BAB I PENDAHULUANI.1 Latar BelakangPemanasan global merupakan fenomena pemanasan permukaan bumi, yang dipicu oleh keberadaan gas rumah kaca di atmosfer. Efek rumah kaca berkorelasi dengan adanya perubahan temperatur global. Jika tidak ada gas rumah kaca di atmosfer maka temperatur bumi akan berada di bawah -18 oC. Perubahan temperatur yang terjadi akan mempengaruhi perubahan curah hujan, karena perubahan temperatur akan mempengaruhi panas permukaan dan perubahan tekanan yang dapat menyebabkan peningkatan ataupun penurunan aktivitas konveksi di atmosfer.

Gas Rumah Kaca adalah gas-gas yang menyerap radiasi matahari dan memantulkannya kembali ke bumi sehingga terjadi peningkatan panas di bumi. Gas-gas rumah kaca antara lain, karbondioksida, metana, nitrous oksida,dll. Ketika radiasi matahari dipancarkan ke bumi sebagian besar energinya (45%) diradiasikannya kembali ke angkasa. Namun gas rumah kaca yang ada di atmosfer akan menyerap pantulan radiasi matahari tersebut. Fenomena ini seiring disebut dengan efek gas rumah kaca. Akibat adanya efek gas rumah kaca tersebut telah memicu peningkatan temperatur udara bumi secara global dari tahun ke tahun secara signifikan. Fenomena ini di kenal pemanasan global.

Pemanasan global yang terjadi merupakan proses terjadinya konveksi alami dimana suhu permukaan bumi yang naik ini dapat di rasakan oleh setiap makhluk hidup. Panas yang ditimbulkan ini sangat mempengaruhi aktivitas manusia di bumi, dalam kehidupan sehari- hari misalnya dalam menjemur pakaian atau bahan laennya pengeringan yang terjadi sangat cepat akibat temperatur bumi yang menaik di bandingkan masa lalu pengeringan dapat membutuhkan waktu yang sedikit lama.

I.2 Rumusan MasalahAdapun rumusan masalah dalam makalah ini adalah:

Apakah yang dimaksud dengan konveksi alami?

Apa perbedaan konveksi alami dengan konveksi paksa ?

Prinsip-prinsip dasar apa saja yang terdapat pada konveksi alami?

Bagaimana proses konveksi alami terjadi pada efek rumah kaca ?

Bagaimana proses perpindahan kalor yang terjadi melalui media yang ikut berpindah, dalam hal ini fluida ?

Bagaimana aplikasi dari konveksi alami ?

Bagaimana laju perpindahan kalor konveksinya dihitung dengan persamaan empiris ?

I.3 Tujuan Penulisan1. Tujuan Umum

Tujuan umum dari penulisan makalah ini adalah untuk menjelaskan mengenai perpindahan kalor khususnya secara konveksi alami serta aplikasinya.

2. Tujuan Khusus

- Menjelaskan konveksi alami.

-Menjelaskan fenomena efek rumah kaca terkait perpindahan kalor konveksi alami

I.4 Metode PenulisanDalam penulisan makalah ini, metode yang digunakan oleh penulis adalah studi pustaka yang mengambil sumber dari media-media cetak yang ada, seperti buku, serta dengan data publikasi online melalui internet.

I.5 Sistematika PenulisanSistematika penulisan makalah ini adalah: Bab I Pendahuluan

I.1 Latar Belakang Masalah

I.2 Batasan Masalah

I.3 Tujuan

I.4 Metode Penulisan

I.5 Sistematika Penulisan

Bab II Pembahasan Bab III Kesimpulan Daftar Pustaka Lampiran

Tugas 1

BAB II PEMBAHASAN1. Dapatkah anda menjelaskan, proses konveksi seperti apakah yang terjadi sebagai akibat adanya gas rumah kaca ?Jawab :

Gambar 1. Pemanasan konveksi alami akibat efek rumah kacaSumber : http://3.bp.blogspot.com/global_warming.jpgPanas yang berasal dari matahari yang di radiasikan sampai ke bumi, dan panas tersebut seharusnya di pantulkan kembali keluar angksa namun terhambat akibat gas emisi pada permukaan bumi menghalangi pantulan panas dari bumi ke angkasa. Ilustrasi yang di berikan pada gambar (1) terlihat bahwa panas yang tidak dapat keluar dari bumi ini mengakibatkan akumulasi suhu sehingga suhu permukaan bumi pun bertambah. Efeknya adalah pada semua makhluk hidup di bumi merasakan panas pada suhu ruangan tempat tinggalnya. Panas yang dirasakan tanpa adanya pengaruh panas dari sumber laennya di rasakan sangat mempengaruhi aktivitas khususnya penduduk bumi yang tidak lagi merasakan kesejukan udara sekitar. Pada kehidupan sehari - hari terlihat dalam menjemur pakaian atau bahan laennya, waktu pengeringan yang di butuhkan tidak lagi lama melainkan sudah sangat cepat. Terbukti dari temperatur semakin panas yang di rasakan, naikknya temperatur bumi ini mempengaruhi ke seluruh belahan bumi bahkan di bagian kutub utara dan kutub selatan.

2. Apa yang Anda ketahui tentang perpindahan kalor konveksi? Batasan apa yang harus dipenuhi agar suatu proses perpindahan kalor bias dikatakan terjadi secara konveksi alami?Jawab :Istilah konveksi digunakan untuk menyatakan perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain yang disertai perpindahan bahannya sendiri. Konveksi terjadi melalui fluida yang bergerak membawa kalor. Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada sistem pemanas dengan air panas, tungku udara panas, pengembunan, dan sebagainya. Pada dasarnya, konveksi terbagi dua:

a. Konveksi alami (natural convection), adalah konveksi dimana fluida yang dipanaskan mengalir akibat adanya perbedaan rapat massa.

b. Konveksi paksa (force convection), adalah konveksi dimana fluida yang dipanaskan mengalir karena dipaksa bergerak dengan alat peniup atau pompa.

Konveksi alami atau biasa dikenal sebagai konveksi bebas. Perpindahan kalor konveksi bebas/alamiah terjadi bila fluida pembawa kalor mengalir secara alami disebabkan perbedaan suhu, tanpa dibantu alat pendorong apapun. Bagian fluida yang mengalami pemanasan memuai dan densitasnya menjadi lebih kecil sehingga bergerak ke atas. Tempatnya semula digantikan oleh bagian fluida yang dingin yang memiliki densitas lebih tinggi. Radiator panas yang digunakan untuk memanaskan ruang merupakan suatu contoh peranti praktis yang memindahkan kalor dengan konveksi bebas.

Batasan agar proses perpindahan kalor dikatakan konveksi bebas, antara lain:

a. Fluida berubah densitasnya karena proses pemanasan.

b. Fluida bergerak naik karena mengalami gaya apung (bouyancy force) apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang akibat proses pemanasan.

c. Fluida mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi.

Sedangkan batasan-batasan yang membedakan antara konveksi paksa dan alami adalah :

Pada konveksi paksa tidak ada gaya dari luar yang mempengaruhi sistem. Jikamuncul sedikit saja pengaruh dari sistem maka konveksi yang terjadi adalah konveksi paksa

Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi alami (h) umumnya sangat kecil

Denga kondisi yang sama, kalor yang dipindahkan pada konveksi alami lebih sedikit dibandingkan konveksi paksa

Hal-hal yang mempengaruhi konveksi alami pada suatu sistem adalah:

- Bentuk benda - Letak Benda

- Ukuran Benda (P, L, r) - Suhu permukaan

- Suhu fluida - Konduktivitas termal

- Gravitasi - Viskositas

- Densitas - Kapasitas kalor jenis

- Koefisien muai volume

3. Jelaskan apa yang anda ketahiu tentang buoyancy force dan body force? Bagaimana kedua gaya tersebut dapat mempengaruhi pergerakan fluida pada perpindahan kalor konveksi alami.Jawab :BUOYANCY FORCE DAN BODY FORCEGerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida tersebut gas maupun cair, terjadi karena adanya gaya apung (buoyancy force) yang dialaminya. Gaya apung (bouyancy force) dari suatu fluida ialah gaya angkat yang dialami suatu fluida apabila densitas fluida di

dekat permukaan perpindahan kalor berkurangGambar 2. Proses Buoyancy ForceSumber : http://www.google.co.id

sebagai akibat proses pemanasan. Gaya apung tidak akan terjadi apabila fluida tersebut tidak

mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi (gaya berat).

Walaupun gravitasi bukanlah satu-satunya medan gaya luar yang dapat menghasilkan arus konveksi bebas, fluida yang terkurung dalam mesin rotasi mengalami medan gaya sentrifugal, dan arena itu mengalami arus konveksi-bebas bila salah satu atau beberapa permukaannya yang dalam kontak dengan fluida itu dipanaskan. Jadi, jika densitas fluida di dekat permukaan dinding berkurang, maka fluida akan bergerak ke atas membawa kalor, dan digantikan dengan fluida di atasnya yang densitasnya lebih besar. Densitas fluida ini juga akan berkurang akibat

pemanasan, kemudian bergerak ke atas membawa kalor. Dan fluida berikutnya yang densitasnya lebih besar bergerak ke permukaan dinding, begitu seterusnya. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi bebas disebut gaya badan (body force).

Tugas 21. Apa yang membuat permasalahan pada perpindahan kalor konveksi alami lebih sering didekati dengan pendekatan empiris? Apa saja kekurangan dari penggunaan persamaan empiris dalam penyelesaian permasalahan konveksi dan bagaimana antisipasi anda untuk mengatasinya?Jawab :Pendekatan empiris adalah suatu pendekatan yang berasal dari suatu percobaan. Perpindahan kalor konveksi alami sering didekati dengan pendekatan empiris karena kekompleksan perpindahan kalor konveksi alami. Nilai koefisien kalor konveksi (h) bukan suatu nilai yang tetap harganya. Nilai h dipengaruhi oleh banyak faktor yaitu jenis aliran ( laminar atau turbulen), sifat fluida (viskositas, koefisien muai, dan suhu) , dan dimensi karakteristik benda. Oleh karena itu, tidak tersedia suatu persamaan baku untuk menyelesaikan kasus konveksi alami.

Kekurangan dari penggunaan persamaan empiris adalah karena persamaan ini tidak dapat diterapkan secara umum dengan semua bentuk benda dan semua kondisi. Bentuk benda berpengaruh pada nilai bilangan Grashof karena pada bilangan Grashof terdapat variabel dimensi karakteristik. Kondisi berlangsungnya percobaan juga mempengaruhi besar hasil perhitungan yang didapat karena kita harus menjaga kondisi lingkungan sesuai dengan kondisi eksperimen persamaan itu berlangsung. Oleh karena itu, data eksperimen yang ada sering sekali bertentangan.

Oleh karena itu, hasil-hasil eksperimen tersebut dirangkum untuk tujuan perhitungan dan dinyatakan dalam bentuk persamaan empiris berikut :

= ( )(1)

Tingkat kesalahan dapat diantisipasi dan diminimalisir oleh persamaan 1 dengan adanya konstanta C dan m. Nilai C dan m dapat dilihat pada lampiran tabel 1. Subskrip f merupakan salah satu antisipasi dan minimalisir kesalahan persamaan empiris dengan adanya evaluasi terhadap gugus tak berdimensi pada suhu film yaitu dengan persamaan :

=

(2)Dimana adalah suhu fluida dan adalah suhu dinding kontak.Antisipasi dari saya sendiri khususnya dalam perhitungan adalah menggunakanpersamaan empiris yang sesuai untuk soal tersebut. Kesesuaian tersebut bisa ditinjau dari syarat bilangan tak berdimensinya dan dimensi benda. Selain persamaan, data yang digunakan juga harus sesuai dengan kondisi yang ada dalam soal. Sebagai contoh menggunakan data viskositas sesuai suhunya.

2. Bilangan tak berdimensi apa saja yang terlibat di dalam hubungan empiris pada perpindahan kalor konveksi? Apa yang dimaksud dengan dimensi karakteristik dan bagaimana pengaruhnya pada koefisien perpindahan kalor konveksi?Jawab :Bilangan tak berdimensi mempunyai peranan dalam menyelesaikan permasalahan dalam perpindahan kalor konveksi. Bilangan tak berdimensi yang banyak digunakan pada dalam penyelesaian masalah perpindahan kalor konveksi alami adalah :

1. Bilangan Reynold (Re)Fungsi bilangan Reynold adalah untuk menentukan jenis aliran fluida dalam pipa atau tabung. Apakah aliran tersebut tergolong laminer (Re < 2000), transisi (2000

< Re < 4000) atau turbulen (Re>4000) (untuk pipa silinder). Nilai bilangan Reynolds

dinyatakan dengan persamaan : =

=

(4)

2. Bilangan Nusselt (Nux)Bilangan Nusselt menyatakan nilai perbandingan antara kalor konveksi dengan konduksi dan digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan kalor konveksi

alami (hx).

=

(5)

3. Bilangan prandtl (Pr)Bilangan Prandtl didefinisikan sebagai perbandingan antara difusivitas momentum (viskositas kinematik) dengan difusivitas termal. Bilangan prandtl

dinyatakan dengan persamaan : /

= = / =

(6)

Bilangan Prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas hidrodinamik dan lapisan batas termal serta penghubung antara medan kecepatan dengan medan suhu.

4. Bilangan Grashof (Gr)Bilangan Grashof dapat ditafsirkan secara fisis sebagai suatu gugus tak berdimensi yang menggambarkan perbandingan antara gaya apung dan gaya viskos di dalam sistem aliran konveksi bebas. Bilangan Grashof merupakan variabel utama yang digunakan sebagai kriteria transisi dari aliran lapisan batas-laminar menjadi

turbulen. Bilangan Grashof dinyatakan dengan persamaan : =

( ) =

( )

(7)

5. Bilangan Rayleigh (Ra)Bilangan Rayleigh merupakan produk perkalian antara bilangan Grashof dan bilangan Prandtl dan dapat dinyatakan dengan rumus :

= (8)

Bilangan Rayleigh dalam penyelesaian perpindahan konveksi alamiah digunakan

untuk menentukan transisi laminer ke turbulen dari suatu aliran lapisan batas konveksi alami.

6. Bilangan Graetz (Gz)Bilangan Graetz banyak digunakan pada kasus gabungan antara konveksi

alamiah dan konveksi paksa. Bilangan Graetz dapat dinyatakan dengan persamaan : 7. Bilangan Stanton

(9)

Bilangan Stanton didefinisikan melalui persamaan :

=

=

(9)

Penggunaan bilangan stanton diantaranya adalah untuk menentukan koefisien perpindahan kalor konveksi, menentukan koefisien gesek, menentukan tegangan gesek, dan menentukan tipe lapisan batas ( termasuk laminar atau turbulen).

Dimensi karakteristik (L) didefiniskan sebagai :

(10)Dimana A adalah luas permukaan kontak dan P adalah keliling yang terbasahi. Dimensi karakteristik dalam penyelesaian perpindahan kalor konveksi alami digunakan dalam penentuan bilangan tak berdimensi seperti bilangan Grashof (Gr), bilangan Nusselt (Nu), dan bilangan Graetz (Gz). Berikut adalah dimensi karakteristik untuk bentuk yang umum dipakai

: Plat : L adalah panjang plat

Silinder : L adalah diameter luar silinder

Bola : L adalah jari-jari luar bola

Balok : L adalah L; dengan 1/L = (1/Lv) + (1/Lh) dimana Lv dan Lh adalah sisi balok.

Dan untuk menentukan koefisien perpindahan kalor konveksi salah satunya dapat digunakan

persamaan : = = ( )

(11)

Dalam persamaan (11) untuk mendapatkan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi (h) kita membutuhkan bilangan tak berdimensi (L) dan nilai C dan m juga suatu konstanta yang ditentukan oleh bentuk dimensi dan posisi benda.

3. Bagaimana jenis aliran dan ketebalan lapisan batas fluida dapat mempengaruhi proses perpindahan kalor konveksi yang terjadi?Jawab :Jenis Aliran FluidaMekanisme perpindahan panas secara konveksi erat kaitannya dengan gerakan atau aliran fluida. Salah satu segi analisa yang paling penting adalah mengetahui apakah aliran fluida tersebut laminar atau turbulen. Dalam aliran laminar, aliran dari garis aliran (streamline) bergerak dalam lapisan-lapisan, dengan masing- masing partikel fluida mengikuti lintasan yang lancar serta malar (kontiniu). Partikel fluida tersebut tetap pada urutan yang teratur tanpa saling mendahului. Sebagai kebalikan dari gerakan laminar, gerakan partikel fluida dalam aliran turbulen berbentuk zig-zag dan tidak teratur.

Kedua jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar terhadap perpindahan panas konveksi. Bila suatu fluida mengalir secrara laminar sepanjang suatu permukaan yang

mempunyai suhu berbeda dengan suhu fluida, maka perpindahan panas terjadi dengan konduksi molekular dalam fluida maupun bidang antara (interface) fluida dan permukaan. Sebaliknya dalam aliran turbulen mekanisme konduksi diubah dan dibantu oleh banyak sekali pusaran-pusaran (eddies) yang membawa gumpalan fluida melintasi garis aliran. Partikel- partikel ini berperan sebagai pembawa energy dan memindahkan energi dengan cara bercampur dengan partikel fluida tersebut. Oleh karena itu, kenaikan laju pencampuran (atau turbulensi) akan juga menaikkan laju perpindahan panas dengan cara konveksi.

Ketebalan Lapisan Batas FluidaMenurut Ludwig Prandtl, pada saat suatu fluida mengalir melewati dinding terdapat dua daerah berdasarkan perbedaan kecepatan. Daerah pertama adalah daerah dekat dinding dimana viskositas masih berpengaruh terhadap kecepatan. Daerah kedua adalah daerah yang tidak lagi dipengaruhi viskositas sehingga kecepatan di tiap titik dapat dianggap sama. Lapisan batas adalah lapisan dimana fluida yang mengalir masih dipengaruhi oleh viskositasnya (daerah pertama).

Ketebalan lapisan batas fluida ini berguna untuk membantu kita untuk mencari nilai h, koefisien perpindahan kalor konveksi. Dengan mengetahui koefisien perpindahan kalor konveksi dapat mempermudah dalam menyelesaikan permasalahan perpindahan kalor konveksi. Setiap batasan fluida baik itu laminar maupun turbulen, fluida memiliki nilai range

Re yang berbeda sehingga nilai (ketebalan lapisan batas) pun berbeda-beda.Laju perpindahan panas (kalor) secara konveksi berbanding terbalik dengan hambatanterhadap konveksi. Dengan perpindahan panas (kalor) secara konveksi, aliran panas (kalor) berbanding lurus dengan selisih suhu antara dinding dengan lingkungan , serta berbanding terbalik dengan hambatan terhadapa aliran panas (kalor) yang dihadapinya di atmosfer.

Besarnya hambatan terhadap perpindahan panas (kalor) secara konveksi dinyatakan oleh ketebalan lapisan batas (disebut juga lapisan tak- terkacaukan). Lapisan batas merupakan daerah perpindahan alir (gas atau zat cair) yang bersinggungan dengan suatu benda (dapat berupa plat, tabung, dll); di situ suhu, kerapatan uap, atau kecepatan alir dipengaruhi oleh benda tersebut. Perpindahan panas (kalor) secara konveksi berlangsung lebih cepat bila lapisan batas itu tipis (gradien suhu tajam), dan lebih lambat bila lapisan tersebut lebih tebal

(gradien kurang tajam). = ( ) =

( ) (12)dimana Q/t : perpindahan kalor konveksi

R : tahanan termal

Tw : suhu dindingT : suhu lingkunganKarena besarnya hambatan terhadap perpindahan panas (kalor) secara konveksi

dinyatakan oleh ketebalan lapisan batas (). Maka R maka : h berbanding terbalik dengan - makin besar tebal suatu lapisan batas maka makin kecil nilai Q/t- makin tipis tebal suatu lapisan batas maka makin besar nilai Q/t

4. Bagaimana mekanisme dan hubungan empiris untuk perpindahan kalor konveksi alami pada plat dan silinder vertikal serta pada plat dan silinder horizontal?Jawab :Perpindahan Kalor Konveksi-Bebas pada Plat-rata VertikalApabila suatu plat dipanaskan, terbentuklah suatu lapisan-batas konveksi-bebas. Profil kecepatannya pada dinding kecepatan adalah nol, karena terdapat kondisi tanpa-gelincir. Perkembangan awal lapisan-batas adalah laminar, tetapi pada suatu jarak tertentu dari tepi depan, bergantung pada sifat-sifat fluida dan beda-suhu antara dinding dan lingkungan, terbentuklah pusaran-pusaran, dan transisi ke lapisan-batas turbulen pun mulai terjadi.

Perpindahan kalor pada plat adalah terdahulu menggunakan persamaan diferensial

gerakan lapisan-batas, + = +

(13)

dimana suku menunjukkan gaya bobot yang dialami unsur itu. Gradien atau landaiantekanan pada arah x terjadi karena perubahan ketinggian di atas plat itu. Jadi, = (14)dengan kata lain, perubahan tekanan sepanjang tinggi sama dengan bobot per satuan luasunsur fluida. Mensubstitusi persamaan (13) ke persamaan (14) menghasilkan, + = (

) +

(15)

beda densitas dapat dinyatakan dengan koefisien muai ekspansi volume , yangdidefinisikan oleh,

=

=

= (

(16))sehingga, + = (

) +

(17)

Persamaan di atas adalah persamaan gerak untuk lapisan-batas konveksi-bebas. Penyelesaian

profil kecepatan memerlukan pengetahuan mengenai distribusi suhu. Persamaan energi untuk sistem konveksi-bebas sama dengan yang untuk sistem konveksi-paksa pada kecepatan rendah,

+ = (18)Koefisien muai volume dapat ditentukan dari daftar-daftar sifat fluida. Untuk gas koefisiendapat dihitung dari, (19)dimana adalah suhu absolut gas.Koefisien perpindahan kalor dievaluasi dari, =

= ( ) (20) dengan menggunakan distribusi suhu didapatkan, =

atau

= Nu = 2 sehinggapersamaan tak-berdimensi untuk koefisien perpindahan-kalor menjadi,

Nu = 0,508 Pr/(0,952 + Pr)/ Gr / (21)dengan koefisien perpindahan kalor, =

(22)

Angka Grashof dapat ditafsirkan secara fisis sebagai suatu gugus takberdimensi yang menggambarkan perbandingan antara gaya apung dengan gaya viskos di dalam sistem aliran konveksi-bebas.

Pada Silinder VertikalUntuk permukaan vertikal, angka Nusselt dan angka Grashof dibentuk dengan L, yaitu tinggi permukaan, sebagai dimensi karakteristik. Jika tebal lapisan-batas tidak besar dibandingkan dengan diameter silinder, perpindahan kalor dapat dihitung dengan rumus yag sama dengan yang untuk plat vertikal. Kriteria umum ialah bahwa silinder vertikal dapat ditangani sebagai plat vertikal apabila,

/

(23) Untuk permukaan isothermal nilai konstanta GrfPrf> 109 untuk turbulen. Untuk angka Rayang lebih luas, diberikan oleh Churchill dan Chu.

0,670Ra1 / 4Nu 0,68 Nu 0,825

[1 (0,492 / Pr)9 / 16 ]4 / 90,387Ra1 / 6

untuk RaL< 109 (24)

Fluks Kalor Tetap,

[1 (0,492 / Pr) 9 / 16 ]8 / 27

untuk 10-1< RaL< 1012 (25)

Nu C (Grx Pr)

(26)Dengan menyisipkan angka Grashof yang dimodifikasi (Grx* = Grx Nux), didapat

= ( Pr)

(27)Dengan nilai karakteristik m = 1/4 untuk laminar dan m = 1/3 untuk turbulen.

Konveksi-bebas dari Silinder HorizontalKita dapat menggunakan persamaanNusselt1/ 2 N 0,6 0,387

GrPr

1/ 6

untuk aliran turbulen 10-5