PERPINDAHAN PANAS DAN NERACA ENERGI

Perpindahan kalor atau alih barang (heat transfer) ialah ilmu untuk

meramalkan perpindahan energy yang teradi kerena adanya perbedaan suhu

diantara benda atau material. Dari termodinamika telah kita ketahui bahwa energy

yang pindah itu dinamakan kalor atau bahang atau panas (heat). Ilmu perpindahan

kalor tidak hanya mencoba menelaskan bagaimana energy itu berpindah dari satu

benda kebenda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi

pada kondisi-kondisi tertentu. Kenyataan bahwa disini terjadi sasaran analisis ialah

masalah laju perpindahan, inilah yang membedakan ilmu perpindahan kalor dari ilmu

termodinamika.

Jenis – jenis perpindahan panas yaitu:

1. Perpindahan Panas Secara Konduksi

Hukum Fourier

Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa

kesebandingan yang ada antara laju aliran kalor melintas permukaan isothermal dan

gradient suhu yang terdapat pada permukaan itu. Hukum itu dapat ditulis sebagai

berikut:

dq/dA=-k

Dimana : A=Luas permukaan isothermal

n = Jarak,di ukur tegk lurus terhadap permukaan itu

q = Laju aliran kalor melintas permukaan itu pada arah normal

terhadap

permukaan

T = suhu

1

K= konstanta

Tanda negative menunjukkan bahwa kenyataan fisik bahwa kalor mengalir

dari yang panas ke yang dingin.Hukum fourier menyatakn bahwa k tidak bergantung

pada gradient suhu tetapi tidak selalu demikian halnya terhadap suhu itu sendiri.

Zat padatyang nilai k nya rendah di manfaatkan sebagai isolator kalor untuk

membuat aliran kalor minimum.

Bahan – bahan isolasi berpori seperti busa polistirena, berfungsi menangkap

udara,sehinnga dengan demikian meniadakan konveksi.

Perpindahan panas secara konduksi dapat di bagi menjadi dua :

1. Konduksi keadaan steady

2. Konduksi keadaan unsteady

Konduktivitas termal

Mekanisme konduksi termal pada gas cukup sederhana. Energi kinetic

molekul di tunukkan oleh suhunya, jadi pada bagian bersuhu tinggi molekul –

molekul mempunyai kecepatan yang lebih tinggi dari pada yang berada pada bagian

yang bersuhu rendah. Jika suatu molekul bergerak dari daerah bersuh tinggike

daerah bersuhu rendah, maka molekul itu menyangkut energy kinetic ke bagian

system yang suhunya lebih rendah.

Nilai konduktivitas termal beberapa bahan di berikan dalam daftar yaitu,

Bahan w/m 0 c Btu / h .ft. 0 F

Logam

Perak 410 237

Tembaga 385 223

Aluminium 202 117

Nikel 93 54

Besi 73 42

Baja karbon 1% 43 25

Timbale 35 20,3

Baja krom/nikel (18 16,3 9,4

2

Cr,8% Ni)

Bukan logam

Kuarsa (sejajar sumbu) 41,6 24

Magnesit 4,15 2,4

Marmer 2,08 – 2,94 1,2 -1,7

Batu pasir 1,83 1,06

Kaca, jendela 0,78 0,45

Kayu maple/ek 0,17 0,096

Serbuk gergaji 0,059 0,034

Wol kaca 0,038 0,022

Zat cair

Air-raksa 8,21 4,74

Air 0,556 0,327

Amonia 0,540 0,312

Minyak lumas 0,147 0,085

Freon 12,ccl2 F2 0,073 0,042

Gas

Hidrogen 0,175 0,101

Helium 0,141 0,081

Udara 0,024 0,0139

Uap air (jenuh) 0,0206 0,0119

Karbon dioksida 0,0146 0,00844

Satuan untuk konduktivitas termal ialah watt per meter per derajat celcius.

Energi termal dihantarkan dalam zat padat menurut salah satu dari 2 modus berikut :

melalui gateran kisi atau dengan angkutan melalui elektron bebas.

2. Perpindahan Panas Secara Konveksi

Bila arus atau partikel – partikel makroskopik fluida melintas suatu permukaan

tertentu,seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendali arus itu akan ikut

membawa serta seumlah tertentu entalpi. Aliran entalpi demikian disebut aliran

3

konveksi kalor/singkatnya konveksi. Oleh karena konveksi itu konveksi merupakan

suatu fenomena makroskopik yang hanya berlangsung bila haya ada gaya yang

bekerja pada partikel / ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya

gesekan konveksi sangat erat kaitannya dengan mekanika fliuda. Bahkan, secara

termodinamik, konveksi itu dianggap bukan sebagai aliran kalor, tetapi sebagai aliran

kalor luksentalpi. Pengidentifikasian konveksi dengan aliran kalor hanyalah untuk

memudahkan saja, karena dalam prakteknya sulit untuk membedakan antara

konveksi dengan konduksi yang sebenarnya apabila keduanya di gabungkan

dibawah satu nama konveksi saja. Contoh konveksi adalah perpindahan entalpi oleh

pusaran- pusaran (eddy) aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir

melintas dan menjauhi radiator ( pemanas) biasa.

3. Perpindahan Panas Secara Radiasi

Radiasi ialah istilah yang yang digunakan untuk perpindahan energy melalui

ruang oleh gelombang – gelombang elektro magnetic. Jika radiasi berlangsung

melalui ruang kosong, ia tidak di transformasikan menjadi kalor atau bentuk – bentuk

lain energy, dan ia tidak pula akan berbelok dari lintasannya. Tetapi, sebaliknya bila

terdapat zat apda lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi (di teruskan),

refleksi(di pantulkan),dan absorpsi(di serap) hanya energy yang di serap itu saja

yang muncul sebagai kalor dan transformasi ini bersifat kuantitatif. Sebagai contoh,

kuarsa lebur akan hampir semua radiasi yang menyimpannya; permukaan

buram,mengkilap/ cermin memantulkan sebagian besar radiasi yang jatuh padanya.

Sedang permukaan hitam / yang tidak mengkilap akan menyerap kebnyakan radiasi

yang di terimanya dan mengubah energy yang di serapnya itu menjadi kalor.

Gas – gas beratom satu (mono atom) dan beratom 2(di atom)bersifat

transparan / cerah terhadap radiasi termal, dan tidak jarang di temukan bahwa kalor

mengalir melalui gas itu dengan cara radiasi,serta konduksi/konveksi bersama –

sama. Contohnya ialah proses hilangya kalor dari radiator atau pipa uap tanpa isolasi

ke udara ruang sekitar, dan perpindahan kalor di dalam tungku dan alat – alat

pemanas gas suhu tinggi lainnya. Kedua mekanisme itu tidak saling bergantung satu

sama lainnya, dan berlangsung secara paralel, sehingga masing – masing ragam

aliran kalor itu dapat dikendalikan dan di ubah tanpa memoengaruhi ragam yang lain. 4

Konduksi konveksi dan radiasi dapat di kai secara terpisah dan pengaruhnya masing

– masing lalu di jumlahkan bila mana keduanya sama –sama penting Secara sangat

umum, radiasi mejadi penting pada suhu tinggi, dan tidak bergantung pada situasi

aliran fluida. Konduksi konveksi sangat peka terhadao aliran dan kurang terpengaruh

oleh tingginya suhu.

PERSAMAAN – PERSAMAAN PERPINDAHAN PANAS SECARA

KONDUKSI, KONVEKSI ,DAN RADIASI

a. Persamaan Perpindahan Panas Secara Konduksi

Konduksi keadaan steady

q/A = - k dT / dx

dT = - q/Ka dx

q/A = k T1 – T2/ x2-X1 = k

dimana ; X2 – X1 = B= Tebal lempeng

T1 – T2 = = Penurunan suhu(beda suhu) melintas lempeng.

Contoh:

Sebuah lapisan serbuk gabus,tebal 6”(152mm) di gunakan sebagai lapisan

isolasi termal pada sebuah dinding rata.Suhu pada sisi gabus yang dingin

ialah 400F(4,40C) Dan pada sisi panas 1800F(82,20C).Konduktivitas termal

gabus pada 320F(00c) ialah 0,021Btu/ft/jam/0F(0,036W/m/0C) Dan pada 2000F

(93,30c) ialah 0,032(0,05). Luas dinding ialah 25ft2(2,32m2). Berapakah lau

aliran kalor melalui dinding it dalam Btu/jam?(Watt)

Penyelesaian:

Rata- rata aritmetik suhu lapisan gabus itu ialah = (40 + 180)/2 = 110 .

Dengan interpolasi linear, konduktivitas termal pada 1100F ialah :

5

K= 0,021 + (110-32)(0,032-0,021)/ 200-32

= 0,021 + 0,005

= 0,026 Btu/ft/jam/0F

Demikian pula:

A= 25 ft2

180-40

=1400F

B = 6/12

=0,5 ft

Substitusi kedalam persamaan:

q=

=0,026 X 25 X 140/0,5

=182 Btu/jam( 53,3 watt)

Konduksi keadaan Unsteady

Ts-TB/ TS – Ta = 8/phi2(e-a1N

F0 + 1/9 e -9a1NF0 + 1/25 e-25a1Nfo +…)

Dimana :

Ts = suhu tetap rata- rata permukan lempeng

Ta = suhu awal lempeng

6

Tb = suhu rata –rata lempeng pada waktu tT

Nfo = angka fourier yang defenisinya ialah αtT/S2

α= Difusivitas termal

tT= Waktu pemanasan / pendinginan

S = ½ tebal lempeng

a=(phi/2)2

Kalor total :

QT/A = sρcp(Tb – Ta)

Contoh:

Sebuah lempeng plastic yang pada mulanya berada pada suhu 700F

Ditempatkan diantara 2 plat yang suhunya 2500F. Lempeng itu tebalnya 1,0”

(2,54cm) berapa lama waktu diperlukan untuk menaikkan suhu lempeng itu

menjadi suhu rata – rata 2100F. Berapa banyak kalor dalam Btu, yang di

pindahkan dalam lempeng itu selama waktu itu/ft/m3? Densitas zat padat ialah

56,2 lb/ft3(900 kg/m3) Konduktivitasnya 0,075 btu/ft/jam/0F(0,13 w/m/0c) kalor

speSIFIK 0,40 Btu/LB/0f (1,67 j/g/0c.)

Penyelesaian :

(a) besaran yang diperlukan untuk digunakan ialah

K = 0.075 Btu/ft-jam0f ρ = 56.2 lb/ft3 cp = 0.40 Btu/lb-0f

S = 0.5/12 = 0.0417 ft Ts = 2500f Ta = 700f Tb = 2100f

Jadi Ts – Tb / Ts - Ta = 250 – 210 / 250 -70 = 0.222

α = k/ρcp = 0.075 / 56.2 x 0.40 = 0.00335

NFo = 0.52 = 0.00335 tT / 0.04172

tT = 0.27 jam = 16 min

7

(b) subtitusi kebersamaan QT /a = 0,0417 x 56.2 x 0.40 (210 – 70) = 131

Btu/ft2 (1487kJ/m2)

b. Perpindahan Panas Konveksi Alamiah dan Konveksi Paksa

Gaya –gaya yang menggerakan arus konveksi didalam fluida terdiri dari dua

macam. Jika arus itu terjadi sebagai akibat gaya apung yang disebabkan oleh

perbedaan densitas, dan perpedaan den sitas ini adalah akibat dari adanya gradient

suhu didalam masa fluida itu, maka peristiwa itu disebut konpeksi alamiah. Contoh

konveksi alamiah ialah aliran udara melintas radiator panas. Ika arus itu digerakkan

oleh suatu peranti makanik, seperti pompa dan agitator (pengaduk), aliran itu tidak

bergantung kepada gradient densitas, dan disebut konveksi paksa contoh konveksi

paksa ialah aliran kalor melalui pipa panas. Kedu macam gaya ini mingkun pula

bekerja bersama-sama didalam fluida yang sama, sehingga konveksi alamiah dan

konveksi paksa berlangsung bersama-sama.

1. Perpindhan kalor konveksi bebas pada Plat – Rak pertikal

Sebuah plat pertikal apabila dipanaskan, terbentuklah suatu lapisan-lapisan

konveksi bebas. Kecepatan adalah 0, Karen terdapat kondisi tanpa gelincir,

kecepatan itu bertambah terus sampai mencapai suatu nilai maksimum, dan

kemudian menurun lagi hingga nol pada tepi lapisan batas kar ena kondisi

arus bebas, tidak ada pada system konveksi bebas. 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 kelapisan batas

turbulen. Pada arak lebih jauh pada plat itu lapisan batas mungkin sudah

menjadi turbulen sepenuhnya.

Rumus empiris untuk konversi bebas

8

Merupaka produk perkalian antara angka 6 rashof dan angka prandti disebut

angka Rayleigh :

Ra = Gr x Pr

2. Konveksi bebas dari bidang silinder vertical

Silinder vertical dapat ditangani :

D/L 35/GrL1/4

Dimana : D = Diameter Silinder

L = Panjang

G = Kecepatan Masa

3. Konveksi bebas dari plat horizontal

L = A/P

Dimana : A = Luas

P = Perimeter Basah

L = Panjang

4. Konveksi bebas dari permukaan miring

Untuk plat yang dipanaskan dalam air pada berbagai sudut kemiringan sudut

yang dibuat plat itu dengan bidang vertical itu ditandai dengan V, dengan

tanda Positif untuk menunjukan bahwa permikaan pemanas menghadap

kebawah. Dalam peramalan konveksi bebas dari permukaan miring masih

terdapat berbagai ketidak pastian.

5.konveksi bebas dari bola

Yuge menyarankan rumus empiris untuk perpindahan kalor konveksi bebas

dari bola ke udara.

NuF= + 0,43 (Grf Prf)1/4

Persamaan ini diharapkan terutama berlaku untuk perhitungan konveksi

bebas pada gas, akan tetapi dapat pula digunakan untuk zat cair. Hasil

perkalian angka Grashof dan Pranditi yang rendah, angka Nusselt mendekati

9

2,0. Nilai – nilai yang di dapatkan pada konduksi murni melalui fluida stagnan

tak terhingga yang mengelilingi bola itu.

6.Konveksi bebas dalam ruangan tertutup

Perpindahan kalor pada ruang tertutup horizontal menyangkut dua situasi

yang berbeda. Jika plat berada pada suhu yang lebih tinggi dari plat bawah

fluida yang densitasnya lebih rendah berada di atas fluida yang densitasnya

lebih tinggi dan tidak terjadi arus konveksi.

konveksi bebas dalam ruang tertutup tidak selalu cocok satu sama lain, tetapi

semuanya itu dapat dinyatakan dalam bentuk umum sebagai berikut:

ke/k = C (Gr Pr)n (L/ )m

Apabila tidak ada informasi khusus,maka dalam perancangan perpindahan

kalor untuk ruang tertutup miring dapat di hitung dengan mensubtitusikan g’

sebagai pengganti g dalam angka Grashof dimana :

g’ = g cos

c. Neraca Energy

dalam menggunakan neraca energy perlu dibedakan pengertian antara

proses alir dimana bahan masuk dan keluar system secara kontinu, dengan

prose bukan alir (batch) dimana bahan masuk dan keluar system tidak secara

kontinu. Energy dapat berada dalam beberapa bentuk yakni :

1. Energy dalam : dinyatakan dengan U persatuan masa atau mU untuk

masa m. karena tidak ada instrument yang dapat mengukur energy dalam

ini. Energy dalam dapat dinyatakan atau diukur dalam variable lainnya

misalnya tekanan, volume suhu atau komposisi.

2. Energy yang berupa kerja untuk memasukan bahan kedalam system kerja

ini dinyatakan dengan :

m2v(p2v2) – m1( p1v1)

dimana p = tekanan system

v = volum persatuan masa

10

bentuk energy ini hanya ada pada proses alir.

3. Energy potensial dari system = mz gL/gc dimana z beda tinggi terhadap

bidang refrns; gL harga gravitas iditempat ketinggian L dan gc konstanta

garvitasi (factor konversi) SI : = mz g: P = zg.

4. Tenaga kinetic dari bahan yang masuk dan keluar system, dinyatakan

dengan ½ mv2.

K= mv2/2gc: k= v2/2gc

Daftar notasi yang digunakan dalam neraca enegri

Jenis energy Pada saat t1 Pada saat t2

1. Yang menyangkut akumulasi :

Energy dalam Ut1 Ut2

Energy kinetik Kt1 Kt2

Energy potensial Pt1 Pt2

2. Energy yang menyertai transport massa: Masuk system Keluar system

Energy dalam U1 U2

Energy kinetik K1 K2

Energy potensial P1 P2

massa m1 m2

3. Panas (net heat) masuk kedalam sistem Q

4. Kerjayang dilakukan oleh system

terhadap keliling

W

5. Kerja pada saat bahan masuk kedalam

sistem

(p2v2) m2 – (p1v1) m1

Persamaan neraca energy ini pada proses-proses industry, umumnya dapat

disederhanakan yaitu :

1. Proses tidak mengalami akumulasi ( keadaan mantap – steady), E = 0

11

2. Proses batch tanpa transper massa ( m1 = m2 = 0 ) E = Q – W

3. Proses batch tanpa transper massa ( m1 = m2 = 0 ) dan tanpa akumulasi ( E =

0 ), Q = W

4. Proses alir tanpa akumulasi Q –W = ( H + K + P )m

5. Proses alir tanpa akumulasi Q = 0, W = 0, K = 0, P = 0, H = 0. Persamaan ini

merupakan persamaan neraca entalpi.

6. Tanpa akumulasi ( E = 0 ), tanpa transper massa (m1 = m2 = 0) Q = W

Contoh :

Udara ditekan dari 100kPa dan 255k ( H = 509kj/kg). Tentukan daya compressor

yang di butuhkan jika kecepatan udara keluar compressor 60m/detik dan udara yang

di tekan 100kg/jam?

Jawab:

Analisa: U1 = 0 w U2 =

100kPa 1000kPa

255k batas sistem 278k

H = 509 kj/kg H = 489 kj/kg

m = 200 kg/jam

Penyelesaian:

W= -

12

2/(det)2]1kj/1000(kg)(m)2/(detik)2

=1,80 kj/kg

W= -(20 + 1,8) = -21,8 kj/kg

Kw= [21,8 kj/kg 1kw/1kg/detik

Kapasitas panas

Kapasitas panas adalah energy panas yang dioerlukan untuk menaikan suhu

sejumlah tertentu zat sebesar satu derajat (0c 0f 0k) dimana energy dapat diberikan

dengan cara perpindahan panas dalam suatu proses yang tertentu untuk

menentukan harga Cp atau Cv secara eksperimen, harus dihitung dari neraca

energy dan ditentukan panas untuk perubahan entalpi yang kecil.

Ada dua jenis harga kapasitas panas yaitu :

Cp = ( )p

Cv = ( )v

Pendekatan atau estimasi dari kapasitas panas jika dat percobaan tidak ada,

dapat digunakan rumus pendekatan.

a. Untuk cairan padat

Salah satu cara untuk pendekatan dapat dilakukan dengan aturan kopp,

meskipun cara pendeketan ini amat kasar. Kapasitas panas suatu zat cair

atau padat pada suhu kamar adalah sama dengan jumlah kapasitas unsur-

unsur atau atom yang menyusunnya.

b. Cairan

1. Larutan

13

Jika tidak ada data percobaan, kapasitas panas larutandalam air dapat di

anggap mendekati kapasitas panas pelarutnya.

Contoh : larutan NaCl 21.6% dalam air diperkirakan mempunyai kapasitas

panas 0.784 kal/(g)(0C) : hasil percobaan memberikan harga 0.806 kal/(g)

(0C) pada 250C.

Panas Reaksi

Semua reaksi kimia selalu disertai pengeluaran atau penyerapan energy

berupa panas. Termokimia merupakan ilmu yang mempelajari perubahan energy

dalam reaksi kimia. Unutuk reaksi alir atau flow reaction, jika tenaga kinetic potensial

dan tenaga mekanik dapat diabaikan, maka panas yang ditambahkan sama dengan

perubahan entalpi system.

q=

Untuk reaksi bukan alir ( non flow reaction) pada tekanan tetap energy yang

ditambahkan sama dengan kenaikan entalpi.

q =

untuk reaksi bukan alir pada volume tetap, panas yang ditambahkan sama dengan

kenaikan energy dalam dari system.

q =

Panas Reaksi Standart

Panas reaksi standart didefinisikan sebagai perubahan entalpi dari suatu

reaksi pada tekanan satu atm dimana bahan masuk dan bahan yang diahsilkan pada

suhu konstan (250C)

Data untuk menghitung panas reaksi standart, biasanya diberikan dalam bentuk :

a. Panas pembentukan standart

14

b. Panas pembakaran standart

Satuan untuk kedua besaran ini, adalah energy/mol : misalnya kkal/mol, Btu/lb mol.

Panas Pembentukan Standart

Panas pembentukan standart merupakan panas reaksi yang khusus, yaitu

panas pembentukan senyawa dari unsur-unsurnya, dimana suhu reaktan dan produk

25oC dengan tekanan 1 atm. Panas pembentukan dapat digunakan untuk

menghitung panas reaksi.

Panas Pembakaran Setandart

Metode yang kedua untuk menyatakan data termokimia, dinyatakan dalam

panas pembakaran standart. Panas pembakaran standart tidak mempunyai keadaan

standart yang sama dengan panas pembentukan standart.

Panas pembakaran standart selalu negative. Harga yang positif menunjukan

bahwa zat tidak terbakar atau tidak teroksidasi. Panas reaksi standart dapat dihitung

dari panas pembakaran standart dengan persamaan :

H0 = - ( 0c produk - 0

c pereaksi)

= - ( prod.0c prod. - pereaksi

0c pereaksi )

Entalpi dalam neraca energy.

Entalpi merupakan umlah energy dalam dan perkalian pV. Meskipun entalpi

mempunyai satuan energy, tapi pada umumnya tidak dapat dianggap seluruhnya

energy.

Entalpi dapat dimasukkan dalam neraca energy dengan 2 kondisi :

1. Dalam proses alir reversible : entalpi merupakan jumlah energy dalam dan

kera alir ( flow work)

2. Dalam proses bukan alir pada tekanan tetap, dimana kejra hanya dalam

bentuk ekspansi

Suhu Reaksi Adiabad15

Jika reaksi berjalan tanpa kehilangan atau penambahan panas dari

lingkungannya dan tidak ada pengaruh lain, misalnya kerja, ionisasi, pembentukan

radikal bebas dan lain sebagainya. Entalpi produk, dari ni mol produk pada T0k,

relatif terhadap 2980k :

= ni Cpid T + I i

16