Tr T r ansfer , Mc Graw Hill, New York, 1987.
17