Pertemuan ke-4 Oleh : Sonni Setiawan PANAS Pertemuan ke-4 Oleh : Sonni Setiawan 14/11/2018

Pengantar Energi didefinsikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Energi memiliki bentuknya : energi kinetik, energi potensial, energi listrik, panas, nuklir dan lain sebagainya. Dalam meteorologi, bentuk energi yang akan dikaji adalah panas. Mengapa ???? 14/11/2018

Kekekalan energi mengatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, akan tetapi bentuk dari energi tersebut dapat diubah. Hukum kekekalan energi dinyatakan oleh Hukum I Termodinamika yang meliputi semua bentuk energi untuk keseimbangan neraca panas. Dalam studi neraca panas ini, kita akan menggunakan dua kerangka kerja : Lagrangian dan Eulerian. 14/11/2018

Kerangka kerja Langrangian Kita mengkaji neraca panas dengan mengikuti gerak parsel udara ketika parsel udara tersebut bergerak mengikuti aliran udara di atmosfer. Kerangka kerja ini bermanfaat dalam menentukan temperatur udara yang naik atau turun secara vertikal dan pembentukan awan-awan, dan lain sebagainya 14/11/2018

Kerangka kerja Eulerian Kita mengkaji neraca panas pada sebuah volume elemen udara yang diam relatif dalam ruang. Tinjauan ini sangat bermanfaat untuk peramalan variabel atmosferik pada waktu mendatang pada setiap lokasi. Dalam metode Eulerian, maka kita harus meninjau transport energi yang ke atau dari volume elemen udara tersebut. Transport energi ini bisa melalui : konduksi, konveksi-adveksi, turbulen, dan radiasi 14/11/2018

1. Panas Sensible dan Panas Laten 14/11/2018

1.1. Panas Sensible Panas yang dapat dirasakan secara langsung oleh manusia Panas ini merupakan bagian dari panas total (QH ) yang dihubungkan dengan perubahan temperatur (T) : Dimana : qH : panas sensibel persatuan massa (J/kg) Cp : panas spesifik pada tekanan konstan (J/(kg.K)) 14/11/2018

Soal-1 Berapa banyakah panas sensibel yang diperlukan untuk menghangatkan 2 kg udara kering sehingga suhunya naik sebesar 50 C ? 14/11/2018

1.2. Panas Latent Merupakan panas tersembunyi yang terdapat dalam suatu zat dan akan mengalir jika zat tersebut mengalami perubahan fasa. Es air uap air Karena kehadiran uap air dalam studi meteorologi merupakan hal yang penting, maka panas laten yang akan dikaji adalah panas laten dari substansi air. 14/11/2018

Kehadiran uap air dan air dalam sebuah parsel udara atau elemen volume udara dapat mengubah temperatur parsel udara atau elemen volume udara tersebut jika terjadi perubahan fasa dari air atau uap air meskipun tidak ada transfer panas antara parsel udara atau elemen volume udara dengan lingkungan disekitarnya. Jumlah panas yang mengalir (QE) persatuan massa udara (mudara) ketika terjadi perubahan fasa air adalah 14/11/2018

Soal-2 Berapakah panas laten yang dilepaskan ketika 2 kg uap air mengkondensasi menjadi air? 14/11/2018

2. Neraca Panas Lagrangian 14/11/2018

2.1. Hukum I Termodinamika Hukum ini menyatakan bahwa perubahan temperatur parsel udara dapat disebabkan karena adanya teransfer panas QH antara parsel udara dengan lingkungan disekitarnya, dan kerja yang dilakukan pada atau oleh parsel udara tersebut. 14/11/2018

Hukum ini dapat dikombinasikan dengan persamaan hidrostatik menghasilkan perubahan temperatur parsel udara ketika parsel udara tersebut bergerak naik atau turun Berdasarkan persamaan ini, maka temperatur parsel udara tidak berubah jika tidak ada transfer panas antara parsel dengan lingkungannya dan parsel tidak bergerak vertikal. 14/11/2018

Mengapa harus gerak vertikal??? Suku menyatakan perubahan temperatur parsel udara akibat parsel tersebut bergerak vertikal. Mengapa harus gerak vertikal??? 14/11/2018

Disipasi energi turbulen Panas reaksi kimia Suku menyatakan adanya transfer panas antara parsel dengan lingkungan yang dapat disebabkan karena : Pemanasan radiatif Panas laten Disipasi energi turbulen Panas reaksi kimia 14/11/2018

Soal-3 Berapakah perubahan temperatur dari 10 kg parsel udara ketika dipanaskan pada laju 100 Watt selama 10 menit? Diketahui mixing rasio uap-air r = 0,01 dan parsel udara dalam keadaan stasioner 14/11/2018

2.2. Lapse rate Didefinisikan sebagai laju penurunan temperatur udara terhadap ketinggian Lapse rate ada 2, yaitu 1. lapse rate lingkungan (ELR) 2. lapse-rate proses Proses fisis yang biasanya digambarkan dalam studi meteorologi adalah proses adiabatik, sehingga lapse-rate-nya disebut lapse-rate adiabatik 14/11/2018

Untuk udara kering, maka laju perubahan temperatur terhadap ketinggian adalah 14/11/2018

Soal-4 Andaikan bahwa parsel udara kering mempunyai temperatur awal 150 C di permukaan, kemudian parsel udara tersebut naik sejauh 2 km dari permukaan secara adiabatik. Berapakah temperatur parsel udara di ketinggian 2 km tersebut? 14/11/2018

2.3. Temperatur Potensial Adalah suhu parsel udara seandainya parsel udara tersebut dipindahkan secara adiabatik ke level tekanan 1000 mb. Temperatur potensial akan kekal jika proses yang berlangsung adalah adiabatik, dan akan berubah jika ada transfer panas antara parsel dengan lingkungan 14/11/2018

Soal 5 Berapakah temperatur potensial udara pada ketinggian 15 km jika pada ketinggian tersebut temperatur udara adalah 100C 14/11/2018

Neraca Panas Eulerian 14/11/2018

3.1. Konsep Fluks Merupakan konsep penting dalam studi neraca panas dalam persepektif Eulerian Fluks didefinisikan sebagai transfer sebuah kuantitas fisis persatuan waktu dalam satuan luas. Jika Q adalah sebuah kuantitas fisis, dt adalah satuan waktu, dan dA adalah satuan luas, maka fluks dari Q adalah 14/11/2018

3.2. Hukum I Termodinamika Tinjau sebuah elemen volume dan tinjau pula fluks panas yang masuk ke dalam satu sisi sebuah volume dan fluks panas yang keluar dari sisi yang lain. Jika in < out maka sejumlah panas Q dilepaskan atau dibuang dari elemen volume tersebut, sehingga temperatur volume berkurang. Jika in > out maka sejumlah panas Q diserap dari elemen volume tersebut, sehingga temperatur volume tersebut bertambah. 14/11/2018

1. Nilai positif dari gradien fluks panas : divergensi fluks Panas Perhatikan bahwa pelepasan atau penyerapan panas dan kenaikan atau penurunan temperatur elemen volume udara bergantung pada perubahan fluks panas terhadap jarak, yaitu Perubahan fluks panas tehadap jarak disebut sebagai gradien fluks panas , dimana 1. Nilai positif dari gradien fluks panas : divergensi fluks Panas 2. Nilai negatif dari gradien fluks panas : konvergensi fluks Panas 14/11/2018

Berdasarkan konsep fluks panas ini, maka bentuk hukum I Termodinamika adalah Dimana S0 adalah sumber energi internal persatuan massa (J/kg) dan bertanda negatif untuk netto pendinginan dan positif untuk netto pemanasan. 14/11/2018

Gradien fluks yang muncul dalam persamaan tersebut dapat disebabkan oleh adveksi, turbulen, konduksi, dan radiasi 14/11/2018

Soal - 6 Tinjau sebuah elemen volume udara kering berbentuk kubus dengan sisi 20 meter. Sebuah fluks panas sebesar 3 W/m2 mengalir ke arah timur masuk ke sisi kiri, sedangkan pada sisi yang kanan mengalir fluks panas sebesar 4 W/m2 ke arah barat. Jika tidak ada fluks lain dan tidak ada sumber internal dalam elemen volume udara tersebut, maka tentukan perubahan temperatur elemen volume udara tersebut 14/11/2018

3.2.1. Fluks Adveksi Adveksi berarti “ ditransportkan oleh angin”. Jadi “adveksi temperatur “ berarti : panas yang ditransfer ke sebuah tempat atau dari sebuah tempat oleh angin. Jumlah fluks panas advektif bertambah secara linier terhadap temperatur dan laju angin 14/11/2018

Maka gradien fluks panas advektif menjadi (abaikan variasi angin terhadap jarak) 14/11/2018

Soal - 7 Andaikan temperatur udara di ketinggian 200 meter adalah 150C dan di ketinggian 1000 m adalah 100C dimana variasi temperatur terhadap ketinggian adalah linier. Jika kecepatan vertikal gerak udara bergerak dari atas ke bawah dengan laju 0,1 m/s , maka berapakah laju pendinginan di ketinggian 600 meter ? Asumsi tidak ada proses transfer panas yang lain. 14/11/2018

3.2.2. Fluks Konduksi Dalam meteorologi, konduksi panas ini penting dalam transfer panas antara permukaan bumi dengan udara diatasnya, sehingga fluks panas akibat konduksi hanya terjadi dalam arah vertikal. 14/11/2018

3.3.3. Turbulen Turbulent merupakan gerak semi-acak dari parsel udara. Gerak turbulen ini mendominasi di lapisan batas atmosfer (ABL). Gerak turbulen ini mampu mentransferkan panas dari satu tempat ke tempat lain. Gradien fluks panas akibat turbulen di ABL diberikan oleh 14/11/2018

Soal - 8 Berapakah gradien fluks turbulen dalam keadaan ada badai di ketinggian 2 km jika lapse-rate udara sebelum badai adalah 10 C/km. 14/11/2018

3.3.4. Radiasi Udara di troposfer dapat menyerap radiasi IR, sehingga radiasi ini dapat diemisikan ulang oleh lapisan udara ke atas maupun ke bawah melalui proses yang sangat kompleks Gradien fluks panas akibat radiasi ini adalah 14/11/2018