DASAR RUMUS PERPINDAHAN KALOR PANAS DAN PENGERTIANNYA ~ Mari Berbagi Info

Dalam Proses Perpindahan Panas, Kuantitas panas bruto yang ditambahkan ke atau dibuang dari sebuah sistem dapat di hitung dengan menggunakan persamaan Volume-kontrol untuk hukum pertama termodinamka, Ada 3 Mode transfer energi Kalor: Konduksi, Konveksi, dan Radiasi.

KONDUKSI

Ada 2 cara transfer energi konduksi, Pertama mekanisme interaksi molekuler yang dilakukan oleh suatu molekul dari energi(temperatur) tinggi ke molekul didekatnya yang lebih rendah. Kedua melalui elektron-elektron bebas yang terjadi dalam padatan metalik murni.Dalam persamaan fenomena molekular dinyatakan dalam bentuk

$\frac{q_{x}}{A}=-k\frac{dT}{dx}$

di mana q_x dalah laju transfer-panas dalam arah x,dalam Watt atau Btu/jam;A adalah luas daerah tegak-lurus terhadap arah aliran panas,dalam m² atau ft²;dT/dx adalah gradien temperatur dalam arah x, dalam K/m atau ^oF/ft; dan k adalah konduktivitas termal, dalam W/(m.K) atau Btu/jam ft ^oF. Rasio q_x/A, mempunyai dimensi W/m² atau Btu/jam ft², menyatakan fluks panas dalam arah x.Satu hubungan yang lebih umum fluks panas ini adalah

$\frac{q}{A}=-k\: \bigtriangledown \: T$

KONVEKSI

Transfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi antara suatu permukaan dengan fluida di dekatnya.

Persamaan laju transfer panas konvektif dinyatakan oleh Newton,dan disebut sebagai persamaan laju newton atau "hukum" Newton tentang pendinginan. Persamaan ini adalah

$q/A = h\Delta T$

dimana q adalah laju transfer-panas konvektif, dalam W atau Btu/jam; A adalah luas daerah yang tegak-lurus terhadap arah aliran-panas, dalam m² atau ft²; $\Delta T$ adalah beda temperatur antara permukaan dan fluida, dalam K atau ^oF; dan h adalah koefisien transfer panas konvektif, dalam W/m².K atau Btu/jam ft² ^oF. Persamaan diatas bukan suatu hukum melainkan sebuah definisi tentang koefisien h.
Kita juga perlu membedakan koefisien-koefisien transfer panas lokal, yaitu koefisien-koefisien yang berlaku pada sebuah titik, dengan nilai-nilai h total atau rata-rata yang berlaku pada suatu luas permukaan tertentu. dengan persamaannya
$dq = h_{x}\, \Delta T\, dA$
sehingga koefisien rata-rata h, dihubungkan dengan h_x sebagai
$q = \int _{A}h_{x}\: \Delta T\: dA = hA\:\Delta T$

RADIASI

Transfer panas radian antar permukaan berbeda dengan konduksi dan konveksi karena transfer panas radian tidak membutuhkan medium propagasi, dan kenyataannya adalah transfer energi secara radiasi akan maksimum bila kedua permukaan yang sedang bertukar energi dipisahkan oleh suatu vakum sempurna. Laju emisi-energi dari suatu radiator sempurna, diberikan oleh

$\frac{q}{A}= \sigma T^{4}$

dimana q adalah laju emisi energi radian, dalam W atau Btu/jam; A adalah luas permukaan pemancar,dalam m² atau ft²;T adalah temperatur absolut,dalam K atau ° R; dan $\sigma$ adalah konstanta Stefan-Boltzmann, yang sama dengan 5,676 x 10^-8 W/m².K⁴ atau 0,1714 x 10^-8 Btu/jam ft² ° R⁴.

KOMBINASI MEKANISME TRANSFER-PANAS

Dalam konduksi keadaan tunak melalui sebuah dinding datar yang permukaan-permukaannya dijaga pada temperatur konstan T₁ dan T₂.

dengan menuliskan persamaan laju Fourier pada arah x, kita mendapatkan
$\frac{q_{x}}{A}=-k\frac{dT}{dx}$
Dengan memecahkan persamaan ini untuk q_x yang berada pada kondisi batas T=T₁ di x=0 dan T=T₂ di x=L, kita mendapatkan
$\frac{q_{x}}{A}\: \int_{L}^{o}\: dx=-k\: \int_{T_{2}}^{T_{1}}\: dT=k\int_{T_{1}}^{T_{2}}\: dT$
atau
$q_{x}=\frac{kA}{L}\left ( T_{1} -T_{2}\right )$
Persamaan tersebut sangat mirip dengan persamaan laju Newton
$q_{x}=hA\: \Delta T$

Perhatikan dinding datar komposit yang tersusun dari 3 lapisan material dengan dimensi seperti di bawah ini

dari laju transfer panas keadaan-tunak per satuan luas antara suatu gas panas bertemperatur T_h di salah satu sisi dinding ini dan gas dingin pada T_c di sisi lainnya.Hubungan berikut untuk q_x akan di peroleh

$q_{x}=h_{h}A\left ( T_{h}-T_{1} \right )=\frac{k_{1}A}{L_{1}}\left ( T_{1}-T_{2} \right )=\frac{k_{2}A}{L_{2}}\left ( T_{2}-T_{3} \right )\\ =\frac{k_{3}A}{L_{3}}\left ( T_{3}-T_{4} \right )=h_{c}A\left ( T_{4}-T_{c} \right )$

Tiap perbedaan temperatur dinyatakan dalam q_x sebagai berikut:
$T_{H}-T_{1}=q_{x}\left ( 1/h_{h}A \right )\\T_{1}-T_{2}=q_{x}\left ( L_{1}/k_{1}A \right )\\T_{2}-T_{3}=q_{x}\left ( L_{2}/k_{2}A \right )\\T_{3}-T_{4}=q_{x}\left ( L_{3}/k_{3}A \right )\\T_{4}-T_{c}=q_{x}\left ( 1/h_{c}A \right )$
Dengan menjumlahkan persamaan ini, kita memperoleh
$T_{h}-T_{c}=q_{x}\left ( \frac{1}{h_{h}A}+\frac{L_{1}}{k_{1}A}+\frac{L_{2}}{k_{2}A}+\frac{L_{3}}{k_{3}A}+\frac{1}{h_{c}A} \right )$
dan akhirnya,dengan memecahkan untuk q_x,akan mendapatkan
$q_{x}=\frac{T_{h}-T_{c}}{1/h_{h}A+L_{1}/k_{1}A+L_{2}/k_{2}A+L_{3}/k_{3}A+1/h_{c}A}$ (persamaan 1)

Laju transfer-panas dinyatakan dalam beda temperatur keseluruhan. Jika suatu rangkaian listrik seri

dapat menulis
$I=\frac{\Delta V}{R_{1}+R_{2}+R_{3}+R_{4}+R_{5}}=\frac{\Delta V}{\sum R_{i}}$
Kuantitas yang analog dalam persamaan untuk aliran panas dan persamaan untuk arus listrik nampak dengan jelas
$\Delta V\rightarrow \Delta T\\I\rightarrow q_{x}\\ R_{i}\rightarrow 1/hA, L/kA$
tiap suku pada penyebut persamaan 1 dapat dianggap sebagai resistensi termal yang disebabkan oleh konveksi atau konduksi.dengan demikian menjadi analog transfer-panas dari hukum Ohm,persamaan 1 sekarang dapat ditulis cukup sebagai
$q=\frac{\Delta T}{\sum \: R_{termal}}$

Hubungan ini juga berlaku untuk transfer-panas keadaan-tunak pada sistem dengan geometri yang berbeda.Resistensi termal suatu konduktor silindris adalah
$\frac{ln\left ( r_{0}/r_{i} \right )}{2\pi kL}$
Cara lain untuk menyatakan laju transfer-panas untuk suatu situasi yang melibatkan material komposit atau suatu kombinasi mekanisme adalah dengan koefisien transfer-panas keseluruhan yang didefinisikan sebagai
$U=\frac{q_{x}}{A\: \Delta T}$
dimana U adalah koefisien transfer-panas keseluruhan yang mempunyai satuan yang sama dengan h, dalam W/m².K atau Btu/jam ft² ° F.

Sumber: Transfer Panas Vol 2 (Erlangga)

Mari Berbagi Info

Berbagi Ilmu Pengetahuan,Informasi Supranatural, Dan Informasi Terbaru Lainnya

Navigation