9. panas & perpindahan panas

40
PANAS DAN PERPINDAHAN PANAS

Upload: habibur-rohman

Post on 03-Dec-2014

839 views

Category:

Education


31 download

DESCRIPTION

 

TRANSCRIPT

Page 1: 9. panas & perpindahan panas

PANAS DAN PERPINDAHAN PANAS

Page 2: 9. panas & perpindahan panas

KALORDIDEFINISIKAN SEBAGAI SESUATU YANG DIPINDAHKAN DIANTARA SEBUAH SISTEM DAN LINGKUNGANNYA SEBAGAI AKIBAT ADANYA PERBEDAAN TEMPERATUR. SATUAN KALOR ADALAH KALORI. SATU KALORI ADALAH BANYAKNYA KALOR YANG DIBUTUHKAN UNTUK MENAIKKAN TEMPERATUR 1 GRAM AIR DARI 14,50 C SAMPAI 1 15,50 C.

KAPASITAS KALOR : KALOR YANG DIBUTUHKAN UNTUK MENAIKKAN

TEMPERATUR BENDA TERGANTUNG PADA MASSA DAN JENIS BENDA.

SEDANG PERBANDINGAN ANTARA BANYAKNYA KALOR ∆Q YANG DIBUTUHKAN OLEH BENDA UNTUK MENAIKKAN TEMPERATURNYA SEBESAR ∆T

Page 3: 9. panas & perpindahan panas

C = ∆Q /∆T

Kapasitas kalor persatuan massa disebut kalor jenis c = kapasitas kalor/massa = C/m

Kapasitas kalor molar adalah kapasitas kalor per mol .c’ = C/n

Dari definisi di atas maka kalor yang dibutuhkan oleh benda bermassa m yang kapasitas kalor C untuk mengubah temperaturnya dari T1 dan T2 adalah :

Page 4: 9. panas & perpindahan panas

Q = ∆C.∆T = m c ∆T Q = ∆C.∆T = m c’ ∆T

AZAZ BLACK :KALOR YANG DILEPAS SAMA DENGAN KALOR YANG DITERIMA DALAM SUATU SISTEM

Page 5: 9. panas & perpindahan panas

CONTOH SOAL

Satu kg es(1000g) bersuhu -20o C dipanaskan hingga menjadi uap air yang suhunya 120o C . Berapa kalori yang diperlukan untuk pemanasan ini, bila diketahui :kalor jenis es = 0,5 kalori/gram.Kkalor jenis air = 1 kalori/gram.Kkalor jenis uap air = 0,24 kalori/gram.Kkalor peleburan es = 80 kalori/gramkalor penguapan = 540 kalori/gramtitik lebur es = 0o C .titik didih air = 100o C .

Page 6: 9. panas & perpindahan panas

suhu (o C)

120 UapV

100 IV uap air

III

II air 0 I es

-20

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

Page 7: 9. panas & perpindahan panas

Tahap I , untuk menaikkan suhu es -20oC menjadi 0 oC diperlukan kalor:Q1 = m C ∆tQ1 = 1000.0,5.20= 10.000

TAHAP II, untuk meleburkan es 0 oC menjadi air 0 oC diperlukan kalor:Q2 = m .L leburQ2 = 1000.80 = 80.000

TAHAP III, untuk menaikkan suhu air 0 oC menjadi 100 oC diperlukan kalor:

Q3 = m. C ∆tQ3 = 1000.1.100 = 100.000

TAHAP IV, untuk menguapkan air 100 oC menjadi 100 oC diperlukan kalor:Q4 = m.L uapQ4 = 1000.540 = 540.000

Page 8: 9. panas & perpindahan panas

TAHAP V, untuk menaikkan suhu uap 100 oC menjadi uap 120 oC diperlukan kalor:Q5 = m C ∆tQ5 = 1000.0,24.20 =4800

Q seluruhnya := Q1 +Q2 +Q3 + Q4 +Q5= 10.000+80000+100000+540000+4800= 734.800

Jadi, banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg es -20 oC menjadi uap air 120 oC = 734.800 kalori

Page 9: 9. panas & perpindahan panas

PERPINDAHAN PANAS

DAPAT TERJADI MELALUI TIGA CARA YAITU :

1. KONDUKSI2. KONVEKSI3. RADIASI

Page 10: 9. panas & perpindahan panas

KONDUKSI

perpindahan kalor melalui zat perantara, tetapi zat perantara tersebut tidak ikut berpindah atau bergerak. Contoh perpindahan kalor secara konduksi adalah pada kegiatan perpindahan panas dengan perantara yang bersifat konduktor, Contoh perpindahan kalor secara konduksi antara lain :a. Sendok akan terasa panas ketika kita mengaduk teh manis yang baru diseduh.b. Ujung logam yang dibakar ketika kita pegang pada ujung yang lainnya akan terasa panas jugac. Blueband akan meleleh ketika ketika di panaskan pada wajan.

Page 11: 9. panas & perpindahan panas
Page 12: 9. panas & perpindahan panas

• Bagaimanakah proses perpindahan kalor secara konduksi? Dalam konduksi yang berpindah hanyalah energi saja yaitu berupa panas. Saat kita mengaduk teh panas dengan sendok, maka lama kelamaan tangan kita terasa panas dari ujung sendok yang kita pegang. Atau saat kita membuat kue menggunakan wadah berupa aluminium yang disimpan di oven juga termasuk proses konduksi yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari

Page 13: 9. panas & perpindahan panas

, BAHAN DIGOLONGKAN MENJADI:1. PENGHANTAR PANAS (KONDUKTOR) YANG BAIK

UMUMNYA BENDA YANG MERUPAKAN PENGHANTAR LISTRIK YANG BAIK MERUPAKAN PENGHANTAR PANAS YANG BAIK PULAMISALNYA : LOGAM, DALAM LOGAM TERDAPAT BANYAK ELEKTRON-ELEKTRON BEBAS ATAU MOLEKUL YANG MEMEGANG PERANAN PENTING DALAM PENGHANTARAN ENERGI PANAS DARI BAGIAN LOGAM BERTEMPERATUR TINGGI KE BAGIAN LOGAM BERTEMPERATUR RENDAH.

Page 14: 9. panas & perpindahan panas

2. PENGHANTAR TEMPERATUR YANG BURUK, ADALAH BAHAN YANG KEMAMPUAN MENGHANTARKAN PANASNYA LEBIH RENDAH DARI JENISNYA HAL INI DISEBABKAN OLEH GERAKAN (VIBRASI) ATOM-ATOM ATAU MOLEKUL-MOLEKULNYA

MISALNYA : GELAS, PLASTIK, KAYU DLL

3.ISOLATOR PANAS : BAHAN YANG KECIL SEKALI KEMAMPUANNYA UNTUK MENGHANTARKAN PANAS KARENA UMUMNYA BAHAN INI BERPORI DAN MEMPUNYAI RAPAT MASSA YANG RENDAH

MISALNYA : WOOL, MINERAL, GABUS DLL.

Page 15: 9. panas & perpindahan panas

PERPINDAHAN PANAS SECARA KONDUKSI YANG DIBICARAKAN DISINI TERBATAS PADA KONDISI STEADY (MANTAP). MISALNYA SEBUAH LEMPENG BAHAN YANG LUAS PENAMPANGNYA A DAN TEBALNYA ∆X . KEDUA PERMUKAANNYA MEMPUNYAI TEMPERATUR YANG BERBEDA. PANAS ∆Q YANG MENGALIR DALAM ARAH TEGAK LURUS DIUKUR DALAM WAKTU ∆T.DARI HASIL PERCOBAAN MENUNJUKKAN BAHWA PANAS ∆Q SEBANDING DENGAN ∆T DAN SEBANDING DENGAN LUAS PENAMPANG A UNTUK BEDA TEMPERATUR ∆T. PANAS ∆Q SEBANDING DENGAN DENGAN ∆T/ ∆X SECARA MATEMATIS SEBAGAI BERIKUT:

∆Q ά A ∆T ∆t ∆ X

Page 16: 9. panas & perpindahan panas

• untuk ketebalan lempeng sangat kecil dx, dan perbedaan tenperatur dt, hukum hantaran panas h sebesar :

h = - ka dtdx

h adalah arus panas yaitu banyaknya panas yang melalui bidang penampang A tiap satuan waktu. Satuan H joule/det atau kalori/detik

Page 17: 9. panas & perpindahan panas
Page 18: 9. panas & perpindahan panas

dtdx disebut gradien temperatur dan K

adalah konduktivitas. Gambar di atas terlihat batang dengan panjang L dan luas penampang A, ujung batang bertemperatur T1 dan T2. batang dibalut dengan isolator dan dalam keadaan steady sehingga arus panas disemua penampang sama, dengan persamaan sebagai berikut:

Page 19: 9. panas & perpindahan panas

H dX = - KA dT L T2 ∫ H dX = ∫ KA dT 0 T1

H = - KA (T1 –T2) = KA (T1 – T2) L L

Page 20: 9. panas & perpindahan panas

Pada dinding berlapis

Page 21: 9. panas & perpindahan panas

Pada gambar diatas dimana dinding luas penampang L1 dan L2 dan konduktivitas K1 dan K2 jika T2>T1 maka panas akan mengalir dari T2 ke T1.Misalkan batas dua dinding temperatur TX, maka arus panas pada masing-masing dinding adalah ;H2 = K2A (T2 –T1)

L2

Page 22: 9. panas & perpindahan panas

H1 = K1A (Tx –T1)

Lmaka ;

T2 –Tx + Tx –T1 = H2L2 + H1L1K2A K1A

Pada keadaan steady maka H2 = H1 =HT2 – T1 = H L2 + L1

A K2 K1 Atau ;

H = A (T2 – T1) L2 + L1 K2 K1

Page 23: 9. panas & perpindahan panas

untuk n lapis ;H = A (T2 – T1)

n Li ∑ Kii=1

Soal ;Batang tembaga panjangnya 60 cm, sedang batang kayu penampangnya sama dengan penampang tembaga , tetapi panjangnya 25 cm. Jika diketahui konduktivitas tembaga 386,4 J/det.m.K dan konnduktivitas termal kayu 0,10 J/det.m.K, ujung tembaga suhunya 1000 K sedang ujung kayu 303K tentukan :

a. Suhu pada sambunganb. Arus panasnya

Page 24: 9. panas & perpindahan panas

Jawab ;a. tembaga kayu

T1 = 1000 K Tx T2 303 K

Setarakan satuan ;60 cm = 0,6 m3 cm2 = 3.10-4 m225 cm = 0,25 m

Arus panas yang mengalir pada batang tembaga :H1 = K1. A (T1 - Tx )

L1= 386,4 . 3. 10-4 . (1000 –Tx) = 193,2 – 0,1932Tx

0,6

Page 25: 9. panas & perpindahan panas

batang kayu ;H2 = K2. A (Tx - T2 )

L2= 0,1 . 3.10-4 (Tx - 303 )

0,25= 0,00012 .Tx - 0,03636

Dalam kondisi steady maka H1 =H2Sehingga ; 193,2 – 0,1932Tx = 0,00012 .Tx - 0,03636

0,1932Tx = 193,236Tx = 999,565

b. H1 = K1 .A (T1 –Tx)/L1= 386,4 . 3.10-4 (1000-999,565)=0,0504 joule/det

Page 26: 9. panas & perpindahan panas

konveksiPerpindahan panas dari suatu tempat ke tempat lain karena bahannya sendiri yang berpindah, hal ini berarti terjadi pada fluida. Bentuk matematisnya sangat rumit karena panas yang masuk dan keluar pada fluida tergantung pada berbagai hal yaitu ;1. bentuk permukaan;

melengkung,horisontal dan vertikal2 jenis fluida; cair atau gas3.karakteristik fluida ;

rapat massa, kekentalan, panas jenis4. kecepatan fluida5.keadaan fluida ; penguapan,

pengembunan

Page 27: 9. panas & perpindahan panas

• Konveksi adalah proses perpindahan kalor dengan disertainya perpindahan partikel. Konveksi ini terjadi umumnya pada zat fluid (zat yang mengalir) seperti air dan udara. Konveksi dapat terjadi secara alami ataupun dipaksa. 

Konveksi alamiah misalnya saat memasak air terjadi gelembung udara hingga mendidih dan menguap. Sedangkan konveksi terpaksa contohnya hair dryer yang memaksa udara panas keluar yang diproses melalui alat tersebut.

Page 28: 9. panas & perpindahan panas

Dalam praktek peristiwa konveksi ini digunakan rumus :H = h A ∆ T

h = koefisien konveksi

Page 29: 9. panas & perpindahan panas

• Bagaimanakah proses terjadinya konveksi saat memasak air? Air merupakan zatcair yang terdiri dari partikel-partikel penyusun air. Saat memasak air dalam panci, api memberikan energi kepada panci dalam hal ini termasuk proses konduksi.

Kemudian panas yang diperoleh panci kemudian dialirkan pada air. partikel air paling bawah yang pertama kali terkena panas kemudian lama kelamaan akan memiliki  massa jenis yang lebih kecil karena sebagian berubah menjadi uap air.

Page 30: 9. panas & perpindahan panas

• Sehingga saat massa jenisnya lebih kecil partikel tersebut akan berpindah posisi naik ke permukaan. Air yang masih diatas permukaan kemudian turun ke bawah menggantikan posisi partikel yang tadi. begitulah seterusnya hingga mendidih dan menguap seperti tampak pada gambar di bawah ini:

Page 31: 9. panas & perpindahan panas
Page 32: 9. panas & perpindahan panas

RadiasiAdalah pancaran energi secara terus menerus dari permukaan suatu benda. Energi ini disebut juga energi radian yang dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Laju pancaran energi permukaan sebanding dengan temperatur mutlak pangkat empat yang dinyatakan dalam hukum StefanR = e σ T4

R = laju pancaran energi per satuan luas permukaan dalam J/s m2 atau W/m2

σ = konstanta bolzman =5,6696.10-8 W/m2 K4

e = emisivitas permukaan yang berharga 0< e < 1

Page 33: 9. panas & perpindahan panas

• Bagaimanakah proses radiasinya? matahari adalah sumber cahaya di bumi, sinarnya masuk ke bumi melewati filter yang disebut atmosfer, sehingga cahaya yang masuk ke bumi adalah cahaya yang tidak berbahaya. Cahaya yang masuk ke bumi melalui lapisan atmosfer itu dikenal dengan gelombang elektromagnetik yang terbagi ke dalam gelombang pendek dan gelombang panjang. Seperti Radio, TV, Radar, Inframerah, Cahaya Tampak, Ultraviolet, Sinar X dan Sinar Gamma.

Page 34: 9. panas & perpindahan panas
Page 35: 9. panas & perpindahan panas
Page 36: 9. panas & perpindahan panas

Sebuah lampu berbentuk bola dengan jari-jari 15 cm bersuhu 627 oC diletakkan pada suatu ruangan laboratorium percobaan yang bersuhu 27 oC. Jika diketahui emisivitas bola lampu = 0,35 dan tetapan boltzman 5,6696.10-8 W/m2 K4 maka tentukanlah ;a. laju pancaran energi lampu persatuan luasb. daya radiasi atau pancarannya

Page 37: 9. panas & perpindahan panas

Jawab :Suhu dalam satuan celcius diubah dalam satuan kelvin

T1 = 627 oC = 627 +273 K = 900 Kt2 = 27 oC = 27 + 273 K = 300 K

a. Rumus = R = e σ (T14 – T24)

= 0,35. 5,6696.10-8.(9004-3004)

= 1,286 .104 watt/m2

b. Rumus W = A.R = ¶ r2 R= 3,14.(0,152) . 1,286 .104

= 908,559 watt

Page 38: 9. panas & perpindahan panas

Contoh soal perpindahan panas secara konduksi

Batang logam A dan batang logam B mempunyai luas penampang yang sama, salah satu ujung batang A dan batang B dihubungkan rapat-rapat. Suhu ujung batang A dan B yang bebas dijaga konstan dengan suhu masing-masing T1 dan T2 dimana T1 > T2 . Jika koefisien konduksi panas A dan B masing-masing K dan ½ K dan panas terkonduksi dalam keadaan steady satu dimensi maka tentukan temperatur pada suatu titik yang berjarak 1/4 L dari ujung B yang bebas L panjang batang B.

Page 39: 9. panas & perpindahan panas

A B L/4

T1 k 1 ½ L T2

P Q S R

Dari P ke Q :H = kA T1 - TQ

LDari Q ke R :

H = ½ kA TQ – T2 L

Dalam keadaan steady H = kA T1 - TQ H = kA ½ kA TQ – T2

L L

Page 40: 9. panas & perpindahan panas

kA T1 – TQ = ½ kA TQ – T2 L L

TQ = 2 T1 + 3T25

Dari Q ke SH = ½ kA TQ – Ts

3/4 LDari S ke R

H = ½ kA Ts – T2 1/4 LKarena persamaan 4=5

TQ – Ts = Ts – T2 ¾ ¼Ts = TQ + 3T2

4

Subsitutusikan TQ ke Ts maka TS = T1 + 9T2

10