MM091351 FENOMENA TRANSPORT Kredit: 3 SKS Semester: 5 Dr. Eng. Hosta Ardhyananta, S.T., M.Sc. BAHAN AJAR ON-LINE 5 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER (ITS) SURABAYA

Perpindahan momentum terjadi karena adanya perbedaan kecepatan Perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan temperatur

PENGARUH TEMPERATUR DAN TEKANAN PADA KONDUKTIVITAS TERMAL GAS DAN CAIRAN Data konduktivitas panas terbatas. Pendekatan k diperoleh dari data lain Konduktivitas panas berubah tergantung tekanan dan temperatur Perhatikan gambar konduktivitas panas

Analisis dilakukan pada konduktivitas panas material satu atom Konduktivitas panas gas mendekati fungsi batas pada tekanan rendah. Batasnya adalah tekanan 1 atm Konduktivitas panas gas meningkat dengan meningkatnya temperatur Konduktivitas panas cairan menurun dengan meningkatnya temperatur Daerah cairan, polar memiliki hubungan tersendiri

Untuk PEMAHAMAN : Perkirakan konduktivitas panas etana pada 153 oF dan 191.9 atm dari harga atmosphere k0 = 0.0159 Btu hr-1 ft-1 oF-1 pada temperatur ini

Solusi: …

TEORI KONDUKTIVITAS TERMAL GAS DENSITAS RENDAH Mekanisme transport konduktivitas thermal dilihat secara molekular Perhitungan berdasarkan satu-atom gas pada densitas rendah Molekul pada keadaan kaku, bulat/lingkaran, tidak ada tarikan, massa m dan diameter d. Gas keseluruhan dalam istirahat (v=0), tetapi gerakan molekul diperhitungkan. Teori kinetik gas Ū = kecepatan molekuler rata-rata Z = frekuensi tabrakan dinding setiap satuan luas λ= jarak bebas rata-rata a = jarak tabrakan

Bentuk energi yang ditukar dalam tabrakan adalah energi translasional (berpindah posisi) Kita gunakan kapasitas panas setiap mol pada volume yang konstan (Cv)

Penentuan konduktivitas panas dilakukan dengan mengamati kelakuan gas pada gradien temperatur dT/dy Rata-rata energi kinetik ketika tabrakan pada daerah temperatur T Fluks panas qy yang melintasi bidang adalah jumlah energi kinetik

Hukum Fourier untuk konduksi panas dengan konduktivitas panas K tak-bergantung pada tekanan; hingga 10 atm; mirip dengan viskositas

Teori Chapman-Enskog yang lebih teliti menyatakan bahwa konduktivitas thermal Ωk serupa dengan fungsi tabrakan Ω Nilai Ωk dan Ω diberikan untuk model potensial antarmolekul Lennard-Jones di Appendix B tabel B.2 . Serupa dengan penggunaan nilai numerik σ dan ε yang digunakan pada perhitungan viskositas (lihat Tabel B.1)

Kesesuaian antara k dan  Pembahasan konduktivitas panas yang sebelumnya membahas gas satu-atom dengan menggunakan banyak pendekatan dalam bentuk sederhana Pendekatan umum gas banyak-atom Generalisasi diperlukan karena molekul atom-banyak memiliki energi rotasi dan vibrasi selain energi translasi

Persamaan Eucken untuk konduktivitas thermal atom-banyak densitas rendah Kapasitas panas , Cp = 5/2 (R/M) Persamaan Hirschfelder Perkiraan angka Prandtl (perbandingan viskositas dan konduktivitas), Pr ; untuk nonpolar Metode empirik untuk memprediksi k gas atom-banyak juga diformulasikan oleh Bromley Teori kinetik atom-banyak dan polar gas

Konduktivitas panas campuran gas densitas rendah dapat diprediksi dengan metode analog serupa dengan viskositas sesuai dengan fraksi mol setiap gas

Komputasi / perhitungan konduktivitas panas gas satu-atom pada densitas rendah Untuk PEMAHAMAN perhitungan konduktivitas panas gas: Hitung konduktivitas panas neon pada 1 atm dan 373.2 oK

Jawaban :

Perkiraan konduktivitas panas gas banyak-atom pada densitas rendah Untuk PEMAHAMAN konduktivitas gas: Perkirakan konduktivitas panas molekular oksigen pada 300 oK dan tekanan rendah

Jawaban :

Prediksi konduktivitas panas campuran gas pada densitas rendah Untuk PEMAHAMAN konduktivitas panas campuran gas: Perkirakan konduktivitas panas campuran gas (CO2: O2 : N2 = 0.133 : 0.039 : 0.828) pada 1 atm dan 293 oK

Jawaban :

TEORI KONDUKTIVITAS TERMAL CAIRAN Teori perpindahan energi untuk cairan murni diusulkan oleh oleh Bridgmann pada tahun 1923 Molekul disusun dalam kisi kubik

Energi dipindahkan dari satu bidang kisi ke sebelahnya dengan kecepatan suara vs Formula dikembangkan berdasarkan teori gas Persamaan Bridgman Persamaan lainnya

Asumsi berdasarkan setiap molekul bergetar dalam kisi/kandang yang dibentuk oleh tetangga terdekatnya Kecepatan suara frekuensi rendah diberikan Kuantiti turunan diperoleh dari kemampuan-tekan isothermal

Prediksi konduktivitas panas cairan Untuk PEMAHAMAN konduktivitas panas cairan: Densitas cairan CCl4 pada 20 oC dan 1 atm adalah 1.595 g cm-3, dan kompresibilitas 90.7 x 10-6 atm-1. Berapakah konduktivitas panasnya?

Jawaban :

TEORI KONDUKTIVITAS TERMAL PADATAN Bergantung banyak faktor yang sulit untuk diukur atau diprediksi. Pada padatan pori, konduktivitas panas bergantung pada fraksi pori, ukuran dan fluida dalam pori Pada material kristal, ukuran fasa dan kristal berpengaruh Pada padatan amorphous, derajat orientasi molekul memiliki efek penting Konduktivitas panas padatan didiskusikan oleh Jakob Logam lebih menghantarkan panas dibanding non-logam

Material kristal menghantarkan panas lebih baik daripada amorphous material Padatan berpori kering lebih rendah menghantarkan panas sehingga baik untuk insulasi panas

Konduktivitas logam murni berkurang dengan meningkatnya temperatur, sementara non-logam meningkat Konduktivitas panas dan elektrik bersamaan Persamaan Wiedemann, Franz dan Lorenz Angka Lorenz, L Pada temperatur yang sangat rendah, logam menjadi superkonduktor elektrik, tetapi bukan untuk panas

Persamaan diatas terbatas untuk paduan karena L bervariasi tergantung komposisi dan temperatur Untuk logam murni, elektron bebas adalah pembawa panas utama Persamaan tidak cocok untuk non-logam karena elektron bebas yang rendah. Energi berpindah oleh utamanya gerakan molekul