makalah pk pemicu 1 hg 8

8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8

1/38

MAKALAH PEMICU 1

PERPINDAHAN KALOR KONDUKSI

MATA KULIAH PERPINDAHAN KALOR

Disusun oleh:

KELOMPOK 7

Adinda Diandri Putri (1406553013)

Alver B. Mahdapati (1406607754)Andika Putra Brahma (1406607893)

Nur Safitrah Setiawati (1406607741)

Reza Adhitya (1406608006)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK


2/38

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena akhirnya tim penulis dapat

menyelesaikan laporan perpindahan kalor pemicu 1 mengenai perpindahan kalor konduksi.

Sebagai calon insinyur teknik kimia sudah semestinya mempelajari berbagai hal terkait

perpindahan kalor, termasuk didalamnya perpindahan kalor konduksi. Hal tersebut dipandang

sangat penting, untuk menjadi dasar mempelajari proses pada teknik kimia nantinya.

Walaupun banyak kendala yang dihadapi sepanjang pembuatan laporan ini, tim penulis

tetap bertekad untuk menyelesaikan laporan ini sebagai komitmen dan tanggung jawab demi

memenuhi tugas mata kuliah perpindahan kalor. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih

kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan laporan ini.Tim penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena

itu, tim penulis mengharapkan adanya kritik serta saran supaya laporan ini lebih baik lagi untuk

kedepannya.

Tim penulis berharap agar laporan ini bisa bermanfaat bagi para pembaca dan dapat menambah

wawasan kami khususnya mahasiswa teknik kimia.

Depok, 22Maret 2016

Tim penulis


3/38

2

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ..................................................................................................................... i

DAFTAR ISI ................................................................................................................................... ii

BAB I : PENDAHULUAN...................................................................................................................... 1

BAB I : LANDASAN TEORI .........................................................................................................3

BAB II : JAWABAN PERTANYAAN .........................................................................................12

Soal Kasus ..................................................................................................................................12

Soal 1 ..........................................................................................................................................18

Soal 2 ..........................................................................................................................................20

Soal 3 ..........................................................................................................................................24

Soal 4 ..........................................................................................................................................25

Soal 5 ..........................................................................................................................................30

DAFTAR PUSTAKA....................................................................................................................34

LAMPIRAN...................................................................................................................................35


4/38

3

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Konduksi adalah peristiwa perpindahan kalor yang membutuhkan medium perambatandan kontak langsung. Adanya gradien suhu menyebabkan perpindahan kalor dari suatu benda ke

benda lainnya. Konduksi bisa dianalisis dari sudut pandang satu dimensi ataupun multidimensi.

Prinsip mengenai konduksi sudah banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Dalam

makalah ini, pembahasan mengenai konduksi akan dititikberatkan pada konduksi tunak dan tak

tunak serta aplikasinya dalam sistem insulasi. Secara umum perpindahan kalor secara konduksi

dapat dibagi menjadi dua berdasarkan berubah atau tidaknya suhu terhadap waktu, yaitu

konduksi tunak ( steady) dan konduksi tak tunak (unsteady). Konduksi tunak dapat dijelaskan

sebagai konduksi ketika suhu yang dihantarkan tidak berubah atau distribusi suhu konstan

terhadap waktu. Sebaliknya, konduksi tak tunak jika suhu berubah terhadap waktu.

Makalah ini juga dibuat untuk mendalami perpindahan kalor konduksi baik secara tunak

maupun tak tunak. Dengan memahami pengetahuan mengenai perpindahan kalor konduksi

secara tunak dan tak tunak, penulis berharap konsep di atas dapat diaplikasikan dalam kehidupan

sehari-hari serta dalam proses industri.

1.2. RUMUSAH MASALAH

a) Apa yang dimaksud perpindahan kalor konduksi pada kondisi tunak dan tak tunak?

b) Bagaimana cara menganalisis perpindahan kalor dalam berbagai kondisi?

c) Bagaimana cara menyelesaikan kasus perpindahan panas konduksi dengan berbagai metodedan sudut pandang?


5/38

4

1.3. TUJUAN PENULISAN

Tujuan dari penyusunan makalah ini adalah :

a) Mengetahui dan memahami mengenai perpindahan kalor konduksi tunak dan tak tunak beserta

prinsipnya.

b) Mengetahui dan dapat mengaplikasikan cara-cara untuk menganalisis perpindahan kalor

kondisi dalam berbagai kondisi.

c) Mengetahui dan dapat menjelaskan aplikasi konduksi dalam sistem insulasi.

d) Menjelaskan fenomena perpindahan konduksi panas

e) Menerapkan Hukum Fourier

f) Menyelesaikan kasus perpindahan panas konduksi dengan berbagai metode dan menentukan

sudut pandang


6/38

5

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Perpindahan Kalor Konduksi

Perpindahan kalor secara umum terjadi karena adanya gradien suhu pada suatu benda,

dimana kalor tersebut berpindah dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah. Perpindahan kalor

secara konduksi terjadi apabila laju perpindahan kalor sebanding dengan gradien suhu. ~ atau = − (2.1-1) Dimana q merupakan laju perpindahan kalor dan adalahgradien suhu pada arah x. Persamaan inilah yang disebut dengan Hukum Fourier tentang kalor

konduksi. Persamaan ini juga merupakan persamaan dasar untuk konduktivitas termal.

Konduktivitas termal setiap bahan berbeda-beda, nilai-nilai tersebut menunjukkan seberapa cepat

kalor dapat mengalir di dalam bahan tersebut. Nilai dari konduktivitas termal tersebut

bergantung pada kecepatan suatu molekul bergerak dan juga medan gaya molekul tersebut dalam

proses tumbukan.

2.2.Perpindahan Kalor Konduksi Tunak

Hukum Fourier Berdasarkan Bentuk Benda

Hukum Fourier adalah hukum empiris laju perpindahan kalor dengan sistem konduksi.

Hukum ini menyatakan bahwa laju aliran panas (dq/dt) melalui homogen padat berbanding lurus

dengan luas perpindahan kalor pada arah aliran kalor (A) dan beda suhu di pangkal dan ujung

lapisan (dT), namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan (dx). Rumus hukum Fourier

adalah persamaan (1). = − (2.1-2)Konstanta positif k disebut konduktivitas termal atau kehantaran termal benda.

Sedangkan alasan pemberian tanda minus dalam rumus Fourier adalah untuk memenuhi hukum

nol termodinamika dimana kalor akan berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Hukum Fourier

berdasarkan bentuk benda digambarkan dalam tabel berikut:


7/38

6

Tabel 1. Hukum Fourier berdasarkan pada bentuk benda

(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer 10th Edition. New York: McGraw-Hill)

2.2.1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh pada Bidang Datar

Pada satu sisi bidang datar di bawah terdapat fluida panas A, dan pada sisi lainnya fluida B yang

lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh

= ℎ = ∆ = ℎ


8/38

7

Perpindahan kalor menyeluruh dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh

dengan jumlah tahanan termal :

= + ∆ +

= + ∆ +

Nilai

menunjukkan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bias dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor

menyeluruh ( U ), yang dirumuskan dalam hubungan

= ∆ dimana A ialah luas bidang aliran kalor. Sehingga koefisien kalor menyeluruh ialah:

= 1 + ∆ +

U sendiri memiliki nilai yang sebanding dengan nilai resistansi termal dipangatkan satu,

atau

= 1

2.2.2. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh pada Silinder

Untuk silinder bolong yang terkena lingkungan konveksi di permukaan bagian dalam dan

luarnya, analogi tahanan listriknya seperti gambar di bawah ini, di mana T Adan TBialah suhu

kedua fluida. Dalam hal ini luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua fluida. Luas bidang

ini bergantung dari diameter dalam tabung dan tebal dinding.

Gambar 1. Analogi listrik seri pada aliran plat

berlapis

(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer

10th Edition. New York: McGraw-Hill)


9/38

8

Perpindahan panas menyeluruh dari zat alir di dalam pipa ke zat alir di luar pipa adalah

= + +

Luas permukaan untuk perpindahan panas zat alir :

di dalam pipa, =2 di luar pipa, =2

sehingga,

= + + = 2

+ +

Koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas bidang dalam atau bidang

luar tabung.

Bidang dalam,

= +

+

= 2 +

+

= 1 +

+

Gambar 2. Analogi listrik seri pada aliran silinder bolong

(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer 10th Edition.

New York: McGraw-Hill)


10/38

9

Bidang luar,

= +

+

= 2 +

+

= 1 +

+

Hubungan nilai koefisien U terhadap resistansi termal R menjadi

= 1Σ =

1Σ,

2.2.3. Sistem Insulasi

Sistem insulasi atau insulasi termal ialah sistem yang bertujuan untuk mengurangi laju

pengurangan kalor. Insulasi mengendalikan aliran panas pada suatu benda dengan sifat

material tertenu. Bahan yang digunakan disebut insulator atau isolator. Nilai R Kemampuan

suatu bahan insulasi untuk menahan atau mengurangi perpindahan dari satu sisi ke sisi yang

lain ditunjukkan dengan nilai R. Semakin besar nilai R maka semakin baik suatu bahan

dijadikan isolator. Nilai R dirumuskan

R =∆

/ (2.1-17)dengan Δ merupakan perbedaan suhu, qadalah laju perpindahan kalor, dan A adalah luasarea. Tebal Kritis Insulasi Suatu pipa sirkular yang membawa suatu cairan panas diselubingi

oleh insulator yang berfungsi untuk mempertahankan temperatur cairan tersebut atau untuk

memilimalisasi kalor yang keluar dari cairan dalam pipa. Jika pipa tidak diberi selubung,

maka kalor cairan akan banyak berpindah ke lingkungan sehingga suhu cairan akan mudah

turun. Dalam dunia industri, peristiwa ini akan memberi dampak negatif dan tidak efisien.

Selubung yang diberikan harus sesuai dengan kebutuhan. Apabila berlebih, maka menjadi

kurang efisien. Apabila kurang dari tebal minimal, maka insulasi justru mempercepat proses

pelepasan kalor dari cairan di dalam pipa.


11/38

10

Gambar 3. Tebal kritis insulasi


Perpindahan kalor yang terjadi dirumuskan sebagai berikut :

dimana

ro= jari-jari kritis insulator terhadap pusat pipa

ri = jari-jari pipa

L = panjang pipa

h = koefisien perpidahan kalor konveksi di luar pipa

Ti= suhu di dalam insulator (di dalam sistem)∞ = suhu lingkunganSistem insulasi akan efektif apabila turunan dari total laju perpindahan kalor di dalam pipa

terhadap jari-jari (tebal) kritis insulator bernilai nol. Persamaannya ialah :

(2.1-19)

yang kemudian menghasilkan persamaan seperti berikut :

R 0= h


12/38

11

2.3. Perpindahan Kalor Konduksi Tidak Tunak

2.3.1. Sistem Kapasitas Kalor Tergabung

Metode kapasitas kalor tergabung atau tergumpal (lumped-heat-capacity method )

merupakan metode untuk menganalisis perpindahan kalor konduksi tak tunak dengan cara suhu

system dianggap seragam. System ini merupakan suatu idealisasi karena di dalam setiap bahan

selalu ada gradient suhu (temperature gradient ) apabila pada bahan tersebut ada kalor yang

dikonduksi ke dalam atau ke luar. Pada umumnya, makin kecil ukuran benda makin realistic pula

pengandaian tentang suhu seragam itu; dan pada limitnya kita dapat menggunakan diferensial

volume sebagaimana dalam penurunan persamaan umum konduksi kalor.

Jika sebuah boleh baja panas dicelupkan ke dalam air dingin, kita boleh menggunakan

metode analisis kapasitas-kalor-tergabung apabila kita dapat membenarkan pengandaian suhu

seragam di dalam bola, selama proses pendinginan itu berlangsung. Distribusi suhu di dalam

bola bergantung dari konduktivitas termal (thermal conductivity) bahan bola itu, dan kondisi

perpindahan kalor dari muka bola ke fluida lingkungan, yaitu koefisien perpindahan-kalor

konveksi-permukaan ( surface-convection heat-transfer coefficient ). Distribusi suhu yang cukup

seragam di dalam bola bisa kita dapatkan jika tahanan terhadap perpindahan kalor konduksi kecil

bila dibandingkan dengan tahanan konveksi pada permukaan, sehingga gradient suhu terdapat

terutama pada lapisan fluida di permukaan bola. Analisis kapasitas-kalor-tergabung

mengandaikan bahwa tahanan dalam benda dapat diabaikan terhadap tahanan luar.

Convection heat loss suatu benda terlihat dari penurunan energy dalam ( internal energy)

benda tersebut, seperti pada gambar 1.

= ∞

= (1) A = luas permukaan konveksi

V = volume

Keadaan awal adalah = pada = 0.Sehingga penyelesaian persamaan (1) adalah

−∞

−∞ = −[/] (2) ∞

= suhu lingkungan konveksi


13/38

12

Gambar 5. Nomenklatur untuk analisis kapasitas-kalor satu gabungan


Jaringan termal untuk kapasitas-tunggal ( single-capacitysystem) ditunjukan pada gambar

1 (b). Dalam jaringan ini terlihat ahwa kapasitas termal system mula – mula dimuati oleh

potensial T0 dengan menutup sakelar S. Kemudian bila sakelar itu dibuka, energy yang tersimpan

dalam kapasitas termal dibuang melalui tahanan

. Analogi antara system termal ini dengansystem listrik cukup ketara dan kita dengan mudah dapat menyusun system listrik yang tingkah

lakunya sama dengan system termal, yaitu dengan membuat perbandingan

= = =

Sama dengan

dimana ialah tahanan dan adalah kapasitansi. Dalam systemtermal kita menyimpan energis edangkan dalam system listrik kita menyimpan muatan listrik.

Aliran energy dalam system termal disebut kalor, aliran muatan listrik diebut arus listrik.

Besaran disebut konstanta waktu (time constant ) dari system itu, karena mempunyai dimensi

waktu.

Bila

= Terlihat bahwa beda suhu ∞mempunyai nilai 36,8 persen dari beda awal ∞.


14/38

13

Penerapan Anal iti s Kapasitas Tergabung

Telah diketahui bahwa analisis seperti kapasitas-tergabung mengandaikan distribusi suhu

seragam pada seluruh benda padat tersebut, dan pengandaian itu sama artinya dengan

mengatakan bahwa tahanan konveksi – permukaan ( surface –

convection resistance) lebih besardaripada tahanan konduksi – dalam (internal conduction resistance). Analisis demikian dapat

diharapkan menghasilkan perkiraan yang memadai apabila kondisi di bawah ini dipenuhi


15/38

14

BAB II

JAWABAN PERTANYAAN

A. Soal Kasus

Gelombang Mikro Pada Microwave

Oven microwave menggunakan gelombang mikro untuk memasak atau memanaskan

makanan. Gelombang mikro yang digunakan oven microwave untuk memanaskan makanan

mempunyai panjang gelombang 12.2 cm dan frekuensi 2.45 Gigahertz (2.45 juta getaran per

detik). Spektrum gelombang ini terletak antara gelombang radio FM (frequency modulation) dan

sinar infra merah.

Gelombang radio pada rentang frekuensi ini mempunyai sifat yang menarik, Karena

dapat diserap oleh air, lemak, dan gula. Saat gelombang ini terserap suatu benda, gelombang ini

langsung berubah menjadi panas gerakan atom. Gelombang mikro pada frekuensi ini mempunyai

sifat menarik lainnya yaitu gelombang ini tidak terserap oleh kebanyakan jenis plastik, gelas atau

keramik. Logam memantulkan gelombang mikro sehingga wadah yang terbuat dari logam tidak

cocok untuk digunakan sebagai wadah dalam microwave.

Prinsip Kerja Microwave

Berikut adalah cara kerja dari sebuah microwave oven dalam memanaskan sebuah makanan:

1. Arus listrik bolak-balik dengan beda potensial rendah dan arus searah dengan beda

potensial tinggi diubah dalam bentuk arus searah.

2. Magnetron menggunakan arus ini untuk menghasilkan gelombang mikro dengan

frekuensi 2.45 GHz.

3. Gelombang mikro diarahkan oleh sebuah antenna pada bagian atas magnetron ke dalam

sebuah waveguide.

4. Waveguide meneruskan gelombang mikro ke sebuah alat yang menyerupai kipas, disebut

dengan stirrer. Stirrer menyebarkan gelombang mikro di dalam ruang oven.

5. Gelombang mikro ini kemudian dipantulkan oleh dinding dalam oven dan diserap oleh

molekul-molekul makanan.

6. Karena setiap gelombang mempunyai sebuah komponen positif dan negatif, molekul-

molekul makanan didesak kedepan dan kebelakang selama 2 kali kecepatan frekuensi

gelombang mikro, yaitu 4,9 juta kali dalam setiap detik.


16/38

15

Gelombang mikro merupakan hasil radiasi yang dapat ditransmisikan, dipantulkan atau

diserap tergantung dari bahan yang berinteraksi dengannya. Oven microvawe memanfaatkan 3

sifat dari gelombang mikro tersebut dalam proses memasak. Gelombang mikro dihasilkan oleh

magnetron, gelombang tersebut ditransmisikan ke dalam waveguide, lalu gelombang tersebut

dipantulkan ke dalam fan stirrer dan dinding dari ruangan didalam oven, dan kemudian

gelombang tersebut diserap oleh makanan. Microwave oven dapat membuat air berputar, putaran

molekul air akan mendorong terjadinya tabrakan antar molekul. Tabrakan antar molekul inilah

yang akan membuat molekul-molekul tersebut memanas.

Perlu diingat bahwa sebagian besar makanan memiliki kadar air didalamnya dan jika

makanan tersebut memiliki kadar air berarti efek yang sama akan terjadi jika makanan tersebut

dimasukan dalam microwave oven. Selain itu harus dingat juga bahwa molekul makanan yang

lain akan menjadi panas karena ada kontak langsung antara molekul tersebut dengan molekul air

yang memanas.

Melalui perpindahan energi, panas disebabkan oleh pergerakan molekul-molekul.

Perpindahan energi ini dapat terjadi dengan 3 cara berbeda, yaitu:

1. Konduksi

Terjadi karena adanya kontak langsung dengan sumber panas, contoh papan pengorengan yang

menjadi panas setelah bersentuhan dengan sumber api pada kompor.

2. Konveksi

Konveksi terjadi ketika uap panas naik atau uap berputar di dalam ruangan tertutup seperti oven.

Panas uap ini akan memanaskan bagian luar makanan dan diteruskan sampai bagian dalam

makanan tersebut.

3. Radiasi

Terjadi karena adanya gelombang elektromagnetik yang membuat molekul-molekul air

bergerak.


17/38

16

Komponen-komponen utama sebuah oven microwave

1. Pertimbangan-pertimbangan dalam mendesain alat pemanas masakan

a. Fungsi alat pemanas masakan

Seperti yang kita tahu bahwa fungsi dari alat pemanas masakan adalah untuk

mematangkan masakan ataupun hanya sekadar untuk memanaskan masakan. Salah

satu alat pemanas masakan yaitu oven. Oven berfungsi untuk mematangkan masakan

yang akan diolah menjadi makanan. Pertimbangan dalam mendesain alat pemanas

yaitu alat pemanas masakan harus memiliki fungsi umum dari alat pemanas masakan

tersebut.

b. Masakan cepat matang dan hasilnya memuaskan

Dalam memasak, tentu saja kita mengharapkan masakan yang kita masak cepat

matang. Maksudnya adalah untuk menghemat materi dan juga waktu. Oleh karena itu,

alat pemanas masakan yang mampu membuat masakan lebih cepat perlu menjadi

pertimbangan dalam mendesain alat.

c. Bahan dapat menghantarkan panas dengan baik

Bahan yang akan dibentuk menjadi oven harus memiliki daya hantar panas yang

baik. Hal ini ditujukan agar tingkat efisiensi oven atau alat pemanas masakan lainnya

menjadi tinggi sehingga bahan pembuatan pun dapat menjadi bahan pertimbangan.d. Bentuk alat pemanas yang praktis

Bentuk alat pemanas yang praktis dapat memudahkan kita dalam proses

pemasakan. Hal ini karena sesuatu yang bersifat praktis di masa modern ini sangat

diperlukan agar tidak memakan space yang terlalu banyak di dapur.

e. Harga


18/38

17

Dalam membeli sesuatu, pasti yang menjadi pusat perhatian adalah harga dari

sesuatu yang akan yang kita beli tersebut. Harga yang relatif murah dengan bahan alat

yang baik akan menjadi incaran dari semua orang. Oleh karena itu harga wajib

dipertimbangkan.

2. Langkah – langkah yang ditempuh dalam mendesain alat

Dalam menciptakan inovasi alat pemanas masakan, diperlukan banyak tahapan untuk dapat

mewujudkan inovasi tersebut menjadi produk yang bisa diproduksi missal dan diterima oleh

masyarakat. Langkah - langkah yang dibutuhkan yang ditempuh untuk merancang produk

inovasi alat pemanas adalah sebagai berikut:

1. Market Research dan Feasibi li ty Study Market Research

Pada tahap ini kita bisa mencari tahu kekurangan atau kelebihan dari produk yang

telah beredar di masyarakat sekarang. Langkah ini dilakukan untuk mengetahui selera

pasar pada umumnya. Dari market research ini bisa didapatkan produk seperti apa yang

konsumen butuhkan atau inginkan.

Pada langkah ini kita bisa mencari tahu dan mendapatkan data bagaimana

perkembangan alat pemanas sekarang ini, apa saja kekurangan atau kelemahan dari alat -

alat pemanas yang sudah ada sekarang dan alat pemanas jenis apakah yang menjadi

selera pasar sekarang dalam lingkup bentuk, harga, fungsi dan lain-lain.

2. Brainstorming

Brainstorming , atau dalam bahasa Indonesia juga disebut sebagai curah pendapat,

adalah proses mengumpulkan ide-ide untuk mencari solusi/jalan keluar dari masalah yang

didapat dari hasil market research. Dari proses berdiskusi ini akan didapatkan garis besar

barang yang akan dibuat, cara kerja, komponen yang akan dipakai, dan lain sebagainya.

Pada tahap ini kita sudah mulai mengolah data - data tentang permasalahan yang

telah didapatkan pada tahap selanjutnya mengenai alat pemanas dan dari hal itu kitasudah dapat mendapatkan gambaran bagaimana produk inovasi alat pemanas yang akan

dibuat. Kita sudah memiliki gambaran fungsi alat pemanas tersebut, material alat

pemanas yang digunakan, alat - alat atau suku cadang yang dibutuhkan dalam alat

pemanas makanan tersebut.


19/38

18

3. Menentukan Tujuan dan Batasan Produk

Tujuan dan batasan diperlukan agar kita tidak berlebihan dalam merancang

produk tersebut yang akan berakibat mahalnya harga jual ke konsumen. Konsumen tentu

saja menginginkan nilai tambah yang ditawarkan dalam produk tersebut sepadan dengan

biaya yang dikeluarkannya (reasonable price). Tentu saja market research diperlukan

untuk mengetahui selera pasar. Dari menentukan tujuan dan batasan ini kita memperoleh

spesifikasi komponen-komponen dan material apa saja yang akan dipakai.

Misal dalam alat pemanas yang akan kita rancang kita membatasi bahwa produk

alat pemanas ini hanya sebatas digunakan untuk memanaskan makanan, bukan untuk

memasak makanan mentah menjadi matang. Dari hal itu kita bisa memperkirakan kira-

kira material yang dipakai seperti apa.

4.

Menggambar Produk

Dengan menggambarkan produk berdasarkan hubungan dimensi komponen-

komponen yang sudah ditentukan dalam tahap - tahap di atas, kita akan mendapatkan

ilustrasi produk jadi. Produk bisa digambar dalam 2 dimensi atau 3 dimensi, biasanya

gambar 3 dimensi lebih mudah dimengerti oleh sebagian besar orang. Merancang produk

dalam 3 dimensi bisa dilakukan dengan menggunakan software SolidWorks, Inventor,

Catia dan lain - lain. Dari tahap - tahap sebelumnya kita bisa mulai mengilustrasikan

produk alat pemanas yang akan kita buat.

5. Review Produk

Produk review dilakukan untuk mengevaluasi apakah ada kekurangan pada

rancangan yang sudah dibuat desainnya sampai tahap gambar ini. Diskusi dengan melihat

gambar produk biasanya lebih mudah berkembang daripada hanya membayangkannya

saja. Pada tahap ini kembali dilakukan brainstorming untuk mendapatkan hasil yang

optimal dan meminimalisir masalah yang akan timbul ketika produksi masal nanti. Pada

tahap ini pula biasanya produk yang sedang dirancang perlu akan dibenahi.

Pada tahap ini ilustrasi produk alat pemanas yang akan kita buat kita evaluasi

kira-kira dengan desain produk seperti ini apakah akan menimbulkan masalah - masalah

tertentu. Dari masalah - masalah yang bisa kita temukan, kita bisa memperbaiki

rancangan desain produk yang telah kita buat.

6. Membuat Prototype/Sample


20/38

19

Pembuatan prototype/sample diperlukan untuk mengetahui apakah produk yang kita

buat benar-benar dapat diwujudkan dan untuk memberikan gambaran fisik bagi kita

maupun bagi masyarakat tentang produk yang akan dibuat. Untuk produk-produk yang

sudah umum tidak perlu sampai membuat sample barangnya (produk-produk dari besi),

seperti produk alat pemanas, namun memerlukan ketelitian dalam menggambar dan tidak

boleh ada kesalahan gambar yang bisa berakibat fatal: barang reject.

7. Uji Coba

Sebelum dipasarkan tentu kita perlu menguji apakah barang yg kita buat ini benar-

benar dapat berfungsi dengan baik atau tidak. Untuk alat pemanas kita mengujinya dari

mengukur besar panas yang dikeluarkan dari pengukuran temperatur pada sekian waktu

apakah telah sesuai dengan yang telah dirancang sebelumnya, dan lain - lain.

Jika ditemukan hal-hal yang tidak memuaskan tentu saja produk tersebut perlu

didesain ulang (kembali ke tahap 3). Hal-hal yang memuaskan tentu saja harus dilihat

dari sudut pandang konsumen, bukan produsen. Begitulah produsen-produsen besar saat

ini mengkaji terus menerus produk mereka agar nama produk yang mereka buat tetap

terjaga.

8. Produksi Massal

Dalam produksi masal perlu adanya kontrol kualitas agar konsumen tidak sampai

menerima barang yang rusak.

9. Garansi

Garansi adalah layanan purna jual yang diberikan oleh perusahaan yang membuat

produk tersebut agar konsumen tenang jika sewaktu-waktu ada kerusakan pada barang

tersebut.


21/38

20

B. Soal Hitungan

1. Sebuah peti es dibuat dari bahan busa styrofoam (k = 0,033 W/m oC) dengan dimensi dalam

25 x 40 x 100 cm dan tebal dinding 5,0 cm. Bagian luar peti berada dalam udara yang

suhunya 25 oC dengan h = 10 W/m2oC. Jika peti berisi penuh dengan es, hitunglah waktu

yang diperlukan sampai seluruh es mencair.

Penyelesaian :

Diketahui:

K styrofoam = 0,03 W/m. °C

P x L x T styrofoam = dimensi 25 x 40 x 100 cm

Tebal styrofoam = 5 cm

T˷ = 25 °C

Ditanya: Waktu (t) untuk es mencair?

Jawab:

Gambar Sistem Soal Nomor 1:

Gambar 1. Ilustrasi pada sistem dan ilustrasi peti es

Asumsi:


22/38

21

Suhu styrofoam= 25 °C.

Peti terisi penuh dengan es maka udara sangat sedikit, hampir tidak ada, sehingga konveksi

dengan udara di dalam peti bisa diabaikan

Suhu permukaan dalam dan luar styrofoam konstan, yaitu 0 °C dan 25 °C.

Es merupakan benda yang besar sehingga tidak dapat dimasukan pada analisis kalor

tergabung, dapat dipastikan bilangan biot es lebih dari 0,1.

Perpindahan kalor pada dasar peti diabaikan.

Sistem tunak.

Suhu es = 0 °C.

Kalor lebur es suhu 0 °C = 333,7 kJ/kg.

ρ es pada suhu 0 °C = 0,9987 g/cm3.

(dari appendix A.2-3 buku Transport Process and Unit Operation, Christie J. Geankopolis).

Tahap 1: Mencari luas permukaan (area) perpindahan kalor

A = 2(30 cm x 15 cm) + 2(15 cm x 90 cm) + 2(30 cm x 90 cm)

A = 9000 cm2 = 0,9 m2

Tahap 2: Mencari laju perpindahan kalor pada peti

Laju Q′ = kA∆TL

′ = 0,03Wm . °C 0,9 2250°C0,05

′ = 13.5 WTahap 3: Mencari massa es

= m = (30 x 15 x 90)cm3 x 0,99987 kg/m3

m = 40447.35 g

m = 40.447 kg


23/38

22

Tahap 4: Menghitung total kalo yang dibutuhkan untuk mencairkan es

Q = mL

Q = (40.447 kg)(333,7 kJ/kg)

Q = 13497,164 kJ

Q = 13497164 J

Tahap 5: Menghitung waktu perpindahan kalor

∆ = ′

∆ = 13497164 kJ13.5 / ∆ = 999789.926

∆t = 11.57 hari

Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk es sepenuhnya mencair adalah 11.57 hari.

2. Suatu sistem isolasi dipilih untuk dinding tanur yang suhunya 1000o

C dengan menggunakan

lapisan blok wol mineral dan diikuti dengan lapisan papan kaca serat. Bagian luar isolasi

berada dalam lingkungan dengan suhu 40oC dan h = 15 W/m2.oC. Hitunglah tebal masing-

masing lapisan isolasi, jika suhu antar lapisan tidak lebih dari 400oC dan suhu bagian luar

tidak lebih dari 55oC!

Diketahui:

Temperatur wol mineral = 400 oC

Temperatur Tanur = 1000 oC

Temperatur papan kaca serat = 55 oC

T∞ = 40 oC

h = 15 W/m2.oC


24/38

23

Ditanya

Tebal masing-masing lapisan isolasi ?

Penyelesaian:

Pertama kita harus menentukan asumsi dan mengumpulkan data yang kita dapatkan dari soal:

Data batas suhu dan konduktivitas :

Batas suhu bawah-atas Wol Mineral = 450oC – 1000oC

Batas suhu bawah-atas Papan kaca serat = 20oC – 450oC

Batas k bawah-atas wol mineral = 52 mW/m2 .oC – 130 mW/m2 .oC

Batas k bawah-atas papan kaca serat = 33 mW/m2 .oC – 52 mW/m2 .oC

wm ks

T∞ = 40oC Ttanur =1000oC


25/38

24

Gambar 1. Sistem Isolasi Dinding Tanur

Asumsi yang dapat dibuat

Nilai k pada fluida tanur tidak diketahui, sehingga perhitungan dimulai dari konduksi isolasi

wol mineral.

Setelah menentukan asumsi yang akan kita gunakan dalam penyelesaian masalah,

berikutnya kita mencari persamaan umum untuk menyelesaikan masalah matematis ini.

Rumus umum yang paling menggambarkan keadaan ini adalah sebagai berikut :

h

T T k X

T T k X

T T k A

q ks A

B

kswm B

A

wmur A 1

tan

..........(i)

Kita tinggal mensubstitusikan dengan k A merupakan k wm (konduktivitas wol mineral) dan

k A merupakan k ks (konduktivitas papan kaca serat). Persamaan menjadi:

ks

kswmks

wm

wmur A

X

T T k

X

T T k

A

q

tan

........(ii)

Pertama-tama, kita mencari nilai acuan konduksi dengan cara menghitung kalor

konveksinya :

2

2

225

15

1

4055

1 mW

C mW

C C

h

T T

A

q ks

Kemudian, kita mencari konduktivitas dari setiap bahan isolasi dengan menghitung suhurata-rata dan melihat konduktivitasnya pada tabel. Bila tidak ada angka yang tepat sama, kita

dapat melakukan interpolasi

k wm (konduktivitas wol mineral)

Suhu rata-rata: C C C

7002

4001000


26/38

25

C mmW k

C mmW

C mmW x

C

C

C mmW C mmW

C mmW x

C C

C C

wm

2

2

2

22

2

/08745,0

/78

/52

550

250

/52/130

/52

4501000

450700

k ks (konduktivitas papan kaca serat)

Suhu rata-rata: C C C

5,2272

55400

C mmW

C mmW

C mmW x

C

C

C mmW C mmW

C mmW x

C C

C C

2

ks

2

2

22

2

/042,0k

/19

/33

430

5,207

/33/52

/33

20450

205,227

Setelah kita mendapatkan konduktivitasnya, kita dapat menghitung tebal isolasi dari

setiap bahan dengan menggunaka rumus (ii)

Tebal isolasi wol mineral :

m x

mW

C C C mW

Aq

T T X X

wm

wmur kmwm

24,0

/225

4001000/09,0

2

2tan

Tebal isolasi papan kaca serat :

m x

mW

C C C mW

Aq

T T X X

ks

kswm

kmks

0644,0

/225

55400/042,0

2

2


27/38

26

Jadi,tebal masing-masing isolasi adalah : 0.24 m untuk tebal isolasi wol minera dan

0,0644 m untuk tebal isolasi papan kaca serat

3. Sebuah pipa uap ditanam di dalam tanah tanpa lokasi. Diameter pipa 4 inci, panjang 100

yard, dan di dalamnya mengalir uap pada suhu tidak kurang dari 300F. Pipa ditanam pada

kedalaman 9 inci diukur dari sumbu pipa. Asumsi: konduktivitas termal tanah = 1.2 W/m 2C.

Menurut anda, amankah instalasi pipa tersebut?

Asumsi dan Diketahui :

- Konduktivitas termal tanah = 1,2 W/m.C

- Suhu permukaan tanah = 5C

- Suhu uap = 300F = 148,89C = 422,038K

- Kedalaman pipa (D) = 9 inci = 0,2286 m = 22,86 cm

- Diameter pipa (d) = 4 inci = 0,1016 m = 10,16 cm

- Jari-jari pipa (r) = 2 inci = 0,0508 m = 5,08 cm

- Panjang pipa (L) = 100 yard = 91,44 m = 9144 cm

Pipa memiliki dimensi L >> r dan D > 3r maka berdasarkan Tabel 3-1 mengenai faktor

bentuk konduksi pada buku Heat Transfer 8th edition oleh J. P. Holman,

Faktor bentuk konduksi dapat kita cari dengan rumus :

=

(

)

= 2 × 3,14 × 91,44 ln ,,

= 574,243 1,947 = ,


28/38

27

Sehingga perhitungan heat flow pada pipa tersebut,

= × × ∆ = 1 , 2

.° × 381,8 × 148,89 ° 5°

= , = , =, Apabila uap yang mengalir pada pipa adalah uap jenuh, maka energy yang dibawa oleh 10 kg

uap (asumsi) pada suhu 300F berdasarkan steam table adalah ( hv = 1180 Btu/lbm =2744,68

kJ/kg )

=2744,68 10 = 27446,8 Instalasi pipa tergolong aman atau baik apabila energi yang hilang akibat heat loss tidak

melebihi 30 % dari energy total yang dibawa uap, dengan kata lain heat loss maksimum yang

diperbolehkan adalah

=0,3 2744,68 = 8234,04 Dengan memperhitungkan laju heat loss yaitu 50,937 maka waktu tempuh minimum yangdiperlukan oleh uap agar heat loss yang terjadi tidak melebihi batas maksimum adalah

= 8234,04

65,929

= 124,9

Dengan kata lain kecepatan minimum uap adalah, , =0,73 = 2,628 . Nilai

kecepatan uap ini masuk akal dalam kehidupan nyata sehingga kesimpulannya adalah

sistem instalasi pipa uap ini tergolong aman dan baik.

4. Sebuah bola kuarsa-lebur mempunyai difusivitas termal 9 x 10-7 m2/s, diameter 2,5 cm, dan

konduktivitas termal 1,52 W/m.C. Bola tersebut mula-mula berada pada suhu seragam

25C, dans secara tiba-tiba dberi lingkungan konveksi dengan suhu 200

C. Jika koefisien

perpindahan kalor konveksi sebesar 110 W/m2.C, hitunglah suhu pada pusat bola setelah 4

menit. Dapatkah system di atas dianggap sebagai system dengan kapasitas kalor tergabung?

Metode penyelesaian mana yang paling tepat untuk soal diatas?

Diketahui:


29/38

28

- Difusivitas termal = 9,5 x 10-7 m2/s

- Diameter bola = 2,5 cm = 0,025 m

- Jari – jari bola = 1,25 cm = 0,0125 m

- Konduktivitas termal = 1,52 W/m.C

- Suhu bola awal (uniform) = 25C

- Suhu lingkungan konveksi = 200C

- Koefisien perpindahan kalor konveksi = 110 W/m2.C

Ditanya:

a. Hitung suhu pada pusat bola setelah 4 menit!

b. Dapatkah system dianggap system dengan kapasitas kalor tergabung?

c. Metode penyelesaian apa yang paling tepat untuk soal?

Jawab:

Tahap pertama adalah menghitung Angka Biot untuk mengetahui dapatkah system pada

soal diatas dianggap system kapasitas kalor tergabung. Jika < 0, 1maka sistemmemenuhi syarat sebagai sistem kapasitas kalor tergabung.

=

= 1102 .° 0,0125 1,52 .°

= , > , 1 =

10,9046 =1,1055

Angka Biot yang didapat lebih besar dari 0,1 sehingga dapat disimpulkan untuk

menjawab pertanyaan (b) bahwa sistem bukan sistem kapasitas kalor tergabungdan

soal diatas tidak dapat diselesaikan menggunakan analisis kapasitas kalor

tergabung.

Karena Angka Biot yang didapat pada tahap pertama lebih besar dari 0,1 maka untuk

meyelesaikan soal diatas kita menggunakan Analisis Transien.


30/38

29

Tahap kedua adalah menghitung Angka Fourier. Jika < 0 , 2 maka tahap selanjutnyakita menggunakan Bagan Fourier, jika > 0 , 2 maka tahap selanjutnya kitamenggunakan Bagan Heisler.

= =

= =9,5 240 0,0125 =,>0,2

Angka Fourier yang didapat lebih dari 0,2 sehingga kita dapat menggunakan Bagan

Heisler.

Tahap ketiga adalah membaca grafik atau Bagan Heisler untuk mengetahui suhu pada

pusat bola setelah 4 menit. Grafik yang digunakan adalah grafik 4.9 pada buku Heat

Transfer 8th edition oleh J. P. Holman. Grafik ini adalah grafik yang menghubungkan

suhu pusat bola dan jari-jari bola. Jadi, untuk menjawab pertanyaan (c) Metode yang

digunakan adalah metode grafik karena metode ini merupakan yang paling tepat dan

paling mudah dilakukan pada kasus ini. Akan tetapi, tidak menutup kemungkinan

digunakan metode perhitungan lain yang lebih akurat sehingga perbandingan hasil yang

diperoleh antara metode grafik dengan metode yang lain sangatlah diperlukan.


31/38

30

Nilai yang ingin didapatkan dari pembacaan grafik adalah

. Grafik 4.9 pada buku Holman

halaman 134 merupakan grafik dengan skala logaritmik. Nilai yang didapat adalah 0,05.

Nilai ini kemudian dimasukkan ke dalam rumus:

= ∞ ∞


32/38

31

= 200 ℃25200℃

0,05= 200 ℃175 ℃

= 191,25 ℃ Jadi, jawaban untuk pertanyaan (a) yaitu suhu pusat bola setelah 240 detik adalah 191,25°C. Cara lain untuk mencari suhu pusat bola setelah 240 detik adalah dengan menggunakan

table Koefisien untuk Solusi Heisler yang terdapat pada Appendix C di buku Heat

Transfer 8th edition oleh J. P. Holman.

- Difusivitas termal = 9,5 x 10-7 m2/s

- =0,9046 - Waktu = 240 detik

- Jari – jari =0,0125 m

- Dari table diatas didapatkan nilai dan dengan menggunakan interpolasi pada dataAngka Biot 0,9 dan 1,0


33/38

32

Untuk nilai :10,9046

1 0 , 9 =1,2558

1,25581,2048

= 1,207146 Untuk nilai : 10,90461 0 , 9 =

1,20711,20711,1902

= 1,1909774 - Nilai , , Difusivitas termal, waktu, dan jari – jari dimasukan ke dalam persamaan

berikut

= exp =1,1909774exp1,207146 9,5 10−240

0,0125 =0,142050 =

∞ ∞

0,142050= 200 ℃175 ℃ = 175,14 ℃

Jadi, jika kita menggunakan Tabel Heisler suhu pusat bola setelah240 detik adalah 175,14°C.

5. Sepotong bahan keramik yang cukup tebal berada pada suhu seragam 30 °C. Untuk menguji

ketahanan bahan tersebut, dilakukan dengan menaikkan suhu permukannya menjadi 2 kali

lipat semula secara tiba - tiba. Metode apakah yang anda gunakan untuk menyelesaikan

problem di atas? Jelaskan dasar anda dalam memilih metode tersebut. Gambarkan grafik

distribusi suhu sebagai fungsi waktu pada kedalaman 1 cm, selama proses pengujian

berlangsung?

Jawab

Diketahui: = 30 ° ; = 60 ° (suhu permukaan dinaikkan dua kali dari semula).


34/38

33

Ditanya: Tujuan dari soal di atas adalah untuk menguji ketahanan suatu bahan dengan

kenaikan suhu permukaan dua kali lipat dari suhu awal dan mengukur temperatur bahan

tersebut pada kedalaman bahan tertentu selama proses kenaikan temperatur dengan

menggambarkannya dalam grafik distribusi suhu.

Asumsi:

Benda padat semi-tak-hingga karena di dalam soal tidak diketahui ukuran keramik yang

sebenarnya. Di dalam soal hanya diberitahukan bahwa bahan keramik cukup tebal.

To konstan, karena tidak ada fluks kalor tertentu yang ditambahkan.

Distribusi suhu fungsi waktu selama 150 s.

Konduktivitas termal keramik sebesar 3.0 W/m.°C, massa jenis keramik sebesar 1600

kg/m3, c = 0.8 kJ/kg.

Metode yang dipakai untuk menyelesaikan problem di atas adalah metode aliran transien karena

kita mengasumsikan bendanya sebagai benda semi-tak-hingga.

Penghitungan:

Tahap 1. Menghitung difusivitas termal:

= /.


35/38

34

= 31600.800= 2.344 10−6 ²/ Tahap 2. Karena To diasumsikan konstan, kita menggunakan persamaan sebagai berikut:

, =erf

√ 2

, = +erf √ 2

, =60+erf 0.01 22.344×10− 3060

, =60erf 4.62√ 30 Untuk memudahkan perhitungan dan memudahkan dalam membuat grafik distribusi suhu,

persamaan di atas bisa dibuat dengan tabel seperti berikut:

Untuk menghitung error function, kita menggunakan referensi Tabel A-1 Appendix A pada buku

Perpindahan Kalor J. P. Holman. Untuk prosedur dalam mendapatkan nilai error function akan

dijelaskan di bawah ini :

Pertama-tama kita hitung terlebih dulu nilai =2 dalam tabel adalah nilai 4.62 .


36/38

35

Lalu, kita cari nilai error function pada Tabel A-1 Appendix A. Sebagai contoh, kita

ambil ketika τ = 5 s di dalam tabel dimana, =2 =2.07. Karena 2.07 berada pada titik di antara 2.00 dan 2.10, untuk mendapatkan nilai error

function pada titik 2.07 kita harus melakukan interpolasi antara titik 2.00 dan 2.10.

Hasil interpolasi memberikan nilai y=0.9965

Setelah kita melengkapi Tabel 1 (Tabel Penghitungan Distribusi Suhu), untuk mendapatkan

suatu grafik distribusi suhu pada waktu tertentu pada kedalaman 1 cm. Plot τ sebagai sumbu x

dan T(x, τ) sebagai sumbu y.

Didapatkan persamaan garisnya adalah y=0.1155x + 32.73


37/38

36

DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Y. 2006. Heat Transfer 2nd Edition. New York: Mc. Graw-Hill.

Kern, Donald Q. 1965. Process Heat Transfer. New York: Mc.Graw-Hill Company, Inc.

Incropera, Frank P.; David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine

(2007). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6th ed.). John Wiley & Sons. pp. 260 –

261

Halliday and Resnick. 1991. Fisika Jilid 1 (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga.

McAdams, W.H., “Heat Transmision”, 3rd edition, McGraw Hill Book Company, Inc., New York.

Holman, J.P., “Heat Transfer ”, sixth edition, McGraw Hill, Ltd., New York, 1986.

Buchori, L. “Perpindahan Panas (Heat Transfer)”. Semarang: Universitas Diponegoro


38/38

LAMPIRAN

makalah pk pemicu 1 hg 8

Documents