TERMAL DAN HUKUM I TERMODINAMIKA (lanjutan)

14.6.1 Konduksi Konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi pada medium padat. Misalnya, jika salah satu ujung batang besi kita panaskan, maka ujung besi yang lain akan terasa panas.  Kalor Gambar 14.5 Perpindahan panas dengan cara konduski

Pada batang besi yang dipanaskan, kalor berpindah dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Jadi, syarat terjadinya konduksi kalor pada suatu zat adalah adanya perbedaan suhu. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor adalah zat yang mudah menghantarkan kalor (penghantar yang baik). Isolator adalah zat yang sulit menghantarkan kalor (penghantar yang buruk). Dari Gambar 14.6 sebuah lempeng dengan tebal L dan luas permukaan A, salah satu permukaannya dijaga pada temperatur TH dan permukaan lainnya pada temperatur TL.

Reservoir panas Reservoir panas pada temperatur pada temperatur TH TC Q k L TH > TC Gambar 14.6 Perpindahan panas dari reservoir temperatur lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah melalui sebuah lempeng dengan tebal L.

TH > TC Reservoir panas pada temperatur TC TH Q k L T Temp. udara x Q L Temp. air TH Temp. udara TC

Misal Q adalah jumlah panas yang dipindahkan dari dalam waktu t Misal Q adalah jumlah panas yang dipindahkan dari dalam waktu t. Dari percobaan didapat bahwa laju panas yang dipindahkan dari permukaan dengan temperatur TH ke permukaan dengan temperatur TL adalah (14.12) H = Laju perpindahan panas (J/s) Q = Jumlah panas yang dipindahkan (J) t = waktu yg dibutuhkan utk memindahkan panas (det) k = konduktivitas termal ((W/m.K) L = tebal lempeng (m) A = luas permukaan lempeng (m2) TH = temperataur permukaan yang lebih tinggi (oK) TL = temperatur permukaan yang lebih rendah (oK)

Tahanan Termal Konduksi Tahanan termal konduksi, disimbolkan dengan R, didefinisikan sebagai (14.13) Substitusi L pada persaman (14.13) ke (14.12) didapat (14.14)

Tabel 14.4 Konduktivitas Termal Beberapa Jenis Material k (W/m.K) Metal Baja tahan karat 14 Timah 35 Aluminum 2235 Tembaga 401 Perak 428 Gas Udara (kering) 0,026 Helium 0,15 Hidrogen 0,18

Contoh 14.3 Sebuah lempeng tembaga mempunyai ketebalan 25,0 cm, dan luas permukaan 90,0 cm2. Temperatur salah satu permukaan 125 oC, sedangkan temperatur permukaan lainnya 10,0 oC. Tentukan laju perpindahan panas yang melalui lempeng tsb.! Penyelesaian T TH TC x Q L L = 0,25 m, A = 0,0090 m2, TH = 125 + 273 = 398 oK, TC = 10,0 + 273 = 283 oK, k = 401 W/m.K.

Konduksi Melalui Lempeng Komposit Misal terdapat dua lempeng yang berbeda, baik ukuran ketebalan maupun material, tapi mempunyai luas penampang yang sama (lihat Gambar 14.7). L1 L2 k1 k2 TH TC Q TX Gambar 14.7 Perpindahan panas pada lempeng komposit

Pada keadan ajeg (steady state) perpindahan pada masing-masing lempeng sma besarnya, sehingga persamaan (14.12) dapat ditulis menjadi, (14.13) Didapat (14.14) Substitusi persamaan (14.14) ke salah satu kesamaan Pada persamaan (14.13) menghasilkan, (14.15)

Karena l/k = R, maka persamaan (14.15) ditulis menjadi atau (14.16)

Contoh 14.4 Dua buah lempeng mempunyai spesifikasi sebagai berikut: Lempeng pertama terbuat dari baja tahan karat dengan ketebalan 1 cm. Lempeng ke dua terbuat dari tembaga dengan ketebalan 2 cm. Kedua lempeng tersebut direkatkan satu sama lain seperti gambar berikut. Permukaan yang bebas dari baja tahan karat dipertahan pada temparatur 100o C, sedangkan permukaan bebas dari tembaga dipertahankan 0o C. Jika luas masing-masing permukaan kedua plat adalah 90,0 cm2, tentukan temperatur pad permukaan yang direkatkan!

TH TX TC L1 = 1 cm, L2 = 2 cm TH = 100 oC, TC = 0 oC, k1 k2 TH Q TX L1 = 1 cm, L2 = 2 cm TH = 100 oC, TC = 0 oC, k1 = 14 W/m.K, k2 = 401 W/m.K. A A = 0,0090 m2.

Latihan Dua buah batang baja tahan karat dan tembaga mempunyai panjang masing-masing 1 m dan penampang 1 cm2. Kedua batang tersebut dilas pada salah satu ujungnya. Ujung yang bebas dari baja tahan karat dipertahankan pada temperatur 100o C, sedangkan ujung bebas dari tembaga dipertahan pada temperatur 0oC. Tentukan, Suhu pada sambungan Gradien suhu pada batang baja tahan kartat dan tembaga Jumlah panas yang melintasi masing-masing batang per satuan waktu (d) Grafik suhu sepanjang batang

14.6.2 Konveksi Konveksi adalah proses perpindahan panas dengan disertainya perpindahan partikel. Konveksi terjadi pada fluida (zat yang dapat mengalir) seperti air dan udara. Konveksi dapat terjadi secara alami ataupun dipaksa.  Konveksi alamiah misalnya saat memasak air terjadi gelembung udara hingga mendidih dan menguap. Sedangkan konveksi paksa contohnya hair dryer yang memaksa udara panas keluar yang diproses melalui alat tersebut.

Bagaimanakah proses terjadinya konveksi saat memasak air? Air merupakan zat cair yang terdiri dari partikel-partikel penyusun air. Saat memasak air dalam panci, api memberikan energi kepada panci dalam hal ini termasuk proses konduksi. Selanjutnya dinding bagian dalam panci memberikan panas pada air. Partikel air paling bawah yang pertama kali terkena panas kemudian lama kelamaan akan memiliki massa jenis yang lebih kecil karena sebagian berubah menjadi uap air. Massa jenis yang lebih kecil tersebut akan berpindah posisi naik ke permukaan.

Air yang masih diatas permukaan kemudian turun ke bawah menggantikan posisi partikel yang naik ke permukaan. Begitu seterusnya hingga mendidih dan menguap seperti tampak pada gambar di bawah ini. Gambar 14.6 Perpindahan panas dengan cara konveksi

Laju perpindahan panas secara konveksi dipengaruhi oleh luas penampang (A), kenaikan suhu (∆T), dan jenis bahan. Secara matematis, persamaan laju kalor secara konveksi dapat dituliskan sebagai berikut. h   = koefisien konveksi(W/m2K) A  = luas penampang (m2) ∆T = kenaikan suhu (K)    Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W)   (14.17)