Energi Panas (Kalor)

Suatu bentuk energi yang berhubungan dengan gerakan atom atau molekul.

Ditransfer dari objek bersuhu tinggi ke objek bersuhu lebih rendah

Energi Panas juga dinamakan energi thermal

Perpindahan Kalor

Hanya Terjadi bila ada perbedaan temperatur.

Aliran kalor makin cepat dengan makin tingginya perbedaan temperatur.

Selalu mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Makin besar dengan makin besarnya luas penampang.

Beberapa material mentransfer panas lebih bagus dibandingkan material lain.

Konduksi Kalor

Perpindahan kalor dimana energi panas mengalir dari bagian yang bertemperatur tinggi ke bagian yang bertemperatur lebih rendah dari suatu substansi (padat, cair atau gas) tanpa perpindahan molekul substansi tersebut, atau antara medium medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung

Jika baja dipanaskan, maka energi kinetik molekul baja akan makin meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur molekul itu akibat pemanasan yang dilakukan. Dengan meningkatnya energi kinetik molekul maka akan terjadi getaran pada molekul tersebut, sehingga terjadi transfer energi kinetik antara molekul yang bergetar dengan molekul didekatnya, akhirnya seluruh molekul pada baja tersebut akan bergetar seluruhnya. Jika energi kinetik molekul meningkat dengan sendirinya terjadi peningkatan temperatur pada molekul itu, inilah yang dinamakan rambatan kalor atau konduksi kalor.Konduksi Kalordinyatakan dengan : Hukum Fourrier

Dimana :

q = Laju perpindahan panas (W) (J)

A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2)

dt/dx = Perbedaan temperatur t terhadap jarak dalam arah aliran panas x

k = Konduktivitas thermal bahan (W/moC)

Konduktivitas Panas

Konduktivitas panas dari suatu material menggambarkan kemampuan suatu material untuk mentransfer panas.

Konveksi Kalor

Adalah transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi dan gerakan mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas atau dingin) terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas).

Persamaan Konveksi Kalor :

Radiasi Kalor

Radiasi adalah transfer energi panas secara gelombang electromagnetic.

Radiasi panas adalah gelombang electromagnetic (termasuk cahaya) yang dihasilkan oleh objek karena temperaturnya.

Makin tinggi Temperatur dari suatu objek, makin banyak radiasi termal yang dihasilkan oleh suatu objek.

Persamaan Stefan-Boltzmann untukRadiasi :

Pertemuan 2

Konduksi Kalor

Konduksi kalor pada keadaan tetap (steady state)

Konduksi Kalor melalui Dinding Datar

Konduksi Kalor melalui sistim radial: silinder dan bola

Koeffisien perpindahan panas menyeluruh.

Konduksi kalor pada keadaan tidak tetap (unsteady state)

Konduksi kalor pada keadaan tetap

Dinding datar

Dari Hukum Fourier akan didapat :

jika persamaan ini diintegrasikan akan menjadi :

inilah persamaan untuk sebuah dinding datar

Dalam konduksi kalor dikenal juga apa yang dinamakan dengankonsep 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 :

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 panjangLdan radius bagian dalamr0, radius luarr1. Temperatur bagian dalam silindert0dan bagian luart1, sehingga beda temperatur adalaht1- t0. Barapakah aliran kalor yang terjadi ?

Diasumsikan kalor mengalir pada arah radial, luas bidang aliran kalor dalam sistim silinder ini adalah :

dari hukum Fourier diketahui :

Luas bidang aliran kalorArdisubtitusikan ke dalam persamaan diatas, sehingga menjadi :

Jika persamaan terahir diintegrasikan dengan kondisi batast = t0padar = r0,dant = t1padar = r1, 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 kasus ini dapat ditulis :

Dari persamaan diatas dapat kita lihat bahwatahanan termal(R)untuk ketiga lapisan dinding masing masing adalah :

Sehingga Konsep tahanan termal untuk kasus ini adalah sbb :

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ( Overall Heat Transfer Coefficient ).

Pada uraian sebelumnya telah dibahas tentang konduksi kalor pada keadaan tetap. Pada kenyataannya transfer kalor konduksi selalu diawali dengan proses konveksi dan diakhiri dengan proses konveksi pula. Sangatlah jarang proses konduksi terjadi tanpa diawalidan diakhiri dengan proses konveksi. Perhatikan transfer kalor yang terjadi pada suatu dinding datar seperti gambar dibawah ini.

Sisi kiri terdapat fluida panas dan sisi kanan terdapat fluida dingin. Pada sisi kiri terjadi transfer kalor secara konveksi dari fluida panas ke permukaan dinding sebelah kiri akibatnya permukaan dinding sebelah kiri menjadi lebih tinggi temperaturnya dari permukaan dinding sebelah kanan. Karena adanya perbedaan temperatur pada permukaan kanan dan kiri terjadilah transfer panas secara konduksi dari permukaan kiri ke permukaan kanan. Dengan adanya transfer panas dari permukaan kiri ke permukaan kanan menyebabkan temperatur permukaan kanan menjadi lebih panas dari fluida yang ada si sebelah kanan, sehingga terjadilah transfer kalor secara konveksi dari permukaan dinding sebelah kanan ke fluida yang berada disampingnya.

Aliran kalor yang terjadi dari fluida panas ke permukaan dinding sebelah kiri adalah

Aliran kalor dari permukaan dinding kiri ke permukaan dinding kanan adalah

Aliran kalor dari permukaan dinding kanan ke fluida di sebelah kanan yang dingin adalah

Jika ketiga persamaan diatas dijumlahkan pada arah temperatur maka akan menjadi :

Kita ketahui bahwaqA=qB=qC=qdanAA=AB=AC=A.

Sehingga

Maka Aliran kalor dari fluida kiri ke fluida kanan dapat ditulis sbb :

Aliran kalor dari fluida kiri ke fluida kanan adalah hasil gabungan dari proses konduksi dan konveksi boleh dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruhU, yang dirumuskan dalam hubungan

Jika disesuaikan dengan persamaan sebelumnya, koefisien perpindahan kalor menyeluruh adalah

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh untuk sebuah pipa dapat pula ditemukan seperti cara diatas tadi. Perlu diperhatikan bahwa luas permukaan yang menerima kalor pada pipa tidaklah sama untuk ke dua fluida, fluida yang satu luas permukaannya didasarkan pada permukaan dalam pipa dan fluida yang lain didasarkan pada permukaan luar pipa seperti pada gambar.

A=Transfer kalor secara konveksi dari fluida dalam pipa ke permukaan bagian dalam pipa

B=Transfer kalor secara konduksi dari permukaan bagian dalam ke permukaan bagian luar pipa

C=Transfer kalor secara konveksi dari permukaan bagian luar pipa ke udara fluida yang berada di sekitar pipa.

t0=Temperatur fluida dalam pipa

t1=Temperatur permukaan bagian dalam pipa

t2=Temperatur permukaan bagian luar pipa

t3=Temperatur fluida di luar pipa

L=Panjang pipa

r0=Jari jari bagian dalam pipa

r1=Jari jari bagian luar pipa

Aliran kalor yang terjadi dari fluida ke permukaan bagian dalam pipa adalah

Aliran kalor dari permukaan bagian dalam ke permukaan bagian luar adalah

Aliran kalor dari permukaan bagian luar ke fluida di sekeliling pipa adalah

Jika ketiga persamaan diatas dijumlahkan pada arah temperatur maka akan menjadi :

KarenaqA=qB=qC=q, maka :

DimanaA0adalah luas permukaan penerima kalor bagian dalam pipa danA1adalah luas permukaan penerima kalor permukaan luar, sehingga koefisien perpindahan kalor menyeluruh untuk pipa dapat ditulis

Karena luas permukaan penerima kalor berbeda pada bagian dalam dan luar pipa maka koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat didasarkan pada permukaan luar ataupun permukaan dalam dari pipa.

Tebal kritis Isolasi

Sekarang perhatikan suatu lapisan isolasi yang dipasang pada pipa, seperti pada gambar di bawah ini.

Temperatur permukaan bagian dalam isolasit1, sedangkan temperatur permukaan luar isolasit2dan temperatur fluida luar adalaht3. Persamaan untuk aliran kalor pada isolasi adalah :

Sekarang kita olah persamaan ini untuk menentukan jari jari permukaan luar isolasir3agar perpindahan kalor maksimum. Kondisi maksimum adalah :

Yang menghasilkan

Persamaan terakhir ini adalah persamaan untuk jari jari kritis isolasi. Jika jari jari luar kurang dari nilai yang diberikan oleh persamaan ini maka perpindahan kalor akan meningkat dengan penambahan tebal isolasi. Untuk jari jari luar yang lebih dari nilai persamaan ini, pertambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor yang terjadi. Konsep intinya adalah bahwa untuk nilaihyang cukup kecil, rugi kalor konveksi mungkin meningkat karena penambahan tebal isolasi.Contoh Soal Konveksi

Contoh Soal 3

Udara dingin pada temperatur 10C dipaksakan melalui plat tipis yang memiliki temperatur 40C. Koefisien perpindahan kalor (h) = 30 W/(m2. C).Tentukan laju aliran dari plat ke udara mel

alui plat dengan luas permukaan A = 2 m2.

Penyelesaian

Diberikan: Tf= 10C, Tw= 40C, dan h = 30 W/(m2.C).

Kemudian aliran kalor yang melalui luasan A = 2 m2menjadi:

Contoh Soal 4

Udaraatmosfirpadatemperatur10Cmelajudengankecepatan5 m/smelaluitabungberdiameterluar(outside diameter= OD) 1 cmdanpanjang5 mdimanabagianpermukaandipertahankanpadatemperatur110C,sebagaimanadiilustrasikanpadagambardibawah.TentukanlajualirankalordaripermukaantabungkeudaraatmosfirPenyelesaian:

PerpindahankalorpadaluasanAyangberadadibagianpermukaanluartabung

A =p.D.L

=px 0,01 m x 5 m

= 0,05p= 0,157 m2

UntukkonveksipaksayangmelewatidiametertabungD=0,01mdenganVm=5m/s, koefisienperpindahankalordiantarapermukaanluardenganudaraatmosfirsepertiditunjukkandalamtabel1.1dimanah=85W/(m2.C).Persamaan1.3digunakanuntukmenghitung flukskalor,diketahuiTf=10C,Tw=110C,danh=85W/(m2.C),sehinggaqdiperoleh dengan:

q = h(Tw -Tf)

= 85 W/(m2.C) x (110 - 10) C = 8500 W/m2

LajualirankaloryangmelewatiA= 0,05pm2menjadi:

Q =q.A

= 8500 W/m2x 0,05pm2

= 1335,18 W =1,335 kWContoh soal 5

PermukaandalamsebuahlapisanisolasibertemperaturT1= 200CdanpermukaanluarmelepaskankalordengancarakonveksikeudarapadaTf= 20C.Lapisanisolatormemilikiketebalan5 cmdankonduktivitastermalsebesar1,5 W/(m.C).Berapabesarkoefisienperpindahankalorkonveksiminimumpadapermukaanluar,jikatemperaturT2padapermukaanluartidakbolehlebihdari100C?

Penyelesaian:

Kondisidibawahkeadaansteady,untukkeseimbanganenergipadapermukaan,flukskalor konduksiyangmelewatilapisanisolasiharussamadenganflukskalorkonveksidaripermukaanluarkeudara,sepertidiilustrasikanpadagambardisamping,sehinggakitamemiliki:

diberikanT1 = 200C,T2=100C,Tf= 20C,L= 0,05 m, dank= 1,5 W/(m.C), sehingga diperoleh: