Heat Transfer

Transfer energi panas biasanya terjadi pada banyak proses kimia dan proses lainnya. Transfer panas seringkali terjadi dalam bentuk kombinasi diantara berbagai unit operasi, seperti pengeringan kayu atau makanan, pembakaran bahan bakar, dan evaporasi. Transfer energi terjadi karena perbedaan temperatur dan aliran panas dari temperatur yang tinggi ke yang rendah.

Dalam termodinamika, panas didefinisikan sebagai energi yang terkandung dalam batasan sistem, dan energi tersebut mengalir karena perbedaan temperatur anatara siatem dengan lingkungan. Hukum kedua termodinamika panas selalu mengalir melewati batasan sistem menuju temperatur yang lebih rendah. Akan tetapi termodinamika tidak menjelaskan bagaimana energi panas tersebut ditransfer. Ini adalah tugas dari perpindahan panas untuk menjelaskannya. Terdapat tiga macam jenis perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Perpindahan Panas Konduksi

Panas konduksi adalah transfer energi diantara molekul yang saling berdekatan di dalam zat, dan berkaitan dengan gradien temperatur.[2:2]. Dalam kasus gas, molekul “terpanas”, yang mempunyai energi dan pergerakan molekul yang besar, memberikan energi ke molekul yang terdekat hingga pada level energi terendah. Dalam konduksi, energi dapat juga ditransfer oleh elektron bebas, dan ini sangat penting untuk perpindahan panas pada padatan metal.[1:215].

…(2-1)

Persaman dasar untuk menganalisa perpindahan panas konduksi adalah Fourier’s Law, yang dapat dituliskan

 

 

Dimana fluks panas adalah Q (W/m2), k adalah nilai konduktifitas thermal (W/mK), dT/dx (K/m) yaitu gradien temperatur sepanjang jarak x. Konduktivitas adalah sifat fisik dari suatu bahan, yang umumnya merupakan suatu fungsi dari suhu dan jenis bahan itu sendiri. Karena konduktivitas termal bergantung pada struktur atom dan molekul dari bahan,maka nilainya bervariasi pada setiap bahan. Nilai konduktivitas terbesar diberikan pada logam, sedangkan yang terendah diberikan pada bahan isolator.[3:161].

Dimisalkan ada material padatan dengan luas area A, berada diantara dua plat pararel dengan jarak antar keduanya Y. Pada awal waktu (waktu t < 0), temperatur bahan adalah To. Pada waktu t = 0

…(2-2)

Untuk konduksi tiga dimensi dalam sistem koordinat cartesian, hukum Faurier dapat dituliskan

 

…(2-3)

Dimana

 

Dan nilai i, j dan k adalah berturut-turut nilai vektor dari arah koordinat x, y, dan z. [3:162].

…(2-4)

Hal yang sederhana, tetapi sangat penting di berbagai aplikasi, panas konduksi yang tidak dipengaruhi waktu disebut konduksi steady.[2:5]. Pada aplikasi plat datar dengan arah satu dimensi hukum Fourier dapat dituliskan,

 

…(2-5)

Ini dapat dilihat dari gambar 2.1, dimana ∆x=x2-x1.

 

Dimana

…(2-6)

 

 

Ini menunjukkan nilai k untuk dipakai dalam persamaan (2) adalah nilai k yang linier dengan rerata T1 dan T2.

…(2-7)

Dengan dasar proses transfer berbanding lurus dengan driving force dibagi tahanan, maka persamaan (3) dapat dituliskan,

 

dimana R=∆x / kA dan tahanan dalam K/W atau h·oF/btu.

 

 

 

 

 

 

 

Gambar2.1 konduksi panas pada dinding plat

Konduktifitas Panas

Untuk mendefinisikan konduktivitas panas diberikan pada persamaan (1), dan daftar nilai konduktifitas panas masing-masing bahan ditubjukan oleh tabel 2.1. Pada tabel 2.1 konduktifitas panas diberikan dengan maksud untuk perbandingan pada setiap material. Pada tabel dapat dilihat nilai masing-masing konduktifitas panasnya. Pada gas nilai konduktifitasnya rendah, cairan sedang, dan pada padatan metal mempunyai nilai yang besar.

Konduktifitas panas pada padatan homogen mempunyai variasi tyang mencolok. Pada padatan metal seperti tembaga dan aluminium mempunyai nilai yang sangat tinggi, berbeda dengan bahan isolasi non-metal, seperti rock wool dan corkboard yang mempunyai nilai sangat rendah.

 

Tabel 2.1 nilai konduktifitas panas pada beberapa material pada 101.325 kPa (1atm) (k dalam W/mK)

substance Temp k   substance Temp k
  (K)       (K)  
gases   Solids
Air 273 0.0242   Ice 273 2.25
H2 273 0.167   Fire claybrick 473 1
n- butane 273 0.0135   Hard rubber 273 0.151
        Cork board 303 0.043
liquids   asbestos 311 0.168
Water 273 0.569   Rock wool 266 0.029
Benzene 303 0.159   Steel 291 45.3
        Copper 273 388

Sumber: Geankoplis, Christie J.

Panas atau energi yang terkonduksikan pada padatan melalui dua mekanisme. Pertama, pada padatan metal, panas, seperti halnya listrik, dikonduksikan oleh elektron bebas yang bergerak melalui sisi-sisi geometris dari molekul-molekul logam. Kedua, hampir disemua jenis padatan, panas dikonduksikan oleh perpindahan energi karena vibrasi antara atom-atom yang saling berdekatan.

 

Perpindahan Panas Konveksi

Dalam fluida yang mengalir, energi tidak hanya ditransfer dengan konduksi tetapi juga dengan perpindahan secara makroskopik. Perpindahan panas konveksi dapat diartikan sebagai superposisi dari konduksi panas dan trnasfer energi pada fluida yang mengalir.

…(2-8)

Dalam perpindahan panas konveksi, persamaan umum yang dipakai adalah:

 

dimana q adalah rate perpindahan panas dalam W, A adalah luas area dalam in m2, Tw adalah temperatur dari permukaan padatan dalam K, Tf adalah temperatur rata-rata yang keluar dalam K, dan h adalah koefisien perpindahan panas konveksi dalam W/m2·K. Dalam satuan inggris, h dalam btu/h·ft2·of\

Dari persamaan (2-8) laju perpindahaan kalor dapat dihubungkan dengan beda tempertur menyeluruh antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A. nilai h biasanya didapatkan dari percobaan. Koefisien perpindahaan kalor biasanya disebut film conductance karena hubungannya dengan proses konduksi pada lapisan fluida diam yang tipis pada muka dinding. Oleh karena itu, perpindahan panas konveksi bergantung pada viskositas fluida disamping ketergantungannya pada sifat-sifat termal fluida, konduktifitas termal,kalor spesifik, densitas. Hal ini karena viskositas mempengaruhi profil kecepatan yang berpengaruh pada laju perpindahan energi di daerah dinding.

Jika suatu pelat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada udara sekitar tanpa adanya sumber gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradien densitas di ndekat pelat itu. Peristiwa ini dinamakan konveksi alamiah 9natural convection) atau konveksi bebas (free convection) untuk membedakannya dari konveksi paksa (forced convection) yang terjadi apabila udara itu dihembuskan di atas plat itu dengan kipas.

 

Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah pengetahuan mengenai transfer energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Tidak seperti perpindahan konduksi, gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk perambatan energinya. Oleh karena kemampuannya merambat di ruangan vakum, radiasi panas menjadi dominan pada transfer panas di ruang hampa dan di luar angkasa

…(2-9)

Karakteristik yang membedakan antara konduksi, konveksi dan radiasi adalah ketergantungan terhadap suhu masing-masing. Bila pada konduksi dan konveksi fluks energinya kurang lebih linier terhadap perubahan temperatur maka pada radiasi fluks energinya sebanding dengan pngkat empat dari temperatur (atau bahkan lebih). Karena alasan ini, perpindahan panas radiasi cenderung digunakan pada aplikasi temperatur yang tinggi, seperti pembakaran pada furnace, nozzle roket, reaksi nuklir dan lainnya.

 

Dimana σ adalah konstanta proposionalitas dan disebut konstanta Stefan-Boltzmann dengan nilai 5.669 × 10-8 W/m2·K4. Persamaan 2-9 disebut hukum stefan boltzmann tentang radiasi panas., dan berlaku hanya pada benda hitam.

About nunulasa
Idealis yang realistis, Selalu Optimis dan Mudah Beradaptasi.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: