teori perpindahan panas dasar

BAB II TEORI ALIRAN PANAS 7

BAB II

TEORI ALIRAN PANAS

2.1 Konsep Dasar Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat terjadi karena adanya beda temperatur antara dua bagian

benda. Panas akan mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang

bertemperatur rendah (hukum ke 0 Termodinamika). Panas dapat berpindah

dengan tiga cara yaitu: konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi merupakan

proses perpindahan energi dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang

bertemperatur rendah akibat adanya pergerakan elektron, panas akan berpindah

secara estafet dari satu partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut.

Konveksi merupakan proses perpindahan energi panas melalui pergerakan

molekul-molekul fluida (cair dan gas) akibat adanya perbedaan temperatur.

Radiasi merupakan proses perpindahan energi panas tanpa melalui medium

perantara. Radiasi terjadi pada setiap benda dimana suatu benda memancarkan

gelombang elektromagnetik dengan flux radiasi yang ditentukan oleh temperatur

benda tersebut (Hukum Stefan-Boltzman).

Gambar 2.1 Proses Perpindahan Panas

Panas

T1 T2

T1 > T2


2.1.1 Perpindahan Panas secara Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi merupakan proses perpindahan energi dari

tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah. Panas

akan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel lainnya dalam medium

tersebut. contoh perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada logam. Jika salah

satu ujung sebuah batang logam diletakkan di dalam nyala api, sedangkan ujung

yang satu lagi dipegang, bagian yang dipengang ini akan terasa makin lama makin

panas, walaupun tidak kontak langsung dengan nyala api itu. Dalam hal ini

dikatakan bahwa panas yang sampai di ujung batang yang lebih dingin secara

konduksi melalui bahan batang itu. Proses perpindahan kalor secara konduksi

bisa dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul

(atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan

menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan, atom

dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai

dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudo yang

makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron

disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga

pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui

getaran dan gerakan elektron bebas.


Gambar 2.2 Perpindahan panas secara konduksi dan grafik distribusi suhu

Mula-mula pada saat t = 0, grafik berbentuk garis lurus horisontal pada tinggi T1.

kemudian pada saat-saat t1, t2, dan seterusnya suhu pada ujung kiri adalah T2 dan

makin ke kanan makin berkurang. Sesudah cukup lama, suhu di semua titik

lambat laun menjadi konstan dan batang itu dikatakan dalam keadaan tetap

(steady state).

Gradien suhu di sembarang titik dan pada sembarang waktu didefinisikan sebagai

cepatnya perubahan suhu T sesuai dengan jarak x di sepanjang batang.

dxdTsuhuGradien = (2.1)

Pada setiap saat, baik dalam keadaan peralihan maupun keadaan tetap, akan

terdapat aliran panas sepanjang batang dari kiri ke kanan. Umpamakan dQ

menyatakan panas yang mengalir melewati sebuah penampang batang di

koordinat-x, selama selang waktu dt antara t + dt. Perbandingan dQ/dt, yaitu

panas yang mengalir per satuan waktu, dinamakan arus panas q:

dtdQq = (2.2)

t = 0

t3 t2

t1

t = ∞ (keadaak tetap)

L

T2

T1

Logam

Arus Panas

Benda pada suhu T2

Benda pada suhu T1


Konduktivitas termal (daya hantar panas) k bahan batang itu didefinisikan sebagai

arus panas (negatif) per satuan luas yang tegak lurus pada arah aliran dan per

satuan gradien suhu.

)/( dxdTAqk −= (2.3)

Tanda negatif dimasukkan ke dalam definisi, sebab q adalah positif (panas

mengalir dari kiri ke kanan), apabila gradien suhu adalah negatif (seperti gambar

2.2). jadi, k merupakan besaran positif. Persamaan diatas dapat ditulis:

dxdTkAq −= (2.4)

Dari persamaan diatas jelas bahwa makin besar konduktivitas termal k, makin

besar pula arus panas, asal faktor yang lain tetap sama. Karena itu, bahan yang

harga k-nya besar adalah penghantar panas yang baik, sedangkan bila k-nya kecil,

bahan itu kurang menghantar atau merupakan penyekat yang baik.

Untuk suatu benda yang penampang lintangnya konstan dan k juga konstan,

dalam keadaan tetap, besar arus panas ialah:

LTTkAq 12 −= (2.5)

2.1.2 Perpindahan Panas secara Konveksi

Konveksi merupakan proses perpindahan energi panas melalui pergerakan

molekul-molekul fluida (cair dan gas) akibat adanya perbedaan temperatur.

Besarnya konveksi bergantung pada: luas permukaan benda yang bersinggungan

dengan fluida (A), perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (ΔT),


dan koefisien konveksi (h). Koefisien konveksi sendiri bergantung pada:

viskositas fluida, kecepatan fluida, perbedaan temperatur antara permukaan dan

fluida, kapasitas panas fluida, rapat massa fluida. Persamaan perpindahan panas

secara konveksi ialah:

TAhq Δ='' (2.6)

Jika fluida dengan kecepatan V dan temperatur T∞ mengalir diatas permukaan

dengan luas As. Permukaan tersebut dianggap mempunyai temperatur yang

seragam, Ts, jika Ts ≠ T∞, konveksi panas akan terjadi dengan besarnya perubahan

panas adalah:

∫= s sdAqq '' (2.7)

Atau

∫∞−=s ss dAhTTq )( (2.8)

Jika didefinisikan koefisien konveksi untuk seluruh permukaan adalah h maka

rata-rata total transfer panas dapat diekspresikan dalam bentuk

)( ∞−= TTAhq ss (2.9)


Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konveksi

Dalam proses konveksi dikenal ada dua macam cara panas berpindah yaitu

konveksi yang alamiah (natural convection) dan konveksi yang dipaksakan

(forced convection). Proses perpindahan panas dengan cara konveksi alamiah

adalah pross perpindahan panas yang terjadi bila molekul-molekul fluida bergerak

akibat terjadinya perbedaan densitas. Perbedaan densitas fluida ini ditimbulkan

oleh perbedaan temperatur fluida pada dua tempat yang berbeda. Sebuah contoh

yang lazim ialah konveksi alamiah dari dinding atau dari pipa yang suhunya

konstan dan dikelilingi oleh udara luar yang beda suhunya dengan suhu dinding

atau pipa itu sebesar ΔT.


Gambar 2.4 Proses konveksi secara alami

Proses perpindahan dengan cara konveksi yang dipaksakan terjadi jika fluida

digerakkan oleh energi dari luar. Salah satu contohnya adalah proses pemanasan

ruangan dimana udara panas yang dimasukkan dialirkan dengan bantuan kipas.

2.1.3 Perpindahan Panas secara Radiasi

Radiasi terjadi pada setiap benda dimana suatu benda memancarkan gelombang

elektromagnetik dengan flux radiasi yang ditentukan oleh temperatur benda

tersebut (Hukum Stefan-Boltzman). Proses ini dikenal juga dengan radiasi termal

dan proses ini dapat diamati dengan mudah pada benda yang memiliki temperatur

tinggi. Salah satu contoh proses radiasi adalah proses pemanasan permukaan

bumi oleh panas sinar matahari.

Semua radiasi ini adalah gelombang elektromagnetik, hanya panjang

gelombangnya berbeda-beda. Radisi termal adalah radiasi yang dipancarkan oleh

zat padat, zat cair, atau gas menurut temperaturnya.


2.2 Teori Aliran Fluida

Fluida merupakan suatu zat yang berupa cairan dan gas. Fluida memiliki beberapa

sifat yang dapat digunakan untuk mengetahui berbagai parameter pada suatu

aliran fluida. Beberapa sifat yang umum digunakan yaitu tekanan, massa jenis,

dan berat jenis. Selain sifat-sifat tersebut, terdapat sifat lain yang dapat

mempengaruhi aliran fluida, yaitu viskositas, modulus bulk, dan bilangan

Reynolds.

a. Viskositas

Viskositas merupakan hasil dari gaya-gaya antara molekul-molekul yang terjadi

saat lapisan-lapisan fluida berusaha menggeser satu sama lain. Shearing stress

(tegangan geser) antara lapisan-lapisan fluida nonturbulen yang bergerak pada

pipa lurus, untuk fluida Newtonian, dapat dituliskan sebagai berikut :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=yu

xy μτ (2.10)

Keterangan :

τxy = shearing stress pada permukaan

μ = koefisien viskositas atau viskositas dinamis

Efek dari adanya viskositas pada fluida dapat dilihat pada gambar 1.1. Viskositas

menyebabkan adanya tegangan geser yang berbeda-beda sesuai dengan jaraknya

dari permukaan pipa. Semakin jauh dari permukaan pipa maka tegangan geser

akan semakin kecil, dan sebaliknya.


Gambar 2.5 Efek Viskositas

Viskositas kinematis adalah perbandingan antara koefisien viskositas (viskositas

dinamis) dengan massa jenis.

b. Modulus Bulk

Modulus Bulk adalah perbandingan antara tekanan yang diberikan dengan

perubahan volume yang terjadi. Modulus Bulk dapat direpresentasikan sebagai

berikut :

PPVB

ΔΔ

= (2.11)

c. Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds merupakan perbandingan antara gaya inersia dan gaya

viskositas pada status aliran. Bilangan ini menentukan jenis aliran yang terjadi,

yaitu aliran laminer atau aliran turbulen. Bilangan Reynolds didefinisikan sebagai

berikut :

μρuD

=Re (2.12)


dengan D adalah diameter pipa.

Terdapat dua jenis aliran fluida, yaitu aliran laminer dan aliran turbulen.

Aliran Laminer merupakan pola aliran yang seolah-olah memperlihatkan bahwa

aliran tersebut terdiri dari lapisan-lapisan, dan masing-masing lapisan tidak

bercampur dan tidak saling mempengaruhi. Aliran ini dapat mengalir dengan

lembut walaupun melewati suatu penghalang. Aliran laminer memiliki Re lebih

kecil dari 5 x 105.

Aliran turbulen adalah suatu aliran fluida yang bergerak tak biasa (tunak). Pada

aliran turbulen, pergerakan aliran fluida tidak dapat dipastikan karena pola

alirannya yang selalu berubah dan tidak ada alur yang pasti. Oleh karena itu, sulit

untuk mengetahui gerakan partikel-partikel pada aliran turbulen. Aliran ini

memiliki nilai Re lebih besar dari 5 x 105.

2.3 Teori Aliran Panas Konveksi

Dalam melakukan tinjauan untuk proses aliran panas secara konveksi, banyak

faktor dan besaran-besaran yang harus diketahui diantaranya adalah: bilangan

Reynolds, angka Prandtl, dan bilangn Nusselt.

Bilangan Reynold digunakan untuk mengkarakterisasi apakah aliran tersebut

laminar atau turbulen. Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi apabila

Re > 5 x 105. Untuk aliran yang mengalir pada plat tipis, daerah aliran turbulen

yang sangat tipis yang dekat dengan permukaan bersifat laminar. Di daerah ini

aksi viskos dan perpindahan kalor berlangsung dalam keadaan laminar. Lebih


jauh dari permukaan plat, terdapat aksi turbulen, tetapi aksi viskos molekul dan

konduksi kalor masih penting. Daerah ini disebut lapisan buffer. Lebih jauh lagi,

aliran menjadi sepenuhnya turbulen, dan mekanisme utama penukaran kalor dan

momentum melibatkan bongkah-bongkah makroskopik fluida yang bergerak

kemana-mana di dalam aliran itu. Dalam bagian yang sepenuhnya turbulen ini

terdapat viskositas pusaran dan konduktivitas kalor pusaran. Bilangan Reynold

dapat didefinisikan sebagai:

vxu∞=Re (2.13)

Dengan : u∞ = kecepatan aliran bebas (m/s) ; x = jarak dari tepi depan plat (m) ; v

= viskositas kinematik fluida.

Angka Prandtl adalah parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara

lapisan batas hidrodinamika dan lapisan batas kalor. Angka Prandtl juga

merupakan penghubung antara medan kecepatan dan medan suhu. Angka Prandtl

dapat didefinisikan sebagai:

kC

Ck

v p

p

μ

ρ

ρμ

α===Pr (2.14)

Dengan : Cp = kapasitas kalor ; μ = viskositas dinamik ; k = konduktivitas kalor.

Perpindahan kalor antara batas benda padat dan fluida terjadi karena adanya suatu

gabungan dari konduksi dan transport massa. Kecepatan perpindahan energi

bergantung pada gerakan massa. Kecepatan perpindahan energi bergantung pada


gerakan pencampuran partikel-partikel fluida. Untuk memindahkan kalor dengan

cara konveksi melalui fluida pada laju tertentu, diperlukan gradien suhu yang

lebih besar di daerah dimana kecepatan rendah daripada kecepatan tinggi.

Dengan menerapkan pengamatan-pengamatan kualitatif ini pada perpindahan

kalor dari dinding padat ke fluida, dapat digambarkan profil suhunya secara

kasar. Didekat dinding kalor hanya dapat mengalir dengan cara konduksi karena

partikel-partikel fluida tidak bergerak relatif terhadap batas. Lebih jauh dari

dinding, gerakan fluida membantu transport energi itu dan gradien suhu akan

kurang curam, dan akhirnya menjadi rata dialiran utama.

Pembahasan diatas mengarah pada suatu cara untuk menentukan laju perpindahan

kalor antara dinding padat dan fluida, karena pada bidang antara ( pada y = 0)

kalor mengalir hanya dengan cara konduksi, maka laju aliran kalor dapat dihitung

dari persamaan:

0=∂∂

−= yxTkAq = )( ∞−TTAh w (2.15)

Gabungan koefisien perpindahan kalor konveksi h , panjang karakteristik x, dan

konduktivitas fluida k dalam bentuk kxh disebut bilangan Nusselt. Bilangan ini

tak berdimensi. Bilangan Nusselt dapat ditafsirkan secara fisik sebagai

perbandingan antara gradien suhu yang langsung bersinggungan dengan

permukaan terhadap suatu gradien suhu acuan xTTw /)( ∞− .


Seperti telah dijelaskan diatas bahwa Proses perpindahan dengan cara konveksi

yang dipaksakan adalah proses perpindahan panas yang terjadi bila fluida

digerakkan dengan energi dari luar. dalam sistem yang akan dibangun, pemanasan

dilakukan dengan memberikan udara panas yang berasal dari luar. Agar udara

panas tersebut mengalir maka suhu dari sumber panas harus lebih tinggi dari suhu

udara dalam plant.

Tiga faktor yang mempengaruhi proses adveksi panas adalah:

a. faktor kecepatan aliran fluida (makin besar kecepatan fluida, makin cepat

proses konveksi panas terjadi)

b. faktor gradien temperatur (makin besar perbedaan temperatur, makin cepat

proses adveksi panas terjadi)

c. faktor sudut antara vektor aliran fluida dengan gradien temperatur (untuk

memaksimalkan laju proses konveksi panas, aliran fluida harus tegak lurus

dengan garis isotermal).

Berdasarkan tiga faktor tersebut, proses konveksi panas yang efektif dapat

dilakukan dengan memperbesar laju masuknya udara panas ke dalam ruangan,

menggunakan udara panas yang memiliki temperatur yang jauh lebih tinggi

daripada temperatur ruangan yang hendak dipanaskan dan mengalirkan udara

panas dengan arah yang benar.

teori perpindahan panas dasar

Documents