BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Jika benda panas disentuhkan dengan benda dingin maka tak lama

kemudian suhu benda panas turun sedangkan suhu benda dingin naik. Hal ini

terjadi karena benda panas memberikan kalor kepada benda dingin. Jadi, kalor

berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Di

dalam industri proses kimia masalah perpindahan energi atau panas adalah hal

yang sangat banyak dilakukan.

Sebagaimana diketahui bahwa perpindahan panas dapat terjadi melalui

tiga cara, dimana mekanisme perpindahan panas itu sendiri berlainan adanya.

Adapun perpindahan panas tersebut dapat dilakukan dengan :

1) Secara molekuler, yang disebut dengan konduksi.

2) Secara aliran yang disebut dengan perpindahan konveksi.

3) Secara gelombang elektromagnetik yang disebut dengan radiasi.

Pada percobaan kali ini, kita khusus membahas mengenai perpindahan

kalor atau panas secara konduksi saja. Konduksi adalah proses perpindahan panas

tanpa disertai dengan perpindahan partikel. Dimana pada peristiwa konduksi

melibatkan pertukaran energi secara langsung antara substansi-substansi molekul

yang terdiri dari temperatur yang berbeda. Konduksi dapat terjadi di dalam fase

gas, liquid, ataupun padatan. Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi

dalam dua proses :

1) Pemanasan pada satu ujung zat menyebabkan partikel-partikel pada ujung itu

bergetar lebih cepat dan suhunya naik, atau energi kinetiknya bertambah.

Partikel-partikel yang energi kinetiknya lebih besar ini memberikan sebagian

energi kinetiknya kepada partikel-partikel tetangganya melalui tumbukan

sehingga partikel-partikel ini memiliki energi kinetik lebih besar.

Selanjutnya, partikel-partikel ini memberikan sebagian energi kinetiknya ke

partikel-partikel tetangga berikutnya. Demikian seterusnya sampai kalor

mencapai mencapai ujung yang dingin (tidak dipanasi). Proses perpindahan

kalor dengan cara ini berlangsung lambat karena diperlukan beda suhu yang

tinggi di antara kedua ujung untuk meindahkan lebih banyak kalor.

2) Dalam logam, kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebas yang

terdapat dalam struktur atom logam. Oleh karena elektron bebas mudah

berpindah, pertambahan energi dengan cepat dapat diberikan ke elektron-

elektron lain yang letaknya berjauhan melalui tumbukan. Dengan cara ini

kalor berpindah lebih cepat. Oleh karena itu, logam tergolong konduktor

yang sangat baik.

Joseph Fourier adalah seorang ahli physicist matematika dari Perancis

yang telah mempelajari proses perpindahan panas secara konduksi. Pada tahun

1822 Joseph Fourier telah merumuskan humunya yang berkenaan dengan

konduksi. Banyak faktor yang mempengaruhi peristiwa konduksi. Diantaranya

adalah pengaruh luas penampang yang berbeda, pengaruh geometri, dan lain-lain.

Kesulitan untuk membuktikan penerapan hukum Fourier untuk berbagai variasi

kondisi menjadi latar belakang dari percobaan Heat Conduction ini.

1.2. Tujuan

1) Untuk mengetahui panas konduksi sepanjang composite bar dan menghitung

koefisien perpindahan panas overall.

2) Mengetahui prinsip dan cara kerja Heat Conduction Apparatus.

3) Mengetahui cara menghitung konduktivitas termal suatu material.

4) Untuk mengetahui penerapan hukum Fourier untuk konduksi linear atau

radial pada material logam.

1.3. Permasalahan

1) Bagaimanakah pengaruh perubahan cross sectional area pada profil

temperatur dan termasuk untuk menghitung koefisien perpindahan panas

overall untuk masing-masing sistem konduksi.

2) Bagaimanakah mekanisme konveksi sebagai perpindahan panas pada liquid

atau gas melalui gerakan molekul. dan pengaruh perbedaan temperatur.

3) Bagaimana mengetahui pengaruh perubahan cross sectional area pada profil

temperatur dan juga bagaimana cara menghitung koefisien perpindahan panas

overall untuk masing-masing konduksi.

4) Bagaimanakah kesesuaian antar Q supply dengan Q hasil perhitungan dari

rumus Fourier, mulai dari peristiwa konduksi untuk satu jenis logam sampai

untuk komposisi logam.

1.4. Manfaat

Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari percobaan ini adalah :

1) Untuk mengetahui dan membuktikan aplikasi dari hukum Fourier pada sistem

konduksi.

2) Dapat memahami prinsip kerja alat heat conduction apparatus.

3) Untuk mengetahui faktor-faktor yang dapat mempengaruhi perpindahan

panas suatu bahan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan Panas Secara Umum

Perpindahan panas merupakan ilmu yang mempelajari tentang laju

perpindahan panas diantara material atau benda dikarenakan adanya perbedaan

suhu (panas dan dingin). Dimana panas akan mengalir dari tempat yang

bertemperatur lebih tinggi ke tempat yang bertemperatur lebih rendah. Manfaat

dari ilmu transfer panas atau perpindahan panas ini antara lain :

1) Untuk merencanakan alat-alat penukaran panas (heat exchanger).

2) Untuk menghitung kebutuhan media pemanas atau pendingin pada suatu

reboiler ataupun kondensor dalam kolom destilasi.

3) Untuk menghitung furnace/dapur dengan mengunakan prinsip radiasi.

4) Untuk perancangan ketel uap/boiler.

5) Untuk perancangan alat-alat penguap (evaporator).

6) Untuk perancangan reaktor kimia.

Terdapat tiga macam cara transfer energi, yaitu konduksi (hantaran),

konveksi, dan radiasi (sinaran). Semua proses transfer panas memerlukan satu

atau lebih dari tiga tipe transfer energi tersebut. Perpindahan panas biasanya

terjadi dari objek dengan suhu tinggi ke objek dengan suhu yang lebih rendah.

Perpindahan panas mengubah energi dalam dari kedua sistem yang terlibat sesuai

dengan Hukum Pertama Termodinamika.

2.1.1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas dengan cara agitasi molekul dalam

suatu material tanpa gerak materi secara keseluruhan. Jika salah satu ujung batang

logam dipanaskan, maka energi akan ditransfer ke bagian batang yang bersuhu

rendah karena kecepatan partikel yang lebih tinggi akan bertabrakan dengan yang

lebih lambat melalui transfer energi bersih. Konduksi merupakan satu – satunya

mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus

cahaya.

2.1.2. Panas Konveksi

Konveksi adalah transfer panas oleh gerak massa suatu fluida seperti

udara atau air ketika cairan dipanaskan disebabkan menjauh dari sumber panas,

membawa energi dengan itu. Konveksi di atas permukaan yang panas terjadi

karena udara panas mengembang, menjadi kurang padat, dan naik (lihat Hukum

Gas Ideal).

Gambar 2.2. Aliran transfer panas secara konveksi

(Sumber: John Wiley, 1994)

Konveksi juga dapat menyebabkan sirkulasi dalam cairan, seperti dalam

pemanasan panci air di atas api. Air dipanaskan mengembang dan menjadi lebih

ringan. Cooler, air lebih padat dekat turun dan pola sirkulasi permukaan dapat

dibentuk, meskipun mereka tidak akan teratur seperti yang disarankan dalam

gambar. Sel-sel konveksi yang terlihat dalam minyak goreng yang dipanaskan

dalam panci, ini termasuk peristiwa konveksi. Pemanasan minyak menghasilkan

perubahan dalam indeks bias minyak, membuat batas-batas sel terlihat, pola

bentuk sirkulasi, dan mungkin struktur dinding seperti yang terlihat adalah batas-

batas antara pola sirkulasi.

Konveksi memainkan peran utama dalam mengangkut energi dari pusat

Matahari ke permukaan dan dalam gerakan magma panas di bawah permukaan

bumi. Permukaan yang terlihat dari Matahari (fotosfer) memiliki penampilan

granular dengan dimensi khas dari granul menjadi 1000 kilometer. Granular

digambarkan sebagai sel konveksi yang mengangkut panas dari bagian dalam

matahari ke permukaan.

Gambar 2.3. Aliran konveksi

(Sumber: Ahmad Anbari, 2012)

2.1.3. Radiasi

Radiasi merupakan perpindahan panas yang terjadi karena

pancaran/sinar/radiasi gelombang elektromagnetik, tanpa memerlukan media

perantara (media perantaranya berupa ruang hampa). Dasar dari proses Radiasi ini

adalah Hukum Stefan-Boltzman. Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk

perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik.

Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak ditransformasikan menjadi

kalor atau bentuk-bentuk lain energi, dan ia tidak pula akan terbelok dari

lintasannya. Tetapi, sebaliknya bila terdapat zat pada lintasannya, radiasi itu akan

mengalami transmisi (diteruskan), refleksi (dipantulkan), dan absorpsi (diserap).

Hanya energi yang diserap itu saja yang muncul sebagai kalor, dan transformasi

itu bersifat kuantitatif.

Sebagai contoh, kuarsa lebur akan meneruskan hampir semua radiasi

yang menimpanya: permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan

sebagian besar radiasi yang jatuh padanya. Sedangkan permukaan hitam atau yang

tidak mengkilap akan menyerap kebanyakan radiasi yang diterimanya, dan

mengubah energi yang diserapnya itu secara kuantitatif menjadi kalor.

Perpindahan panas pada suatu medium, tidak mungkin terjadi hanya dengan cara

konduksi, tetapi juga terjadi secara konveksi. Hal ini terjadi karena sifat molekul,

atom ataupun elektron bebas yang selalu bergerak. Jadi apabila suatu bahan

dipanasi maka akan terjadi perpindahan panas secara konduksi dan konveksi dari

ujung yang dipanasi ke ujung yang lebih kecil temperaturnya. Profil perpindahan

panas pada medium tersebut akan mengakibatkan adanya fluks panas.

2.2. Konduksi pada keadaan tetap (steady state)

2.2.1. Konduksi pada sistem radial

Perhatikan gambar suatu silinder dengan panjang L dan radius bagian

dalam r0 , radius luar r1. Temperatur bagian dalam silinder t0 dan bagian luar t1,

sehingga beda temperatur adalah t1 – t0 .

Gambar 2.4. Analisa elemen volume pada silinder

(Sumber: John Wiley, 1994)

Diasumsikan kalor mengalir pada arah radial, luas bidang aliran kalor

dalam sistim silinder ini adalah :

Ar= 2π rL…………………………(2.1)

Keterangan :

Ar = luas bidang aliran kalor (m2)

r = jari-jari silinder (m)

L = panjang silinder (m)

Dari  hukum Fourier diketahui :

qr = -kAr dTdx

....................................(2.2)

Keterangan :

qr = laju perpindahan (W/m2)

k = konduktivitas termal benda (W/mK)

dTdx = gradien temperatur ke arah perpindahan kalor

Ar = luas bidang aliran kalor (m2)

Luas bidang aliran kalor Ar disubtitusikan kepersamaan diatas, sehingga menjadi:

qr = -k 2π r2LdTdx

…………………………(2.3)

Keterangan :

qr = laju perpindahan (W/m2)

k = konduktivitas termal benda (W/mK)

r = jari-jari silinder (m)

L = panjang silinder (m)

dTdx = gradien temperatur ke arah perpindahan kalor

2.2.2. Perpindahan Panas Konduksi

Panas berpindah secara konduksi bila terdapat gradien suhu pada suatu

benda sehingga terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian

yang bersuhu lebih rendah (Lienhard, 2004:4). Dapat dikatakan bahwa energi

berpindah secara konduksi atau hantaran karena medium yang dilewati adalah

padat. Laju perpindahan panas tersebut berbanding dengan gradient suhu normal

dan berlaku hukum fourier (Holman, 1986:3). Konduksi pada dinding satu

dimensi yang memiliki distribusi temperatur T(x), maka hukum fourier dapat

dinyatakan dalam persamaan:

q=−kdTdx

……………………………..(2.4)

Keterangan :

q = laju perpindahan (W/m2)

k = konduktivitas termal benda (W/mK)

dTdx = gradien temperatur ke arah perpindahan kalor

Fluks panas qx (W/m2) adalah nilai perpindahan panas yang searah

dengan sumbu x per satuan luas sepanjang garis lurus arah perpindahan dan sesuai

dengan gradien temperatur dT/dx. Tanda minus (-) menyatakan bahwa

perpindahan panas selalu mengarah pada suhu yang lebih rendah. Pada konduksi

steady-state yang diperlihatkan Gambar 2.5. dimana distribusi suhu adalah linier,

gradient suhu dan fluks panas dapat dinyatakan dengan persamaan :

dTdx

=T 2−T 1

Ldan qx=−k

T 2−T1

L……………. (2.5)

Keterangan :

dTdx = gradien temperatur ke arah perpindahan kalor

T2 = temperatur akhir (K)

T1 = temperatur awal (K)

L = panjang silinder (m)

Maka persamaan di atas dapat ditulis:

qx=−kT 2−T1

L=−k

∆ TL

.... (2.6)

Keterangan :

qr = laju perpindahan (W/m2)

k = konduktivitas termal benda (W/mK)

T2 = temperatur akhir (K)

T1 = temperatur awal (K)

∆ T = perbedaan temperatur (K)

L = panjang silinder (m)

dTdx = gradien temperatur ke arah perpindahan kalor

Fluks panas dinyatakan oleh persamaan (2.6) yaitu nilai panas per satuan

luas, oleh karena itu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. nilai panas karena

konduksi qx (W) sepanjang permukaan dinding dengan luas A menghasilkan fluk

sebesar qxA dan persamaan (2.6) menjadi :

qx=−kAT 2−T 1

L=−kA

∆ TL

.....(2.7)

Keterangan :

qx = nilai panas konduksi (W/m2)

k = konduktivitas termal benda (W/mK)

A = luas daerah (m2)

T2 = temperatur akhir (K)

T1 = temperatur awal (K)

L = panjang silinder (m)

∆ T = perbedaan temperatur (K)

Gambar 2.5. Analisa elemen volume pada dimensi kubus

(Sumber: John Wiley, 1994)

Volume material untuk analisis konduksi panas satu dimensi (Holman,

1986:3). Aliran energi pada materi dengan ketebalan dx dapat dibuat ketika suhu

berubah menurut waktu dan terdapat sumber panas dalam zat ( material) seperti

diperlihatkan pada Gambar 2.5. Energi dihantarkan di sisi kiri ditambah energi

yang dibangkitkan dalam unsur tersebut sama dengan perubahan energi dalam

(internal energy) ditambah energi yang dihantarkan ke luar unsur itu melalui sisi

kanan.

Energi di sisi kiri dinyatakan dengan q=−k AdTdx

 , sedangkan energi

yang dibangkitkan dalam unsur adalah ˙qAdx dan perubahan energi dalam adalah

ρcAdTdT

dx. Notasi q̇ adalah energi yang dibangkitkan per satuan volume (W/m2),

c adalah  panas jenis bahan (J/kgºC) dan ρ  menyatakan kerapatan bahan (kg/m3). 

2.3. Sifat-sifat Bahan

Konduktivitas termal atau disebut juga daya hantar panas merupakan

sifat bahan yang menunjukan seberapa cepat bahan itu dapat menghantarkan

panas konduksi. Dalam fluida, pertukaran energi utamanya dengan tabrakan

langsung. Pada solid, mekanisme utama adalah vibrasi molekular. Konduktor

listrik yang baik juga merupakan konduktor panas yang baik pula. Pada umumnya

nilai k dianggap tetap, namun sebenarnya nilai k itu sendiri dipengaruhi oleh

faktor suhu (T).

Ada 2 macam tipe konduktivitas termal berdasarkan daya

menghantarkan panasnya, yaitu :

1) Konduktor merupakan bahan yang mempunyai konduktivitas yang baik.

2) Isolator merupakan bahan yang mempunyai konduktivitas yang jelek atau

kurang baik

Sifat-sifat bahan terdiri dari beberapa jenis, yaitu:

1) Konduktivitas thermal zat padat

Konduktivitas thermal logam dalam fase padat yang diketahui komposisinya

dan hanya tergantung pada suhu saja. Konduktivitas thermal logam dalam

jangkauan suhu yang cukup luas biasanya dinyatakan dengan rumus:

K = Ko (1+ b + C2)

Keterangan :

= T – T rujukan

Ko = konduktivitas pada suhu rujukan T rujukan

Konduktivitas termal bahan homogen biasanya sangat bergantung pada

aparent bulk density, yaitu massa bahan dibagi dengan volume total.

2) Konduktivitas termal zat cair

Dalam hal ini k bergantung pada suhu, tetapi tidak peka terhadap tekanan.

Konduktivitas thermal kebanyakan zat cair berkurang bila suhu makin tinggi,

kecuali air dimana k bertambah sampai 300oF dan berkurang pada suhu yang

lebih tinggi. Air mempunyai konduktivitas thermal paling tinggi diantara

semua zat cair, kecuali logam cair.

3) Konduktivitas termal gas

Konduktivitas termal gas bertambah jika suhu makin tinggi tetapi pada

tekanan di sekitar tekanan atmosfir. Konduktivitas termal gas berkurang jika

suhu menurun tetapi pada tekanan di sekitar atmosfir. Konduktivitas termal

gas tidak tergantung pada besarnya tekanan. Dua gas yang sangat penting

ialah udara dan uap air.

4) Konduksi Steady State pada one dimensional

Kondisi steady state adalah suatu keadaan dimana variabel-variabel yang ada

pada suatu sistem tidak berubah. Pada tekanan steady state kita mengabaikan

tambahan kerja dan sistem tidak dapat berubah.

Dengan kata lain, Penambahan panas pada sistem harus seimbang

dengan panas yang hilang. Istilah one dimensional berarti bahwa sistem variabel

seperti t, hanya berbeda pada satu dimensi atau spasi koordinat, dinotasikan

dengan x. Kasus-kasus persaman konduksi, antara lain:

1) Persamaan Fourier (tanpa konversi energi dalam) :

∂T∂ x

+ ∂T∂ y

+∂ T∂ z

= 1α

∂T∂ t

2) Persamaan Poison (keadaan steady state dengan konversi energi) :

∂T∂ x

+∂T∂ y

+∂ T∂ z

=0

3) Persamaan Laplace (keadaan steady state tanpa konversi energi dalam) :

∂T∂ x

+ ∂T∂ y

+ ∂ T∂ z

+ qk=0

2.4. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas

Karakteristik alat perpindahan panas dipengaruhi oleh beberapa faktor,

antara lain:

a) Jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya

b) Laju alir fluida

c) Tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)

d) Letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas

tersebut.

Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi

bahwa dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik,

energi potensial, dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-

suku lain dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar

kalor:

Q= m ( Hb - Ha )

Keterangan :

m = laju aliran massa dalam arus tersebut

q =

Qt = laju perpindahan kalor ke dalam arus

Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.

Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan

asumsi, salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke

udara sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke

udara sekitar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga

kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui

dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin.

2.5. Indirect Contact

Pengertian dari Indirect Contact yaitu panas pada dinding yang menuju

fluida, selain itu juga didalam peristiwa ini timbul pula energi difisasi yaitu energi

yang ditambahkan terhadap fluida yang perpindahan panasnya mengalir

tergantung pada median pipanya. Di dalam ilmu teknik kimia, median pemanas

tersebut terdiri dari tiga bagian, yaitu :

1) Panas Laten (Constant Wall Temperature)

Merupakan panas yang ada di pipa sama secara keseluruhan (konstan dimana-

mana), temperatur konstan, tetapi terjadi perubahan fase.

2) Panas Sensibel (Linier Wall Temperature)

Dimana yang terjadi adalah temperatur didalam pipa berbeda/berubah dan

tidak terjadi perubahan fase.

3) Energi Listrik (Constant Wall Heat Flux)

Panas yang ditimbulkan oleh listrik pada dindingnya (pipa) menimbulkan

pipa menjadi panas yang sama.

2.6. Definisi Heat Exchanger

Heat exchanger adalah peralatan yang didesain untuk transfer panas yang

efisien dari suatu fluida ke fluida lain dan umum digunakan dalam proses kimia.

Beberapa contoh penggunaan di pabrik antara lain sebagai berikut:

a) Intercoolers

b) Preheaters

c) Boilers

d) Condensers

Dengan mengaplikasikan hukum Termodinamika I pada heat exchanger

dalam kondisi steady state, maka kita dapatkan :

∑mi . ∆ hi = 0

Keterangan :

Mi = aliran massa fluida ke-i

∆ hi = perubahan specific enthalpy fluida ke-i

Ada beberapa tipe heat exchanger, antara lain :

a) Tipe Recuperative, pertukaran panas fluida melalui sisi dinding pembatas

antara fluida panas dan dingin.

b) Tipe Regenerative, fluida panas dan dingin direaksikan dalam ruang yang

sama yang mengandung material yang dapat dijadikan sumber aliran panas.

c) Tipe Evaporative, seperti halnya cooling tower dimana liquid didinginkan

secara evaporasi dalam ruang yang sama dengan zat pendingin (coolant).

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Alat dan Bahan

3.1.1. Alat

1) Power supply

2) Stavolt

3) Heat Conduction Apparatus

4) Linear module dan Radial module

5) Pompa

6) Ember

3.1.2. Bahan

1) Air pendingin

2) Contoh material : Kuningan besar [A], Kuningan Kecil [B], dan Stainless

steel [C]

3.2. Prosedur Percobaan

1) Rangkailah alat.

2) Hidupkan power supply.

3) Atur panas (watt-meter) sesuai yang dikehendaki untuk sistem linear atau

sistem radial.

4) Catatlah temperatur masuk air pendingin ketika power supply dihidupkan.

5) Catatlah harga-harga temperatur yang terbaca untuk T1, T2 sampai dengan T9

untuk sistem linear dan T1, T2, T3, T7, T8, dan T9 untuk sistem radial, untuk

harga panas (watt-meter) stabil seperti yang dikehendaki. Catatan :

Pembacaan temperatur T1 sampai T9 dilakukan dengan memutar temperatur

selector switch.

6) Ulangi langkah 1 sampai 5 terhadap masing-masing jenis logam A, B, dan C

untuk setiap variasi sistem.