laporan termodinamika i

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan

temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu

konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konveksi merupakan perpindahan kalor antara permukaan solid dan

berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan

pengaruh konduksi, atau aliran fluida.

Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai

dengan perpindahan benda. Agar anda lebih memahami perpindahan kalor secara

konveksi, tinjau sebuah kasus, misalnya air yang dipanaskan menggunakan api.

Ketika air di dalam sebuah wadah dipanaskan dengan api, kalor berpindah dari api

(suhu tinggi) ke wadah (suhu rendah) secara konduksi dan radiasi. Selanjutnya

kalor berpindah dari wadah (suhu lebih tinggi) ke air yang berada di dekat wadah

(suhu lebih rendah) secara konduksi. Adanya tambahan kalor menyebabkan suhu

air yang berada di dekat wadah meningkat. Meningkatnya suhu air mengakibatkan

air memuai dan volume air bertambah. Karena volume air bertambah maka massa

jenis air berkurang. Air yang berada di dekat atas wadah mempunyai suhu lebih

tinggi dibandingkan dengan air yang berada di sebelah atasnya. Dengan kata lain,

air yang berada di dekat wadah mempunyai volume lebih besar atau massa

jenisnya lebih kecil, sedangkan air yang berada di sebelah atasnya mempunyai

volume lebih kecil dan massa jenisnya lebih besar.

Pindah panas konveksi merupakan suatu proses pindah panas suatu bahan

yang disentuh oleh perpindahan molekul zat tersebut. Pindah panas konveksi ini

1

2

terjadi pada benda cair dan gas. Adanya panas ini disebabkan karena terjadinya

perubahan massa jenis bahan, dimana semakin tinggi suhu maka massa jenis zat

cair dan gas akan semakin kecil.

Tujuan Praktikum

Untuk menghitung waktu yang diperlukan oleh suatu bahan agar suhunya

menyamai suhu kamar.

3

TINJAUAN PUSTAKA

Yang dimaksud dengan aliran ialah pengangkutan kalor oleh gerak dari zat

yang dipanaskan. Proses perpindahan kalor secara aliran/ konveksi merupakan

satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan.

Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan

permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang

utama (Masyithah, 2006).

Dalam kehidupan sehari-hari maupun proses-proses pengukuran, banyak

hal-hal yang dilakukan dan diterima sebagai sesuatu yang benar dengan tanpa

menyadari bahwa “kebenaran” tersebut sebetulnua adalah perwujudan dari hukum

ke nol ini. Sebagai contoh dalam kehidupan sehari-hari, bila ada dua bejana berisi

air dan keduanya dibiarkan cukup lama di udara sehingga masing-masing

setimbang dengan udara di lingkungan. Kenyataan ini dipertegas jika dilakukan

pengukuran dari apa yang dianggap sebagai “suhu” masing-masing

(Rahayu, 2006).

Pada tahun 1701 Newton menemukan transformasi qc dari suatu

permukaaan solid dari fluida dengan persamaan:

qc = hm.A (tw-t)

dimana hm adalah koefisien transfer panas dari permukaan ke fluida, A adalah luas

penampang dari permukaan, tw adalah temperatur permukaan dari dinding dan t

adalah temperatur bulk dari fluida (McAdam, 1954).

Persamaaan laju untuk transfer panas konvektif pertama kali dinyatakan

oleh Newton pada tahun1701, dan disebut sebagai persamaan laju Newton atau

“hukum” Newton tentang pendinginan. Persamaan ini adalah:

4

q/A = h. ∆T

dimana q adalah laju transfer panas konvektif, A adalah luas daerah normal dan ∆

T adalah beda temperatur antara permukaan dari fluida, h adalah koefisien transfer

panas konvektif (Welty, dkk., 2002).

Kebanyakan dalam bidang teknik yang lebih sering dikenal dengan sains

termal yang mengandung bidang termodinamika dan pindah panas. Prinsip dari

pindah panas ini adalah menyuplai analisis dari termodinamika dimana hanya

terdapat dalam sistem kesetimbangan, dengan tambahan hukum termodinamika

tentang prediksi waktu rata-rata dari energi transfer yang diperbolehkan

(Pitts and Sissam, 1997).

Fourier telah mengamati terjadinya perpindahan energi panas dari media

yang bertemperatur lebih tinggi ke media yang bertemperatur lebih rendah pada

suatu media yang mempunyai perbedaan tingkat temperatur (gradien termal).

Fourier menyatakan bahwa perpindahan panas konduksi (Q) per satuan luas

permukaan berbanding lurus dengan temperatur per satuan panjang

(Sullystyo, 2011).

Dalam menghadapi analisa perpindahan panas secara transient, terdapat

dua besaran tanpa dimensi (dimensionless), yaitu angka fourier dan angka biot,

yang sangat membantu. Angka biot dapat menyatakan besaran tahanan

termal dari suatu benda padat yang mengalami pendinginan (dapat pula

pemanasan) terhadap tahanan termal dari proses pendinginan

(atau pemanasan) dari fluida di sekitarnya. Angka biot dapat didefinisikan dengan

rumus berikut:

Bi = h . Lc

k solid

5

dimana Lc adalah panjang karakteristik dari suatu benda, serta dapat pula

didefinisikan sebagai rasio dari volume suatu benda terhadap luas permukaan

yang terbuka (exposed) (Perdana, 2008).

Variabel penting selanjutnya adalah angka Fourier, yang merupakan

parameter waktu tanpa dimensi (dimensionless). Angka ini menyatakan kecepatan

konduksi (rate of conduction) dalamn suatu benda padat secara relatif terhadap

kecepatan penyimpanan termal (rate of the thermal). Angka fourier didefinisikan

dengan:

Fo = ∝. t

Lc2

Dimana adalah tingkat penyebaran panas serta setara dengan = K/.c

(Perdana, 2008).

6

BAHAN DAN METODE

Waktu dan Tempat Praktikum

Adapun praktikum ini dilaksanakan pada hari Rabu, 8 Mei 2013 pada

pukul 15.00 WIB sampai selesai di Laboratorium Termodinamika dan Pindah

Panas Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas

Sumatera Utara.

Bahan dan Alat

Adapun bahan yang digunakan dalam praktikum adalah tempe dan apel

sebagai bahan yang akan diuji untuk menentukan lama waktu yang diperlukan

untuk kembali ke suhu kamar dan air digunbakan sebagai fluida dalam pindah

panas konveksi.

Adapun alat yang digunakan dalam praktikum adalah termometer untuk

mengukur suhu, heater untuk memanaskan air dan bahan yang diuji,penjepit untuk

mengambil bahan yang dimasukkan ke dalam air mendidih, stopwatch untuk

menghitung waktu, kalkulator fx-3600 untuk menghitung dan menentukan waktu

menggunakan metode estimasi, pisau untuk memotong bahan, jangka sorong

untuk mengukur ketebalan bahan, penggaris untuk mengukur diameter bahan, alat

tulis untuk menulis data, tali plastik sebagai pengikat termometer, cok sambung

sebagai tempat untuk menghubungkan steker heater ke sumber listrik, dan kertas

grafik untuk menentukan waktu metode grafik.

Prosedur Praktikum

- Diukur suhu ruangan dan dipotong apel dan tempe dengan bentuk

lingkaran dengan diameter 6,5 cm dan tebal 1 cm masing-masing 3 buah

- Dimasukkan air ke dalam heater, kemudian dididihkan sampai suhu 100C

7

- Dimasukkan bahan tersebut ke dalam heater yang telah berisi air

mendidih, ditunggu selama 15 menit

- Diangkat bahan tersebut, kemudian diukur suhu bahan pada waktu 0

menit, 5 menit, 10 menit, dan 15 menit

- Dicari waktu yang dibutuhkan bahan tersebut untuk kembali ke suhu

kamar menggunakan metode estimasi dan metode grafik.

Metode estimasi:

1. Mode 2

2. Inv AC

3. Waktu 0 menit (... suhu RUN

Waktu 5 menit (... suhu RUN

Waktu 10 menit (... suhu RUN

Waktu 15 menit (... suhu RUN suhu ruangan Inv ...)

Metode Grafik:

1.Ts−¿T 1−¿

2. L = ½ x

3. 1/Bi = k / h. L

4. Fo = .t/ L2

8

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil

Tabel Hasil Percobaan Tempe

Ulangan To X Waktu(F) (ft) 0 5 10 15

I 86,9

0,19 156,2 120,2 109,4 95

II 86,9

0,19 149 127,4 105,8 98,6

III 86,9

0,19 156,2 131 107,6 100,4

Rata-rata 86,9

0,19 153,8 126,2 107,6 98

Tabel Hasil Percobaan Apel

Ulangan To X Waktu(F) (ft) 0 5 10 15

I 86,9

0,19 158 114,8 105,8 95

II 86,9

0,19 150,8 113 98,6 91,4

III 86,9

0,19 154,4 109,4 98,6 93,2

Rata-rata 86,9

0,19 154,4 112,4 101 93,2

Perhitungan

- Suhu awal ruangan= 30,5 C = (9/5.30,5) + 32 = 86,9 F

- Diameter (x) = 6 cm = 6.10-2 m x 3,281 = 0,1968 ft

- Suhu tempe pada 0 menit

a. Ulangan I = 69 C = (9/5.69) + 32 = 156,2 F

b. Ulangan II = 65 C = (9/5.65) + 32 = 149 F

c. Ulangan III = 69 C = (9/5.69) + 32 = 156,2 F


9

a. Ulangan I = 49 C = (9/5.49) + 32 = 120,2 F

b. Ulangan II = 53 C = (9/5.53) + 32 = 127,4 F

c. Ulangan III = 55 C = (9/5.55) + 32 = 131 F


a. Ulangan I = 43 C = (9/5.43) + 32 = 109,4 F

b. Ulangan II = 41 C = (9/5.41) + 32 = 105,8 F

c. Ulangan III = 42 C = (9/5.42) + 32 = 107,6 F


a. Ulangan I = 35 C = (9/5.35) + 32 = 95 F

b. Ulangan II = 37 C = (9/5.37) + 32 = 98,6 F

c. Ulangan III = 38 C = (9/5.38) + 32 = 100,4 F

- Suhu apel pada 0 menit

a. Ulangan I = 70 C = (9/5.70) + 32 = 158 F

b. Ulangan II = 66 C = (9/5.66) + 32 = 150,8 F

c. Ulangan III = 68 C = (9/5.68) + 32 = 154,4 F


a. Ulangan I = 46 C = (9/5.46) + 32 = 114,8 F

b. Ulangan II = 45 C = (9/5.45) + 32 = 113 F

c. Ulangan III = 43 C = (9/5.43) + 32 = 109,4 F


a. Ulangan I = 41 C = (9/5.41) + 32 = 105,8 F

b. Ulangan II = 37 C = (9/5.37) + 32 = 98,6 F

c. Ulangan III = 37 C = (9/5.37) + 32 = 98,6 F


10

a. Ulangan I = 35 C = (9/5.35) + 32 = 95 F

b. Ulangan II = 33 C = (9/5.33) + 32 = 91,4 F

c. Ulangan III = 34 C = (9/5.34) + 34 = 93,2 F

- Metode Estimasi Tempe

a. Mode 2

b. Inv AC

c. Waktu 0 menit (... 153,8 RUN

Waktu 5 menit (... 126,2 RUN


Waktu 15 menit (... 98 RUN suhu ruangan 86,9 Inv ...)

d. Waktu = 16,77 menit : 60 = 0,2795 jam

- Metode Estimasi Apel

a. Mode 2

b. Inv AC

c. Waktu 0 menit (... 154,4 RUN


Waktu 10 menit (... 101 RUN

Waktu 15 menit (... 93,2 RUN suhu ruangan 86,9 Inv ...)

d. Waktu = 14,76 menit : 60 = 0,246 jam

- Metode Grafik

a. Tempe

Ts−¿T 1−¿

= 98−86,9

153,8−86,9 = 11,1

66,9 = 0,165

L = ½ x = ½ (0,19 ft) = 0,095 ft

1/Bi = k / h.L

11

=

0,339BTU

hr ft F

10BTU

hr ft2 F. (0,095 ) ft

= 0,358

Fo = ∝ . t

L2

0,5 = 5,44.10−3 ft /hr (t )

(0,095)2 ft

0,004512 ft2 = 5,44.10-3 ft/hr (t)

t = 0,0045125

5,44.10−3 = 0,829 jam

b. Apel

Ts−¿T 1−¿ =

93,2−86,9154,4−86,9 =

6,367,5 = 0,093

L = ½ x = ½ (0,19) = 0,095 ft

1/Bi = k / h.L

=

0,339BTU

hr ft F

10BTU

hr ft2 F. (0,095 ) ft

= 0,358

Fo = ∝ . t

L2

0,6 = 5,44.10−3 ft /hr (t )

(0,095)2 ft

0,005415 ft2 = 5,44.10-3 ft/hr (t)

t = 0,005415

5,44.10−3 = 0,995 jam

12

Pembahasan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, diperoleh suhu ruangan 86,9

F dan suhu tempe setelah dikeluarkan dari air mendidih selama 15 menit pada

waktu 0 menit yaitu 153,8 F, 5 menit rata-rata 126,2 F, 10 menit rata-rata 107,6

F, dan 15 menit rata-rata 98 F. Pada apel diperoleh waktu 0 menit rata-rata suhu

154,4 F, pada waktu 5 menit rata-rata 112,4 F, pada waktu 10 menit rata-rata 101

F dan 15 menit rata-rata 93,2 F. Dengan metode estimasi diperoleh waktu tempe

0,2795 jam dan waktu apel 0,246 jam, sedangkan metode grafik diperoleh waktu

tempe 0,829 jam dan waktu apel 0,995 jam.

Pindah panas konveksi adalah perpindahan panas yang disertai dengan

perpindahan zat perantaranya. Perpindahan panas secara konveksi terjadi melalui

aliran zat. Hal ini sesuai dengan literatur Masyithah (2006) yang menyatakan

bahwa proses perpindahan kalor secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena

permukaan.

Adapun faktor-faktor yang memengaruhi konveksi pada suatu sistem

adalah massa jenis fluida, suhu fluida, dan viskositas fluida itu sendiri, serta luas

penampang. Hal ini sesuai dengan literatur McAdam (1954) yang menyatakan A

13

adalah luas penampang dari permukaan, tw adalah temperatur permukaan dari

dinding dan t adalah temperatur bulk dari fluida.

Adapun rumus yang dipakai dalam menghitung waktu dengan metode

grafik adalah 1/Bi = k / h.L dan Fo = .t/L2 dimana k adalah konduktivitas, L

adalah jari-jari, dan t adalah waktu yang diperlukan untuk kembali ke suhu

normal. Hal ini sesuai dengan literatur Welty, dkk. (2002) yang menyatakan

bahwa persamaan laju Newton tentang pendinginan memiliki persamaan q/A = h.

∆T dimana q adalah laju transfer panas konvektif, A adalah luas daerah normal

dan ∆T adalah beda temperatur antara permukaan dan fluida, h adalah koefisien

transfer panas konvektif.

Aplikasi konveksi dalam kehidupan sehari-hari adalah dalam bidang

blanching yaitu bidang pewarnaan kain, memasak air, dan lain-lain yang berkaitan

dengan pemanasan zat yang mengalir. Hal ini sesuai dengan literatur Pitts and

Sissam (1997) yang menyatakan bahwa kebanyakan dalam bidang teknik yang

lebih sering dikenal dengan sains termal yang mengandung bidang termodinamika

dan pindah panas.

Adapun dalam menentukan waktu yang dibutuhkan suatu bahan untuk

kembali ke suhu kamar dikenal adanya angka Biot dan angka Fourier. Adapun

angka biot adalah angka yang menyatakan besaran tahanan termal dari proses

pendinginan dari fluida di sekitarnya, sedangkan angka fourier adalah angka yang

menyatakan kecepatan konduksi terhadap kecepatan penyimpanan termal. Hal ini

sesuai dengan literatur Perdana (2008) yang menyatakan bahwa dalam

menghadapi analisa perpindahan panas secara transient, terdapat dua besaran

tanpa dimensi, yaitu angka biot dan angka fourier.

14

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

1. Berdasarkan percobaan yang dilakukan, diperoleh waktu tempe dan apel

kembali ke suhu kamar metode estimasi adalah 0,2795 jam dan 0,246 jam,

sedangkan metode grafik diperoleh waktu tempe sebesar 0,829 jam dan

apel 0,995 jam.

2. Pindah panas konveksi adalah perpindahan panas yang disertai dengan

perpindahan zat perantaranya.

3. Faktor-faktor yang memengaruhi konveksi suatu sistem adalah massa

jenis, suhu, viskositas fluida, dan luas penampang.

4. Rumus yang dipakai untuk menghitung waktu dengan metode grafik

adalah 1/Bi = k / h.L dan Fo = .t/ L2 dengan t adalah waktu yang

diperlukan suatu bahan untuk kembali ke suhu ruangan.

5. Aplikasi konveksi dalam kehidupan sehari-hari adalah dalam blanching,

memasak air, dan hal-hal lain yang berkaitan dengan pemanasan zat yang

mengalir.

15

6. Angka biot adalah angka yang menyatakan besaran tahanan termal dari

proses pendinginan dari fluida disekitarnya, sedangkan angka fourier

adalah angka yang menyatakan kecepatan konduksi terhadap kecepatan

penyimpanan termal.

Saran

1. Disarankan praktikan selanjutnya agar mengukur suhu bahan secara teliti.

2. Disarankan praktikan selanjutnya agar lebih teliti menghitung rumus yang

ada dan dalam menggambar grafik.

DAFTAR PUSTAKA

Masyithah, Z., 2006. Perpindahan Panas. USU Press, Medan.

McAdam, W.H., 1954. Heat Transmission. McGraw-Hill Kogakusha, Tokyo.

Perdana, A., 2008. Analisis Balik Ledakan Pada Struktur Baja. http://lontar.ui.ac.id. [10 Mei 2013].

Pitts, D.R. and L.E. Sissam, 1997. Theory and Problems of Heat Transfer. McGraw-Hill, New York.

Rahayu, S.I., 2006. Termodinamika. Penerbit ITB, Bandung.

Sullystyo, 2002. Penerapan Hukum Fourier Untuk Menentukan Konduktivitas Panas Batuan. http://eprints.undip.ac.id. [10 Mei 2013].

Welty, J.R., C.E. Wicks, R.E. Wilson, dan G.L. Rorrer, 2001. Dasar-Dasar Fenomena Transport. Erlangga, Jakarta.

laporan termodinamika i

Documents