PERPINDAHAN KALOR RADIASI

PERPINDAHAN KALOR RADIASI

Radiasi thermal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya

MEKANISME FISIS

Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik, radiasi thermal hanyalah salah satu diantaranya. Apapun jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya 3 x 1010 cm/s. kecepatan ini sama dengan hasil perkalian panjang gelombang dengan frekuensi radiasi

c = ( (dimana c = kecepatan cahaya

( = panjang gelombang( = frekuensi

satuan ( boleh sentimeter, angstrom (1 = 10-8cm) atau mikrometer (1(m = 10-6m). Perambatan radiasi thermal berlangsung dalam bentuk kuantum-kuantum yang diskrit, setiap kuantum mengandung energi sebesar :

E = h v

Dimana h adalah konstanta Planck yang nilainya

h = 6,625 x 10-34 J. s

bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang gelombang maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut :

E = ( T4

Persamaan diatas disebut hukum Stefan-Boltman. E adalah energi yang diradiasikan per satuan waktu dan per satuan luas radiator ideal dan ( adalah konstanta Stefan-Boltman yang nilainya :

( = 5,669 x 10-8 W/m2 K4 = 0,1714 x 10-8 Btu/h Ft2 oR4

SIFAT SIFAT RADIASI

Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan maka sebagian dari radiasi itu akan :

Dipantulkan (refleksi)

Diserap ( absorbsi)

Diteruskan (transmisi)

Radiasi datang Refleksi

Absorbsi

Transmisi

Gambar : pengaruh radiasi

Fraksi yang dipantulkan dinamakan reflektivitas (()

Fraksi yang diserap dinamakan absorptivitas (()

Fraksi yang diteruskan dinamakan transmisivitas (()

Maka dapat dituliskan persamaan sebagai berikut :

( + ( + ( = 1

kebanyakan benda padat tidak meneruskan radiasi termal sehingga untuk kebanyakan soal-soal terapan transmisivitas dapat dianggap sama dengan nol sehingga persamaan menjadi :

( + ( = 1

Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu permukaan, yaitu :

Apabila sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi maka dikatakan refleksi itu spekular (specular)

Apabila berkas yang jatuh itu tersebar secara merata ke segala arah sesudah refleksi disebut baur (diffuse)

Gambar : (a) spekular ((1 = (2)

(b) refleksi baur

Daya emisi (emissive power) E suatu benda adalah energi yang dipancarkan benda itu per satuan luas per satuan waktu. Untuk mendapatkan hubungan antara daya emisi suatu benda dengan sifat bahan kita dapat melakukan eksperimen dalam pikiran. andaikata kita mempunyai suatu ruangan tertutup yang terbuat dari benda hitam sempurna yaitu yang menyerap seluruh radiasi yang menimpanya. Ruang itu juga akan memancarkan radiasi menurut hukum Stefan-Boltzmann. Umpamakan fluks radiasi yang diterima oleh suatu bidang dalam ruang itu ialah qi W/m2. kemudian, diumpamakan ada suatu benda yang ditempatkan dalam ruangan itu dan dibiarkan mencapai kesetimbangan suhu. Pada keadaan setimbang, energi yang diserap benda akan sama dengan energi yang dipancarkan sebab jika tidak tentu ada energi yang mengalir keluar atau masuk benda itu dan menyebabkan suhunya naik atau turun.

Gambar : model yang digunakan untuk menurunkan hukum kirchhoff

Pada keadaan setimbang dapat ditulis persamaan :

E A = qi A (Jika sekarang benda didalam ruangan tersebut digantikan dengan benda hitam yang bentuk dan ukurannya sama dan benda hitam tersebut dibiarkan mencapai keseimbangan dengan ruang itu pada suhu yang sama, maka :

Eb A = qi A (1)

Karena absorptivitas (() benda hitam adalah satu. Jika kedua persamaan tersebut dibagikan/dibandingkan maka diperoleh :

E/Eb = (Dan kita dapatkan bahwa perbandingan daya emisi suatu benda dengan daya emisi benda hitam pada suhu yang sama adalah sama dengan absorptivitas benda itu. Perbandingan ini disebut emisivitas ( benda.

( = E/Eb sehingga ( = (Persamaan terakhir disebut identitas Kirchhof (Kirchhofs identity). Disini perlu diingat bahwa emisivitas dan absorptivitas yang dibahas ialah sifat-sifat total benda itu artinya merupakan tingkah laku integral bahan itu untuk keseluruhan panjang gelombang.

BENDA KELABU

Benda kelabu (gray body) adalah benda yang mempunyai (( yang tidak tergantung dari panjang gelombang.

Emisivitas monokromatik didefinisikan sebagai perbandingan antara daya emisi-monokromatik benda itu dengan daya emisi monokromatik benda hitam pada panjang gelombang dan suhu yang sama.

(( = E(/Eb(Dimana Eb( ialah daya emisi benda hitam per satuan panjang gelombang. Jika terdapat kondisi benda kelabu artinya (( = konstan maka persamaan menjadi sederhana.

( = ((FAKTOR BENTUK RADIASI

Perhatikan dua buah permukaan hitam A1 dan A2 seperti pada gambar berikut :

Gambar : Bagan yang menunjukkan unsur bidang yang digunakan untuk menurunkan faktor bentuk radiasi.

Kita ingin mendapatkan suatu persamaan umum untuk pertukaran energi antara kedua permukaan itu apabila keduanya mempunyai suhu yang berlainan. Masalahnya adalah bagaimana menentukan jumlah energi yang meninggalkan permukaan yang satu dan mencapai permukaan yang lain. Untuk menyelesaikan persoalan ini kita definisikan faktor bentuk radiasi (radiation shape factor) sebagai berikut :

F12 = fraksi energi yang meninggalkan permukaan 1 yang mencapai permukaan 2

F21 = fraksi energi yang meninggalkan permukaan 2 yang mencapai permukaan 1

Fmn = fraksi energi yang meninggalkan permukaan m yang mencapai permukaan n

Nama lain untuk faktor bentuk radiasi ialah faktor pandangan (view factor), faktor sudut (angle factor) dan faktor konfigurasi (configuration factor). Energi yang meninggalkan permukaan 1 dan sampai permukaan 2 ialah

Eb1 A1 F12

Dan energi yang meninggalkan permukaan 2 dan sampai ke permukaan 1 adalah

Eb2 A2 F21

Oleh karena semua permukaan itu hitam seluruh radiasi yang menimpanya akan diserap dan pertukaran energi netto ialah ;

Eb1 A1 F12 - Eb2 A2 F21 = Q1-2

Jika kedua permukaan itu mempunyai suhu yang sama maka tidak terjadi pertukaran kalor, artinya Q1-2 = 0 juga

Eb1 = Eb2Sehingga

A1 F12 = A2 F21

Persamaan tersebut berlaku secara umum untuk dua permukaan m dan n sebagai berikut :

Am Fmn = An Fnm

Walaupun hubungan tersebut diturunkan untuk permukaan hitam, namun dapat berlaku juga untuk permukaan lain selama terdapat radiasi baur.

PERTUKARAN KALOR ANTARA BENDA TAK HITAM

Perhitungan perpindahan panas radiasi antara permukaan-permukaan hitam cukup mudah karena semua energi radiasi yang menimpa permukaan itu diserap. Masalah yang pokok adalah menentukan faktor bentuk geometri tetapi apabila faktor itu telah ditentukan perhitungan pertukaran panas menjadi sederhana. Bila benda itu adalah benda tak hitam (non black bodies) maka situasinya menjadi lebih rumit karena tidak seluruh energi yang jatuh dipermukaan itu akan diserapsebagian akan dipantulkan kembali ke permukaan perpindahan panas lainnya dan sebagian mungkin dipantulkan bolak balik berkali-kali diantara permukaan-permukaan perpindahan panas. Analisis soal demikian harus memperhatikan refleksi rangkap tersebut agar dapat mencapai kesimpulan yang benar.

Kita andaikan bahwa semua permukaan dalam analisis bersifat baur dan mempunyai suhu seragam dan bahwa sifat-sifat refleksi dan emisinya konstan diseluruh permukaan. Kita definisikan dua istilah baru :

G = iradiasi (irradiation)

= total radiasi yang menimpa suatu permukaan per satuan waktu per satuan luas

J = radiositas (radiocity)

= total radiasi yang meninggalkan suatu permukaan per satuan waktu per satuan luas

Dalam hal ini kita andaikan pula bahwa iradiasi dan radiositas seragam pada setiap permukaan. Radiositas adalah jumlah energi yang dipancarkan (emisi) dan energi yang dipantulkan (refleksi) apabila tidak ada energi yang diteruskan (transmisi). Persamaannya sebagai berikut :

J = ( Eb + ( G

Dimana ( adalah emisivitas, ( ialah reflektivitas dan Eb daya emisi benda hitam. Oleh karena transmisivitas kita andaikan nol, maka reflektivitas dapat dinyatakan sebagai :

( = 1 - ( = 1 - (sehingga

J = ( Eb + (1-()G

Energi netto yang meninggalkan permukaan adalah

Q = ( A (Eb J)/ 1 - (PERISAI RADISI

Salah astu cara untuk mengurangi perpindahan panas radisi antara dua permukaan tertentu ialah dengan menggunakan bahan yang mempunyai refleksi tinggi. Cara lain ialah dengan menggunakan perisai radiasi (radiation shield) antara permukaan-permukaan yang bertukar panas. Perisai ini tidak menyampaikan dan mengambil panas daris system keseluruhan, ia hanya menambahkan satu tahanan lagi dalam lintas aliran panas sehingga memperlambat perpindahan panas menyeluruh.

Gambar : Radiasi antara dua bidang sejajar tak berhingga dengan perisai dan tanpa perisai

Oleh karena perisai tidak menyerahkan ataupun mengambil panas dari sistem tersebut perpindahan panas antara plat 1 dan perisai mesti persis sama dengan perpindahan panas antara perisai dan plat 2 dan itulah perpindahan panas menyeluruh

(q/A)1-3 = (q/A)3-2 = q/A

q = ( (T14 T34) = ( (T34 T24) 1/(1 + 1/(3 1 1/(3 + 1/(2 1

Satu-satunya faktor yang tidak diketahui dalam persamaan ini adalah suhu perisai T3

T34 = (T14 + T24)

Dan perpindahan panas adalah

q = ( (T14 T24) A 1/(1 + 1/(3 1

PERTUKARAN RADIASI DENGAN PERMUKAAN SPEKULAR

Dalam semua pembahasan diatas, menyorot pertukaran radiasi antara permukaan-permukaan yang bersifat baur. Dalam bagian ini analisis dilanjutkan dengan memperhitungkan berbagai bentuk geometri yang sederhana yang melibatkan permukaan yang mungkin memberikan refleksi spekular. Asumsi bahwa semua permukaan yang kita perhatikan memancarkan radiasi secara baur tetapi memantulkan radiasi secara spekular dan baur. Oleh karena itu dianggap bahwa revlektivitas merupakan jumlah komponen spekular dan komponen baur

( = (s + (DKita anggap pula identitas Kirchhoff berlaku

( = ( = 1 - (Kalor netto yang dilepas dari suatu permukaan adalah selisih antara energi yang dipancarkan dan energi yang diserap :

q = A (( Eb - ( G)

Kita definisikan radiositas baur JD sebagai jumlah energi yang bersifat baur yang meninggalkan suatu permukaan per satuan luas per satuan waktu

JD = ( Eb - (D G

Sehingga

q = ( A [ Eb (( + (D) - JD ]

(D

atau bentuk lain

q = Eb JD / (1 - (s) (D /[( A (1 - (s)]

RADIASI SURYA

Radiasi surya (solar radiation) merupakan suatu bentuk radiasi termal yang mempunyai distribusi panjang gelombang yang khusus. Pada batas luar atmosfer iradiasi surya total sebesar 1395 W/m2 bilamana bumi berada pada jarak rata-ratanya dari matahari. Angka tersebut kemudian disebut sebagai konstanta surya. Tidak semua energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi karena terdapat absorbsi yang kuat dari karbondioksida (CO2) dan uap air di atmosfer. Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga tergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer.

Energi surya yang maksimum akan mencapai permukaan bumi bilamana berkas sinar itu langsung menimpa permukaan bumi karena :

1. terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang dan

2. berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit daripada jika sudut timpanya mering terhadap normal

Jika semua bahan menunjukkan tingkah laku benda kelabu, analisis radiasi surya bukan merupakan masalah yang rumit. Tetapi karena radiasi surya terkonsentrasi pada panjang gelombang pendek (berlawanan dengan panjang gelombang yang lebih panjang untuk kebanyakan radiasi termal dari bumi). Bahan tertentu mungkin menunjukkan sifat-sifat absortans dan transmitans yang berbeda untuk kedua jenis radiasi. Contoh klasik dari sifat ini adalah efek rumah kaca ( greenhouse effect). Kaca biasa mentransmisikan radiasi dengan panjang gelombang dibawah 2 (m dengan mudah. Kaca pada bagian dasarnya tidak tembus radiasi panjang gelombang panjang yaitu diatas 3 atau 4 (m. dalam prakteknya semua radiasi suhu rendah yang dipancarkan benda dalam rumah kaca bersifat panjang gelombang panjang dan karena itu tetap terkurung dalam rumah kaca. Jadi kaca melewatkan lebih banyak radiasi masuk daripada radiasi keluar dan karena itu memberikan efek pemanasan yang kita kenal. Radiasi surya yang diserap benda-benda dalam rumah kaca itu akhirnya dibuang ke lingkungan melalui konveksi dari dinding luar rumah kaca.

SIFAT-SIFAT RADIASI LINGKUNGAN

Perpindahan panas radiasi disuatu lingkungan ditentukan oleh sifat-sifat absorpsi, tebaran atau hamburan dan refleksi atmosfer dan permukaan-permukaan alamiah. Ada dua jenis fenomena hamburan yang terjadi dalam atmosfer. Hamburan molekul terjadi karena adanya interaksi antara radiasi dengan masing-masing molekul. Warna biru pada langit ialah karena hamburan panjang gelombang unggu (pendek) oleh molekul udara. Hamburan partikel dalam atmosfer terjadi karena interaksi antara radiasi dengan berbagai jenis partikel yang mengambang di udara. Debu, asap dan butir-butir air di udara merupakan jenis-jenis pusat hamburan partikel yang penting. Proses hamburan ini ditentukan terutama oleh perbandingan ukuran partikel terhadap panjang gelombang radiasi. Hamburan maksimum terjadi bila panjang gelombang sama dengan ukuran partikel dan hamburan ini berkurang dengan bertambahnya panjang gelombang. Bila panjang gelombang lebih kecil dari ukuran partikel maka radiasi cenderung dipantulkan.

PENGARUH RADIASI TERHADAP PENGUKURAN SUHU

Bila sebuah termometer ditempatkan dalam arus aliran gas untuk mengukur suhunya maka suhu yang ditunjukkan unsur pengindera ditentukan oleh neraca energi menyeluruh pada unsur itu.

Gambar : unsur termometer dalam arus aliran

Suhu gas ialah T(, suhu lingkungan radiasi efektif Ts dan suhu yang terlihat pada termometer Tt. andaikan T( lebih besar dari Ts maka energi akan dipindahkan melalui konveksi ke termometer dan kemudian dibuang melalui radiasi ke lingkungan. Jadi neraca energi ialah

h A (T( - Tt) = ( A ( (Tt4 Ts4)

Dimana A ialah luas permukaan unsur dan ( emisivitas dengan asumsi benda sangat besar atau hitam.

Dari neraca energi ini dapat dilihat bahwa suhu yang ditunjukkan termometer bukanlah suhu gas sebenarnya tetapi hanyalah suatu suhu kesetimbangan radiasi-konveksi. Dalam pengukuran suhu mungkin terjadi galat (error) yang besar apabila neraca ini tidak diperhitungkan sebagaimana mestinya. Untuk menghindari kesulitan ini biasanya digunakan perisai radiasi.

KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR RADIASI

Dalam mengembangkan perpindahan kalor konveksi koefisien perpindahan panas konveksi didefinisikan sebagai :

qkonv = hkonv A (Ts - T()

Oleh karena soal-soal perpindahan panas radiasi berhubungan erat dengan konveksi maka perpindahan panas total yang menjadi tujuan analisis. Karena itu kedua proses ini diletakkan pada dasar yang sama dan didefinisikan sebagai koefisien perpindahan panas radiasi hr sebagai berikut :

qrad = hr A1 (T1 T2)

Dimana T1 dan T2 adalah suhu masing-masing benda yang bertukar kalor radiasi. Perpindahan panas total ialah jumlah perpindahan panas radiasi dan konveksi

q = (hc + hr) A1 (Ts - T()

Dalam banyak hal koefisien perpindhan panas konveksi tidak terlalu bergantung pada suhu. Tetapi tidak demikian halnya dengan koefisien perpindahan panas radiasi

Hr = ( (T12 + T22)(T1 + T2) 1/(1 + (A1/A2) (1/(2 1)

Jelaslah bahwa koefisien perpindahan panas radiasi merupakan fungsi suhu

Contoh Soal :

Sebuah termometer air raksa dalam kaca yang mempunyai emisivitas 0,9 digantungkan dalam sebuah bangunan logam dan menunjukkan suhu 20oC. dinding bangunan ini diisolasi dengan isolasi yang tidak memadai dan mempunyai suhu 5 oC. nilai h untuk termometer dapat dianggap 8,3 W/m2 oC. hitunglah suhu udara sebenarnya.