Resume Perpindahan Kalor [PDF]

Citation preview

RESUME PERPINDAHAN KALOR URAIAN MEKANISME PERPINDAHAN PANAS



DOSEN PENGAMPU : Ir.Caecilia Pujiastuti,MT KELOMPOK 7 PARALEL D DISUSUN OLEH :



1. Aryuda Bagus Aryanto



(19031010138)



2. Fiqi Putra A



(19031010171)



3. Dimas Alfa Alif Dewandana



(19031010172)



4. Mochamad Fadilah R



(19031010177)



5. Mochamad Dhani Dharmawan



(19031010178)



PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL”VETERAN” JAWA TIMUR



2021



Nama



: Mochamad Dhani Dharmawan



NPM



: 19031010178



Paralel



:D



TTD



:



Perpindahan panas



Gambar 1. Perpindahan panas Perpindahan yaitu sebuah perubahan kedudukan suatu benda setelah bergerak selama selang waktu tertentu. Perpindahan dapat dikatakan besaran vektor sehingga selain memiliki besar juga memiliki arah. Perpindahan panas (heat transfer) adalah proses berpindahnya energi kalor atau panas (heat) karena adanya perbedaan temperatur. Dimana, energi kalor akan berpindah dari temperatur media yang lebih tinggi ke temperatur media yang lebih rendah. Proses perpindahan panas akan terus berlangsung sampai ada kesetimbangan temperatur yang terjadi pada kedua media tersebut. Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut. Karena beda suhu terdapat di seluruh alam semesta, maka aliran panas bersifat seuniversal yang berkaitan dengan tarikan gravitasi. Tetapi tidak sebagaimana halnya gravitasi, aliran panas tidak di kendalikan oleh sebuah hubungan yang unik, namun oleh kombinasi dari berbagai hukum fisika yang tidak saling bergantungan. Mekanisme perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yaitu, konduksi (conduction, juga dikenal dengan istilah hantaran), konveksi (convection, juga dikenal dengan istilah aliran), radiasi (radiartion).



A. Konduksi



Gambar 1. perpindahan panas secara konduksi Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada suatu media padat, atau pada media fluida yang diam. Konduksi terjadi akibat adanya perbedaan temperatur antara permukaan yang satu dengan permukaan yang lain pada media tersebut. Konsep yang ada pada konduksi merupakan suatu aktivitas atomik dan molekuler. Sehingga peristiwa yang terjadi pada konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih energetik (molekul yang lebih berenergi atau bertemperatur tinggi) menuju partikel yang kurang energetik (molekul yang kurang berenergi atau bertemperatur lebih rendah), akibat adanya interaksi antara partikelpartikel tersebut.Proses perpindahan panas secara konduksi pada steady state melalui dinding datar suatu dimensi sebagai berikut.



Gambar 2. perpindahan panas konduksi pada bidang datar Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum Fourier (Fourier Law of Heat Conduction) tentang konduksi, yang persamaan matematikanya dituliskan sebagai berikut. 𝑑𝑇



qkond = -k.A.𝑑𝑥



Keterangan: qkond = laju perpindahan panas konduksi (W) k = konduktivitas termal bahan (W/m.K) A = luas penampang tegak lurus terhadap arah aliran panas (m) 𝑑𝑇 𝑑𝑥



= gradien temperatur pada penampang tersebut (K/m)



Tanda (-) diselipkan agar memenuhi hukum Thermodinamika II, yang menyebutkan bahwa, panas dari media bertemperatur lebih tinggi akan bergerak menuju media yang bertemperatur lebih rendah (Supu, 2016). B. Konveksi Perpindahan panas konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan panas konveksi dapat diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan gradien temperatur, maka dikatakan sebagai konveksi bebas/alamiah (natural), sedangkan bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat tertentu dari luar dikatakan sebagai konveksi paksa. Fenomena perpindahan panas konveksi terdiri dari dua mekanisme yaitu perpindahan energi sebagai akibat dari pergerakan molekuler acak (difusi) dan energi yang dipindahkan secara makroskopis dari fluida. Perpindahan konveksi paksa dalam kenyataannya sering dijumpai, karena dapat meningkatkan efisiensi pemanasan maupun pendinginan satu fluida dengan fluida yang lain. Mekanisme perpindahan panas di atas pelat datar merupakan contoh dari sekian banyak bentuk penampang yang sering dijumpai dan sangat luas aplikasinya, misalnya pada setrika listrik, procesor dan head mesin (Luhulima, 2010).



Gambar 3. Perpindahan Kalor Secara Konveksi Konveksi adalah peristiwa perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat. Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat cair dan zat gas. Perpindahan kalor terjadi karena terdapat perbedaan massa jenis zat. Air merupakan konduktor yang buruk, namun ketika air bagian bawah dipanaskan ternyata air bagian atas juga ikut terasa panas. Saat air bagian bawah mendapatkan kalor dari pemanas, partikel air memuai sehingga menjadi lebih ringan dan bergerak naik dan digantikan dengan partikel air dingin dari bagian atas. Dengan hal ini, panas air dari bagian bawah berpindah bersama aliran air menuju bagian atas. Proses ini yang kemudian disebut dengan perpindahan kalor secara konveksi (Anonim, 2020). Konveksi adalah model transfer energi antara permukaan benda solid dengan gas atau liquid yang berdekatan di dalam pergerakan, dan ini melibatkan kombinasi efek konduksi dan gerakan fluida. Perpindahan panas konveksi diformulasikan sebagai berikut : q = h.A.(Tsurface – Tfluid bulk) Keterangan: q = laju perpindahan panas. W h = koefisien perpindahan panas, W/m2oC A = Luas perpindahan panas, m2 Tsurface = temperature dinding, oC Tfluid bulk = temeratur sekeliling, oC



Koefisien perpindahan panas bukan merupakan property dari udara, akan tetapi merupakan parameter eksperimen dimana nilainya tergantung semua variabel yang mempengaruhi konveksi dan geometri permukaan objek. Nilai koefisien perpindahan panas dapat ditentukan dengan beberapa analisa dimensional. ℎ = 𝑞/𝐴.∆𝑇 Koefisien perpindahan panas pada sebuah dinding mewakili kemampuan penyerapan atau pelepasan energi thermal pada permukaan fluida/solid (Heru, 2017). C. Radiasi



Gambar 4. perpindahan panas secara radiasi Perpindahan panas radiasi dapat dikatakan sebagai proses perpindahan panas dari satu media ke media lain akibat perbedaan temperatur tanpa memerlukan media perantara. Peristiwa radiasi akan lebih efektif terjadi pada ruang hampa, berbeda dari perpindahan panas konduksi dan konveksi yang mengharuskan adanya media perpindahan panas. Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalordalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi mendeskripsikan setiap proses di manaenergi bergerak melalui media atau melalui ruang, dan akhirnya diserap oleh benda lain. Radiasi termal adalah proses dimana permukaan benda memancarkan energi panas dalam bentukgelombang elektromagnetik. Radiasi infra merah dari radiator rumah tangga biasa atau pemanas listrik adalah contoh radiasi termal, seperti panasdan cahaya yang dikeluarkan oleh sebuah bola lampu pijar bercahaya. Radiasi termal dihasilkan ketika panas dari pergerakan partikel bermuatan dalam atom diubah menjadi radiasi elektromagnetik. Gelombang frekuensi yang dipancarkan dari radiasi termaladalah distribusi probabilitas tergantung hanya pada suhu, dan untuk



benda hitam asli yang diberikan oleh hukum radiasi Planck. Hukum Wien memberikan frekuensi paling mungkin dari radiasi yang dipancarkan, dan hukum Stefan-Boltzmann memberikan intensitas panas. Perpindahan kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor secara konveksi. Perpindahan kalor dengan cara konduksidan konveksi terjadi ketika benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan kalor secara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. a. Mekanisme fisis Radiasi termal merambat dengan kecepatan cahaya 3x1010 cm/s. Kecepatan ini sama dengan hasil perkalian panjang gelombang dengan frekuensi radiasi : c=λv Dimana : c = kecepatan cahaya λ = panjang gelombang v = frekuensi Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum-kuantum yang diskrit atau farik (discrete), setiap kuantum mengandung energy sebesar : E=hv Dimana: h ialah konstanta Planck yang nilainya h = 6,625 x 10-34 Js Gambaran fisis yang amat kasar tentang perambatan radiasi diperoleh dengan menganggap setiap kuantum sebagai suatu partikel yang mempunyai energy, massa, dan momentum, seperti halnya molekul gas. Jadi radiasi dapat digambarkan sebagai gas foton yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat lain. Energi total Radiasi yang dipancarkan dapat dihitung dengan hukum StefanBoltzmann : Eb = σ T4 Dalam analisis termodinamika, densitas energy dihubungkan dengan radiasi energy dari permukaan per satuan waktu per satuan luas. Jadi permukaan bagian dalam yang dipanaskan dari suatu ruang tertutup menghasilkan densitas-energi radiasi-termal tertentu dalam ruang itu. Hukum Stefan-Boltzmann menjelaskan



tentang radiasi benda hitam. Disebut radiasi benda hitam karena bahan yang mematuhi hukum ini tampaknya hitam di mata, benda itu tampak hitam karena tidak memantulkan sesuatu radiasi. Jadi benda hitam ialah juga benda yang menyerap seluruh radiasi yang menyimpannya. Eb disebut daya emisi benda hitam (Candra, 2015).



Contoh Dalam Dunia Industri Aplikasi konduksi pada industri Dalam dunia industri terdapat sebuah alat yang bernama evaporator. Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi untuk menguapkan sebagian air sehingga menjadi larutan jenuh. Cara kerja evaporator adalah zat yang ingin dinaikkan konsentrasinya masuk melalui feed dan masuk ke dalam pipa yang dipanasi dengan steam sehingga suhunya naik sehingga sebagian liquid (zat yang ingin dikurangi konsentrasinya) menguap. Peristiwa konduksinya adalah terjadi perpindahan panas dari steam ke dinding pipa sehingga mengakibatkan naiknya temperatur zat yang ingin dipekatkan dan zat yang ingin dikurangi konsentrasinya dapat menguap melalui tabung vapour (Rokhimi, 2015). Aplikasi konveksi pada industri Forced convection adalah mekanisme atau jenis perpindahan panas dimana gerakan fluida yang dihasilkan oleh sumber eksternal (seperti pompa, kipas angin, alat penghisap,, dll). Ini harus dipertimbangkan sebagai salah satu metode utama perpindahan panas berguna sebagai sejumlah besar panas dapat diangkut sebagai sangat efisien dan mekanisme ini ditemukan sangat umum dalam kehidupan seharihari, termasuk pemanas sentral AC, turbin uap dan mesin lainnya. Konveksi paksa sering dihadapi oleh para insinyur merancang atau menganalisis penukar panas, aliran pipa, dan aliran atas piring pada suhu yang berbeda dari aliran.berikut adalah beberapa pengaplikasian konveksi paksa pada industri: a) Sistem suplai air panas Prinsip kerja : Air panas di dalam ketel naik ke bagian atas tangki penyimpan. Air dingin di dalam tangkiutama kemudian turun menuju ke ketel untuk dipanaskan.Tangki utama dihubungkan ke suplai air dingin oleh katup yang dikendalikan oleh pelampung. Jikaketinggian air di dalam tangki utama berada di bawah ketinggian minimum tertentu, maka pelampungakan membuka katup suplai air. Pipa luapan berfungsi mengalirkan luapan air panas yang dihasilkan kedalam tangki utama.Gambar konveksi air dalam suplai air panas



Gambar 1.2 sistem suplai air b) Lemari es Prinsip kerja : Udara dingin pada kompartemen pendingin bergerak ke bawah, dan tempatnya digantikanoleh udara hangat yang naik dari bagian bawah dan didinginkan oleh pipa-pipa pendingin. Pergerakanudara ini menghasilkan arus konveksi alamiah udara. Arus konveksi udara ini akan mendinginkan semuamakanan yang disimpan di dalam lemari es.Sistem konveksi udara pada lemari es



Gambar 1.3 sistem lemari es



c) Mesin bubut Cairan pendingin mempunyai kegunaan yang khusus dalam proses pemesinan. Selain untuk memperpanjang umur pahat, cairan pendingin dalam beberapa kasus, mampu menurunkan gaya dan memperhalus permukaan produk hasil pemesinan. Selain itu, cairan pendingin juga berfungsi sebagai pembersih/pembawa beram (terutama dalam proses gerinda) dan melumasi elemen pembimbing (ways) mesin perkakas serta melindungi benda kerja dan komponen mesin dari korosi



Gambar 1.4 mesin bubut Dan masih banyak pengaplikasian lainnya pada industri seperti untuk heat treatment, pengkondisian udara dan yang lain lain (Frank, 2002). Aplikasi konveksi pada industri a) Iradiasi Pada Bidang Pangan Iradiasi adalah suatu teknik penggunaan energi radiasi untuk penyinaran bahan secara sengaja dan terarah. Iradiasi bahan pangan merupakan salah satu teknologi pengolahan pangan yang bertujuan untuk membunuh cemaran biologis berupa bakteri patogen, virus, jamur, dan serangga yang dapat merusak bahan pangan tersebut dan membahayakan konsumen dengan cara mengionisasi bahan pangan tersebut dengan menggunakan sinar tertentu. Iradiasi juga dapat mencegah penuaan bahan pangan yang disebabkan karena faktor internal pangan tersebut, misalnya pertunasan, sehingga berfungsi sebagai pengawet, serta dapat membuat bahan pangan tetap segar.



Iradiasi pangan menggunakan energi elektromagnetik tertentu, yaitu energi dari radiasi pengion. Radiasi pengion adalah radiasi dengan energi yang mampu membuat elektron suatu atom terpental dari tempatnya yang mengakibatkan atom netral berubah menjadi ion positif, yaitu atom yang kehilangan elektronnya. Contoh radiasi pengion ialah radiasi ultraviolet, radiasi alpha (α), sinar beta (β) dan sinar gamma (γ). Radiasi gamma inilah yang digunakan untuk pengawetan bahan pangan. Sinar gamma memiliki gelombang elegtromagnetik yang bergerak dengan kecepatan tinggi, hampir menyamai kecepatan cahaya, arahnya tidak dipengaruhi medan magnet, tidak memiliki muatan, jarak lintasan relatif panjang dan mempunyai daya ionisasi kecil serta daya tembus yang tinggi. b) Industri Radiografi Bidang radiografi industri merupakan salah satu bidang yang banyak memanfaatkan zat radioaktif dan sumber radiasi lainnya. Radiografi industri ialah pemeriksaan strukur dan kualitas bahan dengan metode uji tak rusak yang menggunakan radiasi. Aplikasi teknologi nuklir dalam bidang industri merupakan salah satu bentuk pemanfaatan radiasi yang ada pada zat radioaktif atau radioisotop. Radioisotop dapat diperoleh dari reaktor nuklir yang khusus memproduksi radioisotop ataupun reaktor riset. Aplikasi teknologi nuklir dalam bidang industri radiografi hampir mirip dengan pemakaian pesawat sinar-X pada bidang kedokteran, yaitu untuk melihat keadaan dalam tubuh manusia dengan cara di foto dengan sinar – X. Sedangkan dalam teknik radiografi industri yang di foto adalah benda atau obyek yang akan dilihat keadaan bagian dalamnya. Sumber radiasi dalam teknik radiografi pada umumnya adalah sumber radiasi sinar-X, sumber radiasi sinar gamma, sumber radiasi neutron. Ketiga sumber radiasi tersebut digunakan dalam teknik radiografi karena mempunyai daya tembus yang sangat tinggi dan memiliki sifat-sifat khusus yang diperlukan dalam teknik radiografi. Prinsip kerja teknik radiografi adalah sebagai berikut: radiasi yang datang dari arah sumber radiasi diarahkan ke obyek yang akan diperiksa dan dibalik obyek



sudah



diletakkan



film



yang



akan



merekam



hasil



pemotretan



radiografi. Setelah melalui proses pencucian film, keadaan dalam obyek tersebut dapat dilihat (Putri, 2015).



Jenis-jenis Alat Penukar Kalor Seperti yang telah dikemukakan dalam pendahuluan terdapat banyak sekali jenis-jenis alat penukar kalor.Maka untuk mencegah timbulnya kesalah pahaman maka alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya; a) Chiller,alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. b) Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat. c) Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas). d) Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair. e) Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri.



Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 0F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube. f) Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu: 1) Memanaskan fluida 2) Mendinginkan fluida yang panas



DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2018, Pengertian dan Contoh Konduksi, Konveksi, Radiasi, diakses pada 16 Februari 2021 http://www.kitapunya.net/2015/07/pengertian-contohkonduksi-konveksiradiasi.html Anonim 2020, Mekanisme Perpindahan Kalor, diakses pada 16 Februari 2021, https://katapengetahuan.wordpress.com/2019/11/08/mekanismeperpindahan-kalor/ Candra, 2015, Perpindahan Panas Radiasi, diakses pada 16 Februari 2021, https://www.academia.edu/38904008/Perpindahan_Panas_Radiasi Frank P.Incropera, and David P. DeWitt, 2002, Fundamentals of Heat Transfer, Fourth Edition, John Wiley and Sons Inc. Halliday and Resnick. 1960. Fundamentals Of Physics. Amerika : Jhon While & Sons Inc Heru, A 2017, “Karakteristik Perpindahan Panas dan Evaluasi Kondisi Udara pada Sebuah Ruangan Terhadap Efek Perubahan Setting Temperatur AC”, Naskah Publikasi Teknik Mesin, Vol 1, No 1 Holman, J.P, 1997, Perpindahan Kalor Edisi keenam, Erlangga, Jakarta McCabe, W, Smith, J.C , dan Harriot, P, 1993, Unit Operation of Chemical Engineering, McGraw Hill Book Co, United States of Americ Teknik Energi, Vol. 15, No. 2, Hal. 50-58 Putri F.N.A., 2015, ‘Aplikasi Teknologi Iridiasi Gamma Dan Penyimpanan Belu Sebagai Upaya Penurunan Bakteri Patogen Padda Seafood: Kaajian Pustaka’, Jurnal Pangan dan Agroindustri, Vol. 3, No. 2, Hal. 345-352 Rokhimi, I N & Pujayanto 2015, ‘Alat Peraga Pembelajaran Laju Hantaran Kalor Konduksi’, Jurnal Pendidikan Fisika, vol. 6, No. 1, hh. 270-271 Supu, I, dkk 2016, ‘Pengaruh Suhu Terhadap Perpindahan Panas Pada Material Yang Berbeda’, Jurnal Dinamika, Vol 07, No 01