Dasar Perpindahan Panas

Pada bab ini membahas tentang perpindahan energi. Hasil analisis hukum pertama

hanya bagian dari informasi yang diperlukan untuk evaluasi lengkap dari sebuah proses atau

kondisi yang menyebabkan perpindahan energi. Terdapat 3 macam cara perpindahan panas

yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Semua proses perpindahan panas melibatkan satu atau

lebih cara.

Perpindahan energi secara konduksi memiliki dua cara. Mekanisme pertama adalah

bahwa interaksi molekul, di mana gerakan yang lebih besar dari molekul pada tingkat energi

yang lebih tinggi (suhu) memberikan energi untuk molekul yang berdekatan pada tingkat

energi yang lebih rendah. Jenis transfer ini, sampai tingkat tertentu, dimana dalam semua

sistem ada gradien suhu dan terdapat molekul padat, cair, atau gas. Mekanisme kedua pada

perpindahan panas konduksi adalah dari elektorn yang bebas. Mekanisme elektron bebas ini

sangat penting terutama dalam padatan logam murni, konsentrasi elektron bebas merubah

campuran dan menjadi sangat rendah untuk padatan non logam. Kemampuan padatan untuk

melakukan perubahan panas secara langsung dengan konsentrasi elektron bebas, sehingga

tidak heran bahwa logam murni adalah konduktor panas yang baik.

Sebagai konduksi panas terutama kejadian molekul, kita mengharapkan persamaan

dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses ini mirip dengan pernyataan yang

digunakan dalam saat perpindahan molekul, persamaan (7-4). Persamaan tersebut pertama

kali dinyatakan pada tahun1822 oleh Fourier dalam bentuk :

qxA

= -k dTdx

Dimana qx : Penilaian perpindahan panas dalam arah x, Watt atau Btu/h

A : Daerah normal terhadap arah aliran panas, in m2 atau ft2

dTdx

: Gradien suhu dalam arah x, K/m atau oF/ft

k : Konduktivitas termal, W/(mL) atau Btu/h fto F

Konduktivitas Termal

Mengingat volume kontrol ditunjukkan pada Gambar 15.1, di mana transfer energi

dalam arah y adalah hanya pada skala molekul, kita dapat menggunakan analisia hokum

pertama Bab 6 sebagai berikut. Transfer massa di bagian atas mengatur volume ini adalah

dianggap terjadi hanya pada skala molekul. Kriteria ini bertemu dengan gas pada aliran

laminar.

Gambar 15.1 Gerak molekul pada permukaan dari volume yang terkontrol

Konveksi

Perpindahan panas karena konveksi melibatkan pertukaran energi antara permukaan

dan fluida yang berdekatan. Perbedaan harus dibuat antara gaya konveksi, dimana cairan

dibuat mengalir melewati permukaan padat oleh agen eksternal seperti kipas angin atau

pompa, dan bebas atau dasar konveksi dimana panas (atau dingin) cairan selanjutnya batas

padat menyebabkan sirkulasi karena perbedaan kepadatan yang dihasilkan dari perbedaan

suhu di seluruh daerah cairan.

Persamaan laju untuk transfer panas konvektif yang pertama kali diungkapkan oleh

Newton pada 1701, dan disebut sebagai persamaan tingkat Newton atau hukum Newton

tentang pendinginan. Persamaan ini :

q/A = h∆T

Dimana :

q : laju perpindahan panas konduktif, W atau Btu/h

A : daerah yangnormal untuk arah aliran panas, m2 atau ft2

∆T : Perbedaan suhu antara permukaan dan fluida, K atau oF

H : koefisien perpindahan panas konvektif, W/m2K atau Btu/h ft2 oF

Radiasi

Perpindahan panas radiasi antara permukaan berbeda dari konduksi dan konveksi dalam

bahwa tidak ada media yang diperlukan untuk perambatan; memang perpindahan energi oleh

radiasi maksimum ketika dua permukaan yang bertukar energi dipisahkan oleh vakum

sempurna. Tingkat emisi energi dari radiator sempurna atau hitam diberikan oleh :

qA

= σT 4

Dimana :

q : tingkat emisi energi radiasi, W atau Btu / h

A : luas permukaan memancarkan, m2 atau ft2

T : Temperatur absolut, K atau oR

σ : konstanta Stefan-Boltzmann, yang setara dengan 5.676 x 10-8 W / m2 K4 atau 0.1714

676 x 10-8 Btu / h ft2 oR4

Mekanisme Gabungan Dari Perpindahan Panas

Tiga cara perpindahan panas telah dipertimbangkan secara terpisah. Sangat jarang,

dalam situasi, hanya satu yang terlibat dalam transfer energi. Hal ini akan menjadi pelajaran

untuk melihat beberapa situasi di mana perpindahan panas dicapai dengan kombinasi dari

mekanisme-mekanisme tersebut. Pada kondisi konduksi steady-state melalui permukaan yang

datar pada suhu konstan T1 dan T2. Dituliskan dalam persamaan tingkat Fourier untuk arah x,

yaitu :

qxA

= -k dTdx

Penutupan

Bentuk dasar dari energi dalam mentransfer dengan cara konduksi, konveksi, dan

radiasi, bersama dengan hubungan sederhana pada tingkat perpindahan energi dan

penghantar, serta konduktivitas termal, dan beberapa pertimbangan yang diberikan untuk

mentransfer energi dalam gas monoatomik pada tekanan rendah. Persamaan laju untuk

perpindahan panas adalah sebagai berikut:

Konduksi: Persamaan tingkat Fourier

qA

= −k ∇T

Konveksi: Persamaan tingkat Newton

qA

= h∆T

Radiasi: Hukum Stefan-Boltzmann untuk energi yang dipancarkan dari permukaan hitam

qA

= σT 4

Mode Gabungan perpindahan panas dianggap, khususnya yang berkaitan dengan sarana

menghitung tingkat perpindahan panas ketika beberapa modus transfer terlibat. Tiga cara

menghitung tingkat perpindahan panas steady-state yang diwakili oleh persamaan :

q= ∆T

∑ RT

Efek radiasi termal disertakan, bersama dengan konveksi, nilai koefisien permukaan

ditentukan suatu masalah.