Laporan Perpindahan Panas Konduksi [PDF]

Citation preview

JOBSHEET PRAKTIKUM PERPINDAHAN PANAS – KONDUKSI JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI Pengajar :



Annisa S Kurniasetiawati, M.Sc.



SKS /Waktu :



1 SKS / 3 Jam (150 menit) per minggu.



LAPORAN PRAKTIKUM PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI



Disusun Oleh : Kelas / Prodi : 2B / D3-Teknik Konversi Energi Kelompok :3 Sandi Agung Santoso (191711055) Dosen Pembimbing : Mulki Rezka, M.T. Tanggal Praktikum : 19 Oktober2020 Tanggal Pengumpulan : 26 Oktober 2020



JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2020



JOBSHEET PRAKTIKUM PERPINDAHAN PANAS – KONDUKSI JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI



I.



Pengajar :



Annisa S Kurniasetiawati, M.Sc.



SKS /Waktu :



1 SKS / 3 Jam (150 menit) per minggu.



REFERENSI 1. Holman, J.P. 1990. Heat Transfer Tenth Edition (Halaman 649-666). New York : Higher Education. 2. Buku bahan ajar Perpindahan Panas dan Penerapannya. Dr.Ir. Sri Wuryanti, M.Si. (2010). 3. Yunus A. Cengel. Heat Transfer - A Practical Approach. 2nd Edition. 4. Jobsheet Praktikum Perpindahan Panas. Annisa S Kurniasetiawati, M.Sc. 5. Metode ASTM C518 6. Kuniawati, Netty. 1999. Jurnal Penentuan Konduktivitas Termal. Palembang. 7. http://www.academia.edu/34276885/MODUL_PEMBELAJARAN_PWNGUJIAN_KONDU KTIVITAS_TERMAL_METODE_STEADY_STATE 8. https://ilmugeografi.com/fenomena-alam/radiasi-benda-hitam 9. http://derilristy.blogspot.com/2018/05/analisa-nilai-konduktivitas-thermal.html



II. TUJUAN 1. Mengaplikasikan berbagai persamaan dalam teori perpindahan panas (Fourier’s



Law,



Newton’s Cooling Law, Stefan Boltzman’s Law) untuk mengetahui konduktivitas dari benda kerja dengan asumsi kondisi steady state satu dimensi pada satu lapis material homogen. 2. Mencari dan menemukan berbagai properti termofisika dari fluida yang dibutuhkan dalam perhitungan. 3. Menganalisis pengaruh berbagai variabel kondisi operasi kerja terhadap hasil konduktivitas. 4. Memahami kegunaan dari analisis konduktivitas material serta dapat memanfaatkannya di berbagai bidang kerjanya kelak.



III. DASAR TEORI Konduktivitas termal adalah sifat fisik material yang mengukur kapasitas penghantar panas suatu bahan/material. Atau dengan kata lain bisa diartikan sebagai sifat suatu material/bahan yang menunjukan jumlah menghantarkan panas/energi yang mengalir satu satuan luas jika gradient suhunya satu. Konduktor adalah nama bahan yang memiliki nilai konduktifitas tinggi, sedangkan isolator adalah bahan yang memiliki nilai konduktfitas rendah. Nilai konduktifitas suatu bahan menunjukan bahwa bahan tersebut semakin cepat dalam menghantarkan kalor. Makin cepat molekul bergerak, semakin cepat pula ia mengangkut/menghantarkan energi. Konduksi Steady State Satu Dimensi pada Permukaan Pelat Keadaan steady state adalah keadaan di mana panas/termal yang berada di sisi kanan akan sama dengan keadaan di sisi satunya. Aliran panas yang melalui pelat merupakan satu dimensi pada saat temperatur di dinding hanya pada satu arah saja, yaitu pada arah sumbu horizontal. Seperti yang ditampilkan pada gambar berikut :



Gambar 1. Skema Perpidahan Panas Konduksi dari Pelat ke Lingkungan



Hukum Fourier Seperti yang telah kita ketahui bahwa semua hal yang ada di alam akan berpindah dari sesuatu yang lebih tinggi ke hal yang lebih rendah, hal ini juga sama dengan proses perpindahan panas. Perpindahan panas bergerak dari suatu titik atau permukaan dengan temperature lebih tinggi ke temperature lebih rendah (di lingkungnnya). Hubungan dasar aliran panas yang melintasi konduksi adalah perbandingan antara laju aliran panas yang melintasi permukaan isothermal dan gradient temperatur yang terdapat pada permukaan tersebut. Hubungan umum tersebut berlaku pada setiap



titik dalam suatu benda pada setiap waktu yang dikenal dengan Hukum Fourier (persamaan dasar konduksi), yakni:



dT



qkond = - k A



(3.1)



dx



Keterangan: qkond



: laju perpindahan panas (Watt)



k : konduktivitas panas (W/moC) atau (W/m.K) A luas perpindahan panas (m2)



:



Sehingga untuk dapat mengetahui nilai dari konduktivitas suatu material dengan bentuk pelat dapat digunakan persaman berikut.



𝑘=



𝑞 × 𝑑𝑥 A × (𝑇1 −𝑇2 )



(3.2)



Keterangan : k



: konduktivitas panas (W/m.K) atau (W/m. 0C)



qkond : laju perpindahan panas konduksi (Watt) 𝑑𝑥



: tebal pelat (m)



T1 : temperature sisi yang dipanaskan (0C atau K) T2 : temperature sisi yang lainnya, (0C atau K)



T



Profil Temperatur



qx



dx Gambar 3.1 Profil Perubahan Temperatur vs Posisi



I.1.



Hukum Pendinginan Newton



Perpindahan panas secara konveksi natural pada suatu permukaan sangat bergantung pada geometri dan orientasi dari permukaan itu sendiri. Selain itu variasi dari temperature pada permukaan dan berbagai properti thermofisika dari fluida juga ikut berpengaruh. Dari sekian banyak korelasi dengan kompleksitas yang berbeda-beda dan klaim akurasi yang tersedia dalam literatur - literatur untuk setiap geometri tertentu, berikut merupakan metoda yang paling dikenal dan digunakan secara luas. Laju perpindahan panas secara konveksi alami dari permukaan padat pada suhu seragam (Ts) menuju ke fluida sekitarnya dapat dinyatakan dengan Hukum Pendinginan Newton ketika bilangan Nusselt rata-rata (Nu) dan koefisien konveksi rata-rata (h) diketahui. Hukum Pendinginan Newton ini diekspresikan sebagai persamaan berikut.



𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ × 𝐴𝑠 × (𝑇𝑠 − 𝑇∞)



(3.3)



Keterangan : qconv : laju perpindahan panas konveksi (Watt) h: koefisien konveksi rata-rata (W/m2.K) As : luas 2 permukaan perpindahan panas (m ) Ts : temperature permukaan perpindahan panas (0C atau K) 𝑇∞



: temperatur sekitar (0C atau K)



Sebagaimana telah disebutkan bahwa pada perpindahan panas secara konveksi pada pelat bergantung dari orientasi pelat tersebut (vertikal, horizontal, diagonal, permukaan panas mengahadap atas / bawah). Adapun hubungan empirikal antara orientasi pelat horizontal terhadap bilangan Nusselt (Nu) dan bilangan Rayleigh (Ra) adalah sebagai berikut.



Note:



Terlihat dari table diatas, bahwa range nilai dari bilangan Ra berpengaruh pada pemilihan penggunaan rumus korelasi antara Nu dan Ra. Oleh karena itu, untuk dapat mengetahui besar bilangan Nu, maka terlebih dahulu harus menghitung besar nilai baingan Ra dengan menggunakan persamaan sebagai berikut



gx βx ( Ts−T ∞ ) Lc 3 xPr V2 Keterangan: Ts : temperature permukaan perpindahan panas (0C atau K) 𝑇∞ : temperatur sekitar (0C atau K) g : gaya gravitasi (9.81 m/s2) 𝛽 : 1⁄𝑇𝑓 dimana, 𝑇𝑓 = (𝑇𝑠 + 𝑇∞ )/2 Lc : As / P dimana, As adalah luas pelat permukaan dan P adalah keliling pelat. Properti termofisika dari udara pada temperature 𝛽 : Pr 𝑣



: bilangan Prandtl : viskositas kinematik (m2/s)



Adapun korelasi empirikal sederhana untuk bilangan Nusselt rata-rata pada perpindahan panas secara konveksi natural adalah sebagai berikut.



𝑁𝑢



=



ℎ×𝐿𝑐 𝑘



(3.5)



Maka, untuk dapatkan menghitung besarnya laju perpindahan panas pada persamaan (3.3) harus dicari nilai dari koefisien konveksi rata-rata (h) sebagai berikut.



ℎ=



𝑁𝑢×𝑘 𝐿𝑐



(3.6)



Keterangan : 𝑁𝑢



: bilangan Nusselt dari persamaan (3.5)



𝑘



: Properti konduktivitas dari udara pada temperature 𝛽 (watt/m.K)



Lc



: As / P dimana, As adalah luas pelat permukaan dan P adalah keliling pelat.



I.2.



Hukum Boltzman



Pada kondisi perpindahan panas secara konveksi natural, pelat akan mengalami kehilangan panas ke lingkungan secara radiasi juga. Adapun dengan mengetahui besarnya nilai emisivitas (𝜀) dan temperature ruangan sekitar maka, dengan kondisi dimana perpindahan panas radiasi terjadi antara permukaan pada temperatur Ts yang dikelilingi seluruhnya oleh permukaan yang jauh lebih luas pada temperature 𝑇∞, maka laju perpindahan panas radiasi dapat diekspresikan dengan persamaan berikut.



q rad = 𝜀 x As x 𝜎 x (Ts^4 - T∞^4) 𝜀 : emisivitas permukaan perpindahan panas (0 s/d 1) As luas permukaan perpindahan panas (m2) 𝜎 : konstanta Boltzman (5.67×10-8 W/m2.K4) Ts



: temperature permukaan perpindahan panas (K)



𝑇∞



: temperatur sekitar (K)



:



Akrilik merupakan plastik yang bentuknya hamper menyerupai kaca akan tetapi memiliki kelenturan yang tidak dimiliki kaca. Bahan akrilik adalah bahan yang tidak mudah pecah, ringan, mudah untuk dibentuk dalam proses dipotong, dibor, dikikir, dihaluskan, dicat, ataupun dikilapkan, bahkan akrilik juga dapat dibentuk menjadi berbagai bentuk yang rumit. Akrilik memiliki nilai konduktivitas termal sebesar 0,19 W/mK sehingga bisa dikategorikan sebagai material dengan konduktivitas rendah (isolator). Kayu adalah material bahan yang banyak digunakan dalam setiap industri yang ada. Kayu banyak dijumpai dalam berbagai benda kerja terutama untuk bahan bangunan/kusen. Pada teorinya kayu memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah pula sama halnya dengan akrilik yaitu sebesar 0,17 W/mK sehingga dapat digolongkan sebagai material isolator.



IV. ALAT DAN BAHAN 1) Bahan (Benda Uji) : Pelat akrilik transparan. 2) Alat Utama: No



Alat Voltage Regulator



1



Spesifikasi Rating Power: 3 kVa. Fasa : 1 Frekuensi : 50 Hz. Voltage Input: 220. Voltage Outuput: 0250. Output Current: 12 A



2



Thermocouple



3



Solder Modifikasi



Type K-Type. Akurasi dasar : 0,1%+0,7 °C



No



Alat Tang Amper



4.



5



Terminal Kabel



6



Timer



7



Jangka Sorong



8



Perekat Untuk Thermocouple



Spesifikasi



Rangkaian Alat :



V. LANGKAH KERJA 1) Gunakan alat pelindung diri yang sesuai. 2) Persiapkan seluruh alat dan bahan yang akan digunakan. 3) Cek kesiapan alat terutama alat ukur dan perangkat listrik 4) Hubungkan voltage regulator ke terminal kabel. 5) Hubungkan voltage regulator ke sumber listrik AC. 6) Hubungkan solder ke terminal kabel. 7) Setting voltage hingga tercapai temperature 70oC di permukaan pemanas. 8) Tunggu hingga suhu stabil (±10 menit) sambil melakukan tahap berikut. 9) Siapkan table pencatatan data. 10) Ukur dimensi pelat (Panjang, lebar, tebal) dengan jangka sorong dan catat. 11) Tempelkan kabel thermocouple pada kedua sisi pelat untuk mengukur sisi permukaan penerima panas langsung (T1) dan sisi lainnya (T2). 12) Ukur temperature ruangan (T∞), dan temperature awal (T1,0) dan (T2,0) dan catat. 13) Tempelkan solder ke pelat sembari menyalakan timer dan mulai melakukan pencatatan setiap 1 menit sekali. 14) Lakukan pengamatan data dimana ΔT bernilai konstan selama tiga kali berturut-turut.



DATA PENGAMATAN



VI.



Dari hasil pengujian didapatkan data sebagai berikut a.



Pengamatan 1 Pengujian Pelat Akrilik Bening



Dimensi Benda Uji Panjang : Lebar : dx : Data Kondisi Awal Tr : T1,0 : T2,0 : V1,0 : I1,0 :



80.75 mm 80.60 mm 5.00 mm 25.00 °C 28.80 °C 28.80 °C 75.00 V 0.40 A



No



Wakt



T1



T2



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11



u (s) 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660



(oC) 81.1 83.1 84.9 86.4 87.8 89.1 90.3 91.4 92.3 93.2 94.1



(oC) 50.2 53.1 55.7 57.7 59.4 60.9 62.2 63.4 64.5 65.4 66.3



V



I



75.0



0.55



0



75.0



0.50



0



75.0 0



0.49



Tf (°C) 37.60 39.05 40.35 41.35 42.20 42.95 43.60 44.20 44.75 45.20 45.65



β 0.003220 0.003205 0.003191 0.003181 0.003173 0.003165 0.003159 0.003153 0.003147 0.003143 0.003138



v 0.000016794 1.6930000E-05 0.000017053 0.000017149 0.000017231 0.000017303 0.000017365 0.000017423 0.000017476 0.000017519 0.000017562



Pr 0.726124 0.725747 0.725402 0.725122 0.724884 0.724674 0.724492 0.724324 0.724170 0.724048 0.723931



(k) udara 0.0264424 0.0265497 0.0266459 0.0267199 0.0267828 0.0268383 0.0268864 0.0269308 0.0269715 0.0270044 0.0270368



g 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80



P (m) 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075 0.08075



L (m) 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806 0.0806



Lc 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015 0.02015



RaL 16746.81113 18281.19971 19594.63004 20564.53984 21363.43137 22050.94370 22634.31082 23159.87842 23633.01991 24014.92031 24391.39193



NuL 3.071474 3.139532 3.194464 3.233281 3.264236 3.290187 3.311735 3.330794 3.347677 3.36112 3.374216



h 4.030627 4.136657 4.224287 4.287492 4.338728 4.382284 4.41889 4.451661 4.480986 4.504468 4.527445



qconv (Watt) 0.661074992 0.756542618 0.844052232 0.912491057 0.971400807 1.023935342 1.069876629 1.112578938 1.151988881 1.184411107 1.216972523



  No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11



Perhitungan Radiasi Ꜫ A (m²) 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845 0.86 0.00650845



σ (W/m²K⁴) 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08



T2 (K) 323.20 326.10 328.70 330.70 332.40 333.90 335.20 336.40 337.50 338.40 339.30



Tr(K) 298 298 298 298 298 298 298 298 298 298 298



T2⁴-Tr⁴ (K⁴) 3025373487.90 3422302528.26 3787288532.82 4074003803.00 4321836648.86 4543693530.42 4738403453.72 4920157755.80 5088483373.06 5227434035.99 5367497781.76



  q rad (Watt) 0.96014777 1.08611918 1.20195297 1.29294638 1.37159986 1.44200947 1.50380360 1.56148606 1.61490672 1.65900481 1.70345614



Perhitungan Konduksi q konveksi q radiasi



q konduksi



0.661074992 0.756542618 0.844052232 0.912491057 0.971400807 1.023935342 1.069876629 1.112578938 1.151988881 1.184411107 1.216972523



1.621222767 1.842661793 2.046005205 2.205437432 2.343000663 2.465944816 2.573680226 2.674064996 2.766895605 2.843415913 2.920428665



0.96014777 1.08611918 1.20195297 1.29294638 1.37159986 1.44200947 1.50380360 1.56148606 1.61490672 1.65900481 1.70345614



Konduktivitas Termal (k) dx (m) k(W/mK) 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005



0.04030664 0.04718640 0.05382900 0.05903442 0.06337916 0.06717794 0.07036241 0.07336795 0.07646108 0.07857566 0.08070385



No



Waktu



T1 (oC)



T2 (oC)



V



I



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17



(s) 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020



62.00 65.90 68.20 69.80 71.10 72.20 73.20 74.00 74.80 75.70 76.20 76.90 77.50 78.00 78.60 79.10 79.70



36.30 42.10 45.80 48.20 50.00 51.50 52.80 53.90 54.80 55.90 56.60 57.40 58.10 58.80 59.50 60.00 60.60



75.00



0.40



75.00



0.39



75.00



0.40



75.00



0.42



b. Pengamatan 2 Pengujian Pelat Kayu Dimensi Benda Uji Panjang : Lebar : dx : Data Kondisi Awal Tr :



83.20 mm 80.10 mm 3.05 mm 25.70 °C



T1,0 : T2,0 : V1,0 : I1,0 :



28.70 °C 28.00 °C 75.00 V 0.34 A



Tr (ºC)



Tf (ºC)



β (1/K)



v (m²/s)



Pr



k



udara



25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7 25.7



31.00 33.90 35.75 36.95 37.85 38.60 39.25 39.80 40.25 40.80 41.15 41.55 41.90 42.25 42.60 42.85 43.15



0.003289474 0.003258390 0.003238866 0.003226327 0.003216986 0.003209243 0.003202562 0.003196931 0.003192338 0.003186743 0.003183193 0.003179145 0.003175611 0.003172086 0.003168568 0.003166060 0.003163056



0.000016174 1.64466E-05 1.66205E-05 1.67333E-05 1.68179E-05 1.68884E-05 1.69495E-05 1.70012E-05 0.000017044 1.70968E-05 1.71304E-05 1.71688E-05 1.72024E-05 0.000017236 1.72696E-05 1.72936E-05 1.73224E-05



0.72792 0.727108 0.727795 0.727147 0.726661 0.726256 0.725905 0.725552 0.72543 0.725276 0.725178 0.725066 0.724968 0.72487 0.724772 0.724702 0.724618



(W/mK) 0.025954 0.0261686 0.0263055 0.0263943 0.0264609 0.0265164 0.0265645 0.0266052 0.0266385 0.0266792 0.0267051 0.0267347 0.0267606 0.0267865 0.0268124 0.0268309 0.0268531



g (m/s²)



Lc (m)



RaL



NuL



h (W/m²K)



q (W)



9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8



0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051



8078.414219 11960.20667 14280.88267 15696.21581 16722.02175 17554.15944 18259.03876 18842.42592 19315.20988



2.559737 2.823569 2.951566 3.022126 3.070336 3.107841 3.13858 3.163355 3.183015



3.25581659 3.6210895 3.80504175 3.9091559 3.98153841 4.03862634 4.0859705 4.1245335 4.15536068



0.229996718 0.395766429 0.509696118 0.586166982 0.644782179 0.694399216 0.737938823 0.775139351 0.805856211



9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8



0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051 0.0204051



19882.57866 20238.39599 20640.12351 20987.37704 21330.70038 21670.13502 21910.23023 22195.77403



3.206136 3.220385 3.236248 3.249775 3.262985 3.275889 3.284925 3.295576



4.19194023 4.21465794 4.24011358 4.26196118 4.28342683 4.30452462 4.31937667 4.33696687



0.843680221 0.867913922 0.895761917 0.920259570 0.944876806 0.969611458 0.987349795 1.008712434



Perhitungan Radiasi No



Ꜫ



A (m²)



σ (W/m²K⁴)



T2 (K)



Tr (K)



T2⁴-Tr⁴ (K⁴)



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17



0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85



0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432 0.00666432



5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08 5.67E-08



309.30 315.10 318.80 321.20 323.00 324.50 325.80 326.90 327.80 328.90 329.60 330.40 331.10 331.80 332.50 333.00 333.60



298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70 298.70



1191567342.464 1897598963.304 2368846159.778 2683423383.458 2924030274.544 3127632683.606 3306386924.554 3459321175.776 3585602857.610 3741366092.088 3841305293.090 3956303862.050 4057615205.928 4159571158.282 4262174447.606 4335860354.544 4424722651.426



q Konveksi (W) 0.229996718 0.395766429 0.509696118 0.586166982 0.644782179



Perhitungan Konduksi q radiasi (W) q konduksi (W) 3.83E-01 6.09E-01 7.61E-01 8.62E-01 9.39E-01



6.12712542139528E-01 1.00525036221795E+00 1.27053847819917E+00 1.44804742637022E+00 1.58394240555727E+00



0.694399216 0.737938823 0.775139351 0.805856211 0.843680221 0.867913922 0.895761917 0.920259570 0.944876806 0.969611458 0.987349795 1.008712434



1.00E+00 1.06E+00 1.11E+00 1.15E+00 1.20E+00 1.23E+00 1.27E+00 1.30E+00 1.34E+00 1.37E+00 1.39E+00 1.42E+00



Konduktivitas Termal dx (m) k (W/mK) 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305 0.00305



0.010911078 0.019330419 0.025958751 0.030681249 0.034355868 0.037562565 0.040379775 0.042947919 0.044793692 0.047276807 0.049074599 0.050846732 0.052454388 0.054368150



1.69895386962001E+00 1.79990699722681E+00 1.88622800382594E+00 1.95750488651210E+00 2.04535800647815E+00 2.10169087032787E+00 2.16647489977189E+00 2.22351242909341E+00 2.28087658144799E+00 2.33856606627591E+00 2.37997135197660E+00 2.42987539660581E+00



0.00305 0.00305 0.00305



0.056035116 0.057027241 0.058223007



VII.



PERHITUNGAN



Perhitungan Benda Kerja 1 (Akrilik) Data 1 Material : Plat Akrilik Bening (K=0.19 W/mK) Panjang : 80.75 mm = 0.08075 m Lebar : 80.60 mm = 0.08060 m Luas =0,0065 m2 Temperatur ruangan : 25ᵒC T1,0 = 28,8ᵒC T1=92,3ᵒC T2,0 = 28,8ᵒC T2=64,5ᵒC V=75 volt, I=0,50 Ampere 37,5 Watt q”x=q”konveksi + q”radiasi q”conv = ℎ̅.𝐴.(𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛) 𝑞"𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖=𝜀.𝐴.𝜎.(T24−𝑇4ruangan) 𝑅𝑎𝐿=𝑔. 𝛽 . (𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛). 𝐿3÷v2 ×𝑃𝑟 Tf= (T2+Truangan)/2= (64,5+25)/2=44,75ᵒC Maka Properti udara pada 44,75ᵒC β = 1/(44,75 + 273)K =0,00315/K kinematic viscousity (v) = 1,747 x 10-5 m2/s Prandtl Number (Pr) = 0,724170 L (Plate horizontal) = A/keliling = P2/4P = P/4 = 0,08/4 = 0,02015m Kudara = 0,0269715 w/mK g = 9,8 m/s2 9,8 m/s 2 . 0,00315/ K .( 64,5−25)K . ( 0,020153 ) 7,224 x 10−6 x 0,724170= =23669,72 10−5 m 2 2 3,052 x 10−10 (1,747 x ) s NuL = 0,27 x (23669,721/4) = 3,347 ´ NuL .k = 3,347 x 0,0269715 w/mK =4,48 W /m 2 K h= L 0,02015 m 2 4,48w/m q”conv = K x 0,0065 m2 x (64,5-25)K = 1,15Watt Emesivitas akrilik 0,86 q”radiasi = 0,86x 0,0065 x 5,67 x 10-8x(337,54 – 2984) = 1,61 watt q”x = q”konveksi + q”radiasi = 1,15watt + 1,61 watt = 2,76 Watt q. L 2,76 watt x 0,005 m K= = =0,0763 W/mK A . ΔT 0,0065 m2 x ( 92,3−64,5 ) K Ral=



Perhitungan Benda Kerja 1 Data 2 Material : Plat Akrilik Bening (K=0.19 W/mK) Panjang : 80.75 mm = 0.08075 m Lebar : 80.60 mm = 0.08060 m Luas =0,0065 m2 Temperatur ruangan : 25ᵒC T1,0 = 28,8ᵒC T1= 93,2ᵒC T2,0 = 28,8ᵒC T2= 65,4ᵒC V=75 volt, I=0,50 Ampere 37,5 Watt q”x=q”konveksi + q”radiasi q”conv = ℎ̅.𝐴.(𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛) 𝑞"𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖=𝜀.𝐴.𝜎.(T24−𝑇4ruangan) 𝑅𝑎𝐿=𝑔. 𝛽 . (𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛). 𝐿3÷v2 ×𝑃𝑟 Tf= (T2+Truangan)/2= (65,4+25)/2=45,20ᵒC Maka Properti udara pada 45,20ᵒC β = 1/(44,75 + 273)K =0,00314/K kinematic viscousity (v) = 1,752 x 10-5 m2/s Prandtl Number (Pr) = 0,724048 L (Plate horizontal) = A/keliling = P2/4P = P/4 = 0,08/4 = 0,02015m Kudara = 0,027004 w/mK g = 9,8 m/s2 9,8 m/s 2 . 0,00314/ K .(65,4−25)K . ( 0,020153 ) 7,364 x 10−6 Ral= x 0,724048= =23994,78 10−5 m2 2 3,069 x 10−10 (1,752 x ) s NuL = 0,27 x (23994,781/4) = 3,361 ´ NuL .k = 3,361 x 0,027004 w/mK =4,504 W /m2 K h= L 0,02015 m q”conv = 4,504w/m2K x 0,0065 m2 x (65,4-25)K = 1,18 Watt Emesivitas akrilik 0,86 q”radiasi = 0,86x 0,0065 x 5,67 x 10-8x(338,44 – 2984) = 1,66 watt q”x = q”konveksi + q”radiasi = 1,18 watt + 1,66 watt = 2,84 Watt q. L 2,84 watt x 0,005 m K= = =0,0785 W /mk A . ΔT 0,0065 m2 x ( 93,2−65,4 ) K



Perhitungan Benda Kerja 1 Data ke-3 Material : Plat Akrilik Bening (K=0.19 W/mK) Panjang : 80.75 mm = 0.08075 m Lebar : 80.60 mm = 0.08060 m Luas =0,0065 m2 Temperatur ruangan : 25ᵒC T1,0 = 28,8ᵒC T1= 94,1ᵒC T2,0 = 28,8ᵒC T2=44,3ᵒC V=75 volt, I=0,49 Ampere 36,75 Watt q”x=q”konveksi + q”radiasi q”conv = ℎ̅.𝐴.(𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛) 𝑞"𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖=𝜀.𝐴.𝜎.(T24−𝑇4ruangan) 𝑅𝑎𝐿=𝑔. 𝛽 . (𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛). 𝐿3÷v2 ×𝑃𝑟 Tf= (T2+Truangan)/2= (66,3+25)/2=45,65ᵒC Maka Properti udara pada 45,65ᵒC β = 1/(44,75 + 273)K =0,00314/K kinematic viscousity (v) = 1,756 x 10-5 m2/s Prandtl Number (Pr) = 0,723931 L (Plate horizontal) = A/keliling = P2/4P = P/4 = 0,08/4 = 0,02015m Kudara = 0,0270368 w/mK g = 9,8 m/s2 9,8 m/s 2 . 0,00314/ K .(66,3−25) K . ( 0,020153 ) 7,527 x 10−6 x 0,723931= =24414,53 10−5 m2 2 3,083 x 10−10 (1,756 x ) s NuL = 0,27 x (24414,531/4) = 3,375 ´ NuL .k = 3,375 x 0,0270368 w /mK =4,528 W /m 2 K h= L 0,02015 m 2 q”conv = 4,528w/m K x 0,0065 m2 x (66,3,-25)K = 1,21 Watt Emesivitas akrilik 0,86 q”radiasi = 0,86x 0,0065 x 5,67 x 10-8x(339,34 – 2984) = 1,70watt q”x = q”konveksi + q”radiasi = 1,21 watt + 1,70 watt = 2,91 Watt q. L 2,91 watt x 0,005 m K= = =0,0805W /mK A . ΔT 0,0065 m2 x ( 94,1−66,3 ) K Ral=



Perhitungan Benda Kerja 2 (Pelat Kayu) Data 1 Material : Pelat Kayu (K=0,17 W/mK) Panjang : 83,20mm = 0,0832 m Lebar : 80,10 mm = 0,0801 m Luas =0,0066 m2 Temperatur ruangan : 25,7ᵒC T1,0 =28,70ᵒC T1= 78,6ᵒC T2,0 =28,00ᵒC T2=59,5ᵒC V=75 volt, I=0,42 Ampere 31,5 Watt q”x=q”konveksi + q”radiasi q”conv = ℎ̅.𝐴.(𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛) 𝑞"𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖=𝜀.𝐴.𝜎.(T24−𝑇4ruangan) 𝑅𝑎𝐿=𝑔. 𝛽 . (𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛). 𝐿3÷v2 ×𝑃𝑟 Tf= (T2+Truangan)/2=(59,5+25,7)/2=42,6ᵒC Maka Properti udara pada 42,6ᵒC β = 1/(35,75 + 273)K =0,003168/K kinematic viscousity (v) = 1,726 x 10-5 m2/s Prandtl Number (Pr) = 0.724772 L (Plate horizontal) = A/keliling = P2/4P = P/4 = 0,0832/4 = 0,0204m Kudara = 0,0268124 w/mK g = 9,8 m/s2 9,8 m/ s 2 . 0,003168/K .(59,5−25,7) K . ( 0,0204 3 ) Ral= x 0,724772=21670,135 10−5 m2 2 (1,726 x ) s NuL = 0,27 x (21670,1351/4) = 3,275 ´ NuL .k = 3,275 x 0,0268124 w/mK =4,3045 W /m2 K h= L 0,0204 m 2 q”conv = 4,3045 w/m K x 0,0066 m2 x (59,5-25,7)K = 0,970 Watt Emesivitas Pelat Kayu 0,85 q”radiasi = 0,85 x 0,0066 x 5,67 x 10-8 x(332,54 – 298,74) = 1,355 watt q”x = q”konveksi + q”radiasi = 0,970 watt + 1,355 watt = 2,325 Watt q. L 2,325 watt x 0,00305 m K= = =0,056 watt /mK A . ΔT 0,0066 m 2 x ( 78,6−59,5 ) K



Perhitungan Benda Kerja 2 Pelat Kayu Data 2 Material : Pelat Kayu (K=0,17 W/mK) Panjang : 83,20mm = 0,0832 m Lebar : 80,10 mm = 0,0801 m Luas =0,0066 m2 Temperatur ruangan : 25,7ᵒC T1,0 =28,70ᵒC T1= 79,1ᵒC T2,0 =28,00ᵒC T2=60,0ᵒC V=75 volt, I=0,42 Ampere 31,5 Watt q”x=q”konveksi + q”radiasi q”conv = ℎ̅.𝐴.(𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛) 𝑞"𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖=𝜀.𝐴.𝜎.(T24−𝑇4ruangan) 𝑅𝑎𝐿=𝑔. 𝛽 . (𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛). 𝐿3÷v2 ×𝑃𝑟 Tf= (T2+Truangan)/2=(60,0+25,7)/2=42,85ᵒC Maka Properti udara pada 42,85ᵒC β = 1/(42,85 + 273)K =0,003166/K kinematic viscousity (v) = 1,729 x 10-5 m2/s Prandtl Number (Pr) = 0,724702 L (Plate horizontal) = A/keliling = P2/4P = P/4 = 0,0832/4 = 0,0204m Kudara = 0,0268309 w/mK g = 9,8 m/s2 9,8 m/s 2 . 0,003166/ K .( 60,0−25,7) K . ( 0,02043 ) Ral= x 0,724707=21910,230 10−5 m2 2 (1,729 x ) s NuL = 0,27 x (21910,2301/4) = 3,284 ´ NuL .k = 3,284 x 0,0268309 w/mK =4,319 W /m2 K h= L 0,0204 m q”conv = 4,319 w/m2K x 0,0066 m2 x (60,0-25,7)K = 0,987 Watt Emesivitas Pelat Kayu 0,85 q”radiasi = 0,85 x 0,0066 x 5,67 x 10-8 x(333,04 – 298,74) = 1,38 watt q”x = q”konveksi + q”radiasi = 0,987 watt + 1,38 watt = 2,367 Watt q. L 2,367 watt x 0,00305 m K= = =0,0572 watt/mK A . ΔT 0,0066 m 2 x ( 79,1−60,0 ) K



Perhitungan Benda Kerja 2 Pelat Kayu Data 3 Material : Pelat Kayu (K=0,17 W/mK) Panjang : 83,20mm = 0,0832 m Lebar : 80,10 mm = 0,0801 m Luas =0,0066 m2 Temperatur ruangan : 25,7ᵒC T1,0 =28,70ᵒC T1= 79,7ᵒC T2,0 =28,00ᵒC T2=60,6ᵒC V=75 volt, I=0,42 Ampere 31,5 Watt q”x=q”konveksi + q”radiasi q”conv = ℎ̅.𝐴.(𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛) 𝑞"𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖=𝜀.𝐴.𝜎.(T24−𝑇4ruangan) 𝑅𝑎𝐿=𝑔. 𝛽 . (𝑇2−𝑇𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛). 𝐿3÷v2 ×𝑃𝑟 Tf= (T2+Truangan)/2=(60,6+25,7)/2=43,15 ᵒC Maka Properti udara pada 43,15 ᵒC β = 1/(43,15 + 273)K =0,003163/K kinematic viscousity (v) = 1,7322 x 10-5 m2/s Prandtl Number (Pr) = 0,724618 L (Plate horizontal) = A/keliling = P2/4P = P/4 = 0,0832/4 = 0,0204m Kudara = 0,0268531 w/mK g = 9,8 m/s2 9,8 m/ s 2 . 0,003163/K .(60,6−25,7) K . ( 0,02043 ) x 0,724618=22195,77 10−5 m2 2 (1,7322 x ) s NuL = 0,27 x (22195,771/4) = 3,295 ´ NuL .k = 3,295 x 0,0268531 w /mK =4,33 W /m 2 K h= L 0,0204 m q”conv = 4,33 w/m2K x 0,0066 m2 x (60,6-25,7)K = 0,997 Watt Emesivitas Pelat Kayu 0,85 q”radiasi = 0,85 x 0,0066 x 5,67 x 10-8 x(333,604 – 298,74) = 1,42 watt q”x = q”konveksi + q”radiasi = 0,997 watt + 1,42 watt = 2,417 Watt q. L 2,417 watt x 0,00305 m K= = =0,0584 watt/mK A . ΔT 0,0066 m 2 x ( 79,7−60,6 ) K Ral=



VIII.



PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN



8.1 Pembahasan Oleh : Sandi Agung Santoso Pada kesempatan praktikum perpindahan panas konduksi ini, kita diberikan data praktikum/percobaan yag nantinya diolah untuk mendapatkan nilai konduktivitas termal dari material yang diuji yaitu akrilik dan kayu yang kondisinya dilakukan perpindahan panas secara satu dimensi yang homogen . Berdasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan terhadap data dengan T konstan, saya mengamati 3 data dari data akrilik dan 3 data dari kayu untuk dilakukan perhitungan menentukan nilai konduktivitas masing-masing material. Serta kita juga menganalisa apa saja faktor-faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas suatu material. Cara yang dilaksanakan pada saat praktikum adalah dengan merujuk pada metode ASTM C18. Sampel akrilik dan kayu diletekkan secara horizontal dengan arah perambatan yang tegak lurus dengan tebal material. Tegangan yang diberikan adalah sebesar 75.00 volt secara konstan agar dapat dikontrol temperatur panasnya. Arus yang mengalir ke solder yaitu alat yang digunakan sebagai pemanas, tidak mengalir secara konstan namun berubah setiap 300 detik pemanasan sehingga daya yang keluar dari solder untuk memanaskan material adalah berkisar 36,75 watt – 41,25 watt untuk akrilik dan 0,39 watt – 0,42 watt untuk kayu. Pada praktikum kali ini, alur perpindahan panas ini terjadi secara seri di mana solder yang bertugas sebagai pemanas/sumber panas ditempelkan ke permukaan salah satu plat (permukaan 1) yang nantinya panas akan berpindah dari permukaan yang tertempel oleh solder ke permukaan yang satunya (permukaan 2). Dari permukaan 2 ini, panas akan berpindah secara konveksi alami ke udara dan adanya juga perpindahan secara radiasi ke lingkungan. Pada praktikum ini, kita menganggap bahwa perpindahan terjadi secara steady state yang artinya panas berpindah dari sisi 1 ke sisi 2 akan sama nilainya. Oleh karena hal tersebut perpindahan panas secara konduksi ini diperoleh dari penjumlahan nilai perpindahan panas konveksi dan juga radiasi.



Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan, saya mendapatkan hasil k untuk akrilik adalah sebesar 0,040 W/mK- 0,0805 W/mK. Diketahui bahwasanya besaran nilai k pada akrilik bening adalah berkisar di angka 0,17 W/mK-0,19 W/mK sehingga dari situ kita bisa menentukan bahwa ada penyimpangan nilai k sebesar : 0,040 x 100 %=21,5 % 0,19 Dari hasil tersebut kita mengetahui bahwa ada penyimpangan nilai yang cukup besar yaitu sebesar 21,55% hal tersebut disebabkan oleh kemungkinan dari perbedaan temperatur pada praktikum dan teori serta bisa juga terjadi akibat dari perbedaan dimensi benda. Namun, dari data tersebut memiliki kesamaan yaitu kecenderungan semakin meningkatnya nilai dari temperatur maka semakin meningkat pula nilai konduktivitasnya. Untuk nilai k pada delta T yang konstan diperoleh angka sebesar 0,0763 W/mK ; 0,0785 W/mK ; 0,0805 W/mK. Dari nilai ini kita melihat bahwa ada kecenderungan yang nilai k nya hampir sama karena T yang mempengaruhi nilainya sudah konstan. Hasil yang diperoleh dari data praktikum kayu antara lain sebagai berikut yaitu 0,0190 W/mK -0,0584 W/mK. Pada teori yang didapatkan yaitu bahwa pelat kayu tipis yaitu berkisar di 0,04-0,4 W/mK (sumber :Wikipedia.org). Dari hasil tersebut bisa dilihat bahwa ada penyimpangan yang terjadi 0,0190 x 100 %=47,5 % 0,04 Sama halnya dengan akrilik, bahwa kayu juga memiliki penyimpangan yang terjadi pada saat melakukan praktikum. Penyimpangan yang terjadi juga berkisar 47,5%. Perbedaan ini erjadi



akibat perbedaan temperatur yang dilakukan pada saat praktikum dan teori berbeda lalu perbedaan dimensi/tebal material yang berbeda pula sehingga terjadi penyimpangan. Namun, kecenderungan dari nilai k kayu adalah semakin meningkatnya nilai T maka akan meningkat pula nilai k nya. Pada pengamatan saat delta T nya konstan yaitu didapatkan hasil sebesar 0,0560 W/mK ; 0,0572 W/mK ; 0,0584 W/mK. Dari kecenderungan nilai k ini nilainya yaitu hampir sama karena T yang mempengaruhi nilainya sudah konstan. Dari hasil nilai konduktivitas itu bisa dilihat bahwa kecenderungan antar keduanya memiliki nilai k yang relative kecil sehingga mereka berdua dapat digolongkan ke dalam golongan material penghantar panas yang kurang baik (isolator). 8.2 Kesimpulan Dari praktikum ini, didapatkan simpulan sebagai berikut : 1. Pendekatan teori perhitungan perpindahan panas (Fourier’s Law, Newton’s Cooling Law, Stefan Boltzman’s Law) dapat digunakan untuk menentukan nilai konduktivitas suatu material. 2. Properti termofisika yang dibutuhkan dalam penenetuan nilai konduktivitas ini adalah kinematik viskositas (v) dan bilangan Prandtl (Pr) yang berguna dalam perhitungan. 3. Faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas termal suatu material antara lain adalah luas penampang material, ketebalan material, lama waktu yang diberikan serta kalor jenis benda terebut. 4. Analisi ini nantinya akan dibutuhkan untuk berbagai bidang pekerjaan karena penentuan nilai konduktivitas termal suatu material akan membantu manusia untuk mengetahui material mana yang cocok digunakan pada suatu alat kerja.



TUGAS Jawablah pertanyaan berikut untuk dimasukkan ke dalam laporan praktikum (setelah pembahasan): 1. Bandingkan nilai konduktivitas termal pelat akrilik dari hasil perhitungan anda dengan data yang ada di berbagai referensi lainnya. Lakukan analisis berbagai faktor penyebab perbedaan yang terjadi (silahkan merujuk pada metoda ASTM C518 – 98). 2. Apa yang akan terjadi apabila pelat akrilik dalam percobaan dicat hitam?. Jelaskan perubahan sifat properti material yang mungkin terjadi dan dampaknya terhadap nilai konduktivitas dan laju perpindahan panas. 3. Temukan contoh berbagai manfaat lain dari pengukuran konduktivitas di berbagai bidang pekerjaan JAWAB :



1. Nilai konduktivitas termal pada saat perhitungan dalam data praktikum menunjukan angka untuk k untuk akrilik bening adalah sebesar 0,0763 W/mK, 0,0785 W/mK, dan 0,0805 W/mK, namun pada teori yang didapatkan bahwa nilai k untuk akrilik bening adalah berkisar antara 0,17-0,19 W/mK pada temperature dengan range 50 °C-90 °C. Perbedaan yang terjadi antara teori dan praktikum dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain: a. Perbedaan tebal pada material yang diuji



b. Temperatur yang mempengaruhi antara praktikum dan teori berbeda c. Perbedaan lama waktu pemanasan



Bila kita melihat/merujuk ke metoda ASTM C18, perbedaan ini disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain: a. Kalibrasi dari alat ukur yang belum sesuai standar b. Penggunaan dari metode cenderung berbeda bahwa dikatakan pada ASTM C18 digunakan dalam kondisi T 10 °C-40 °C, ketebalan dari material 250 mm c. Analisa terhadapa nilai resistansi R>0,1 m² k/w d. Banyak terjadi rugi-rugi panas yang terbuang.



2. Cat hitam pada permukaan suatu material akan berpengaruh terhadap kemampuan dia dalam menyerap kalor/panas dari luar. Hal ini karena sesuai dengan hukum fisika yaitu tentang hukum radiasi benda hitam yang dikemukakan oleh Plack, Hukum Perpindahan Wien, dan Hukum Stefan-Boltzman. Benda hitam dipercaya memiliki spectrum warna yang tetap dan memiliki puncak pada pancake gelombang tertentu. Kaitannya dengan benda yang diuji yaitu akrilik dalam praktikum kali ini, maka nilai konduktivitas akrilik akan meningkat. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya q radiasi karena akrilik hitam tadi menyerap panas lebih banyak. Ketika q radiasi meningkat, hal ini tentunya akan berpengaruh kepada nilai q konduksi yang diperlukan dalam menentukan nilai konduktivitas material tersebut. Untuk masalah laju perpindahan panas, otomatis akan meningkat juga karena nilai konduktivitas nya juga meningkat.



3.



 







Pada bidang industri kendaraan misalnya, pada saat membuat kerangka mesin dengan mengetahui nilai konduktivitas suatu material kita akan paham bahwa material tersebut bisa cocok untuk mesin agar mesin tidak mudah panas. Selanjutnya ada di industri tambang, minyak bumi dan gas bumi. Menentukan nilai konduktivitas akan sangat berpengaruh terutama dalam membuat pipa-pipa yang nantinya akan digunakan sebagai alat untuk memindahkan fluida baik itu minyak maupun gas bumi yang notabenenya adalah fluida panas yang berada di dalam bumi. Pada industri PLTU juga menentukan bahan material yang cocok untuk boiler misalnya bisa digunakan material yang bisa mempercepat transfer panas agar boiler bisa lebih cepat panas sehingga menaikkan nilai koefisien.