Perpindahan Kalor Chapter i translate bahasa indonesia J.P. HOLMAN

8/19/2019 Perpindahan Kalor Chapter i translate bahasa indonesia J.P. HOLMAN

1/17

PERPINDAHAN KALOR

J.P. HOLMAN

BAB I PENDAHULUAN

Perpindahan kalor merupakan ilmu yan !eruna un"uk mempredik#i la$u perpindahan

eneri yan !erpindah an"ar ma"erial #e!aai aki!a" per!edaan "empera"ur. Pada ilmu

%ermodinamika di$ela#kan !ah&a perpindahan eneri dide'ini#ikan #e!aai pana#. Perpindahan

kalor "idak hanya men$ela#kan !aaimana eneri pana# dapa" dipindahkan( "e"api $ua un"uk

mempredik#i #e!eraapa !e#ar la$u peru!ahan "er#e!u" dalam kondi#i "er"en"u. )ak"anya !ah&a

la$u perpindahan kalor merupakan #e!uah anali#i# yan menun$ukan per!edaan an"ara

perpindahan kalor dan %ermodinamika. %ermodinamika !erkai"an denan ke#e"im!anan #i#"em*

yan diunakan un"uk memperkirakan "o"al eneri yan di!u"uhkan #i#"em un"uk menu!ah

#i#"em dari keadaan #e"im!an ke keadaan yan lain* dan "idak diunakan un"uk memperkirakan

#e!erapa +epa" peru!ahan "er#e!u" #e$ak #i#"em "idak dalam keadaan #e"im!an #elama pro#e#

peru!ahan. Perpindahan kalor melenkapi hukum %ermodinamika per"ama dan kedua denan

menyediakan !e!erapa a"uran "am!ahan yan !er"u$uan un"uk mendapa"kan la$u perpindahan

eneri. ,eper"i pada ilmu %ermodinamika( a"uran-a"uran ini diunakan #e!aai da#ar dari perpindahan kalor yan le!ih #ederhana dan mempunyai +akupan lua# un"uk men+akup !er!aai

#i"ua#i prak"i#.

,e!aai +on"oh per!edaan $eni# ma#alah yan di#ele#aikan denan %ermodinamika dan

perpindahan kalor( Pada ka#u# pendininan !a"an loam yan pana# yan di+elupkan pada

#eem!er air. %ermodinamika dapa" memperkirakan "empera"ur akhir yan #e"im!an. Namun

"idak akan !i#a memperkirakan !erapa lama &ak"u yan di!u"uhkan un"uk men+apai keadaan

#e"im!an a"au !erapa "empera"ur akhir loam #e"elah &ak"u "er"en"u #e!elum men+apai kondi#i

#e"im!an. Perpindahan kalor dapa" memperkirakan &ak"u "er#e!u".

Ki"a "elah menenal denan "ia ma+am +ara perpindahan pana# yai"u konduk#i(

kon/ek#i dan radia#i. Pada !a! ini akan di$ela#kan mekani#me ke"ia +ara perpindahan "er#e!u".

0.0 Perpindahan kalor konduk#i

Nama : Ahmad Sulaiman

NIM : 5202414055

Rombel : 2


2/17

Ke"ika "erdapa" per!edaan "empera"ur an"ara dua permukaan !enda( maka akan "er$adi

perpindahan eneri dari area yan !er#uhu "ini ke area yan !er#uhu le!ih rendah.

Dapa" ki"a ka"akana !ah&a perpindahan "er#e!u" #e+ara konduk#i dan la$u perpindahan

eneri per #a"uan lua# #e!andin denan radien" "empera"ur normal

q x

A =

∂ T

∂ x

Ke"ika propor#ionali"a# kon#"an dima#ukkan(

q x=−kA ∂ T

∂ x

Dimana q x merupakan la$u perpindahan pana# dan∂T

∂ x merupakan

"empera"ur radien" pada arah aliran pana#. /aria!el kon#"an po#i"i' k di#e!u"

konduk"i/i"a# "ermal pada !ahan( dan "anda nea"i/e dima#ukkan aar hukum

"emodinamika kedua "erpenuhi* #eper"i pana# haru# menalir menurun pada #kala #uhu(

#eper"i yan dapa" diliha" pada per#amaan 10-02. Per#amaan "er#e!u" di#e!u" Hukum

perpindahan konduk#i )ourier( #eoran ilmu&an peran+i# Jo#eph )ourier mem!erikan

kon"ri!u#i "erhadap anali#i# dari perpindahan konduk#i ini. 3a"a"an pen"in pada

per#amaan 10-02 diunakan un"uk menen"ukan konduk"i/i"a# "ermal dan k mempunyai

#a"uan &a""# per me"er per dera$a" +el+iu# dan aliran pana# dinya"akan dalam &a"".

Ki"a dapa" menen"ukan per#amaan da#ar un"uk menen"ukan perpindahan pana#

dalam !en"uk pada"( menunakan per#amaan 10-02 #e!aai permulaan.

Pada #i#"em #a"u dimen#i #eper"i yan "erliha" pada am!ar 0-4. Jika #i#"em dalam

keadaan #"a!il. ,e!aai +on"oh "empera"ur "idak !eru!ah( penyele#aianya +ukup

#ederhana( ki"a hanya perlu menin"eralkan per#amaan 0-0 dan men#u!#"i"u#inya

denan nilai-nilai yan #e#uai un"uk meme+ahkan perhi"unannya. Namun $ika

"empera"ur !enda pada" "er#e!u" !eru!ah( a"au "erdapa" #um!er pana# dari dalam !enda

"er#e!u"( akan $auh le!ih rumi". Ki"a dapa" menanap #e+ara umum dimana "empera"ur

!eru!ah dan #um!er pana# "er#e!u" dapa" di"en"ukan. ke"e!alan !enda "er#e!u"

di#im!olkan denan dx( maka ke#eim!anan eneri dapa" diperoleh denan

Eneri yan dikonduk#ikan di #i#i kiri 5 pana# yan "erkan"un dalam !enda

6 peru!ahan eneri in"ernal 5 eneri y#n dikonduk#ikan pada #i#i kanan


3/17

Be#aran eneri

Eneri pada #i#i kiri 6 q x=−kA ∂ T

∂ x

Eneri yan diha#ilkan dalam !enda "er#e!u" 6

q Adx

7am!ar 0-4 Anali#i pada !enda konduk#i pana# #a"u dimen#i

Peru!ahan eneri dalam

Eneri pada #i#i kanan

Dimana

86 eneri yan diha#ilkan per #a"uan /olume 19:m;2

+6 koe'i#ien pana# #pe#i'ik ma"erial( J:K. o3


4/17

per#amaan dia"a# un"uk konduk"i/i"a# #a"u dimen#i. Un"uk aliran pana# le!ih dari #a"u

dimen#i( ki"a perlu menen"ukan konduk"i/i"a# pana# yan ma#uk dan keluar dalam "ia arah

#eper"i pada 0-;a .ha#il ke#eim!anan eneri

Dan $umlah eneri dapa" dike"ahui denan per#amaan


5/17

7am!ar 0-;. Anali#i# konduk"i/i"a# pana# "ia dimen#i a2koordina" kar"e#ian( !2 koordina"

#ilindri#( +2 koordina" !ola

Per#amaan konduk"i/i"a# pana# "ia dimen#i

Un"uk konduk"i/i"a# "ermal ya kon#"an( per#amaan 0-; dapa" di"uli#

Dimana $umlah =6k/ρc di#e!u" di'u#i"i/i"a# "ermal dari ma"erial. ,emakin !e#ar nilai =(

#emakin +epa" pana# !erdi'u#i ke dalam ma"erial. Hal ini dapa" diliha" denan memerik#a $umlah

komponen yan menyu#un =. Nilai = yan !e#ar akan menha#ilkan nilai konduk"i/i"a# "ermal

yan !e#ar pula( yan dapa" dike"ahuii denan la$u perpindahan eneri yan +epaa".( a"au dari


6/17

nilai kapa#i"a# "ermal yan ke+il ρc. ,emakin ke+il nilai kapa#i"a# pana# maka !erar"i #emakin

#ediki" eneri ya !erpindah dalam ma"erial yan "er#erap dan diunakan un"uk menaikkan #uhu

ma"erial "er#e!u"* Jadi akan !anyak eneri yan memunkinkan un"uk perpindahan yan le!ih

lan$u". Di'u#i"i/i"a# "ermal = mempunyai #a"uan me"er per#ei per de"ik.

Pada "urunan dia"a#( per#amaan "urunan dari >5d> di"uli# dalam !en"uk ek#pan#i #eri %aylor

denan dua a"uran yan diunakan un"uk penem!anan.

Per#amaan 10-;a2 dapa" di"ran#'orma#ikan kedalam koordina" #ilindri# a"au !ola denan "eknik

kalkulu#. Ha#ilnya

,i#"em koordina" yan diunakan pada per#amaan 10-;!2dan 10-;+2 dapa" dike"ahui pada am!ar

0-;! dan +

,"eady-#"a"e one-dimen#ional hea" 'lo& 1"idak ada pana# yan diha#ilkan2

d2

T

d x2=0

Ina" !ah&a per#amaan ini #ama denan per#amaan 0-0 ke"ika 86 kon#"an

,"eady-#"a"e one-dimen#ional hea" 'lo& in +ylindri+al +oordina"e# 1"idak ada pana# yan

diha#ilkan2

ⅆ2T

d r2 +1dT rdr

=0

%&o-dimen#ional #"eady-#"a"e +ondu+"ion &i"hou" hea" #our+e#

∂2

T

∂ x2+

∂2

T

∂ y2=0


7/17

0.4 Konduk"i/i"a# %ermal

Per#amaan 10-02 merupakan per#amaan un"uk menyele#aikan perhi"unan konduk"i/i"a#

"ermal. Pada de'ini#i da#ar( perhi"unan ini dapa" diunakan un"uk menen"ukan konduk"i/i"a#

"ermal pada ma"erial yan !er!eda. Pada a# denan "empera"ur rendah( anali#i# "eori kine"ik

pada a# diunakan un"uk memperkirakan #e+ara akura" ha#il yan didapa"kan. Pada !e!erapa

ka#u#( "eori ini dapa" diunakan un"uk menen"ukan konduk"i/i"a# "ermal pada ?a" +air dan pada"(

"api #e+ara umum( !anyak perma#alahan yan haru# di"eli"i le!ih lan$u" "erkai" denan kon#ep

pada ?a" +air dan a#

Mekani#me konduk"i/i"a# "ermal pada a# #ana" #ederhana. Ki"a dapa"

meniden"ii'ika#i eneri kine"ik molekul pada "empera"ur "er"en"u* $adi pada area !er#uhu "ini

molekul akan memiliki ke+epa"an yan le!ih "ini di!andin area yan !er#uhu le!ih rendah.

Molekul ini akan !ererak #e+ara "ak !era"uran ( yan akan menum!uk molekul lain dan

menye!a!kan peru!ahan eneri dan momen"um. Molekul ini !ererak #e+ara a+ak !ahkan ke"ika

"idak ada peru!ahan "empera"ur pada a#. Molekul !erpindah dari dari area yan !er#uhu "ini

ke area yan !er#uhu le!ih rendah( yan akan memindahkan eneri kine"ik ke area denan

"empera"ur rendah pada #i#"em dan akan mem!erikan eneri an"ar molekul aki!a" "um!ukan

denan molekul yan memiliki eneri yan le!ih rendah.

Pada "a!le 0-0 dapa" diliha" nilai konduk"i/i"a# "ermal pada !e!erapa ma"erial.


8/17


9/17

%elah ki"a ke"ahui !ah&a konduk"i/i"a# "ermal mempunyai #a"uan &a"" per me"er per

dera$a" +el+iu# ke"ika aliran pana# diukur dalam #a"uan &a"". Ina" !ah&a la$u aliran pana#

"erma#uk( dan nilai pada konduk"i/i"a# "ermal menun$ukan #e!erapa +epa" pana# menalir

kedalam ma"erial. ,emakin +epa" molekul !ererak maka #emakin +epa" pula eneri akan

!erpindah. Le!ih lan$u" konduk"i/i"a# "ermal pada a# "eran"un pada "empera"ur. Anali#i#


10/17

#ederhana menun$ukan !ah&a nilai konduk"i/i"a# "ermal pada a# merupakan akar dari

"empera"ur a!#olu". 1dapa" $ua dika"akan !ah&a ke+epa"an #uara pada a# !er/aria#i a"au akar

dari #uhu a!#olu"* ke+epa"an ini !erar"i ke+epa"an dari molekul 2. Konduk"i/i"a# "ermal pada

!e!erapa $eni# a# di"un$ukan pada am!ar 0-@.

Mekani#me konduk"i/i"a# "ermal pada ?a" +air #e+ara 'i#ik hampir #ama denan a#*

!aaimanapun( dapa" men$adi le!ih komplek# karena $arak an"ar molekul ?a" +air le!ih rapa" dan

aya de#ak an"ar molekul menye!a!kan penaruh !e#ar pada peru!ahan eneri pada pro#e#

"um!ukan. Konduk"i/i"a# "ermal pada !e!erapa $eni# +airan dapa" diliha" pada am!ar 0-.

Dalam #a"uan Bri"i#h %hermal Uni"# 1B"u2 aliran pana# dinya"akan dalam 1B"u:h2( lua#

dinya"akan denan kaki per#ei( dan "empera"ur dinya"akan dalam dera$a" )ahrenhei".

Konduk"i/i"a# "ermal memiliki #a"uan B"u:h. '". o).

Eneri "ermal dapa" dinya"akan pada ?a" pada" denan dua +ara pola-pola /i!ra#i dan

perpndahan elek"ron !e!a#. Pada konduk"or li#"rik yan !aik elek"ron !e!a# yan !anyak akan

!erpindah pada pola #"ruk"ur ma"erial. ,eper"i elek"ron ini #aa" menhan"arkan li#"rik( elek"ron

ini $ua dapa" mem!a&a eneri pana# dari area !er#uhu "ini ke area !er#uhu rendah( #eper"i

pada ?a" a#. )ak"anya elek"ron- elek"ron ini mirip #eper"i elek"ron a#. Eneri $ua dapa"

di#alurkan #eper"i eneri e"aran pada pola #"ruk"ur ma"erial. ,e+ara umum( !aaimanapun(

perpindahan ini "ak #e!e#ar perpindahan elek"ron.( dan denan ala#an ini konduk"or li#"rik yan

!aik adalah konduk"or pana# yan !aik pula( #eper"i( "em!aa( alumunium( dan perak dan

konduk"or li#"rik yan !uruk $ua !i#aanya konduk"or pana# yan !uruk. Ke+uali pada !erlian

dimana merupakan i#ola"or li#rik yan !aik( "e"api mempunyai konduk"i/i"a# "ermal yan

!ahkan lima kali le!ih "ini di!andin "em!aa dan perak. Hal ini memudahkan "ukan

perhia#an un"uk mem!edakan an"ara !erlian yan a#li denan yan pal#u. In#"rumen" #ederhana

memunkinkan un"uk menukur re#pon #inyal pana# pada !a"u. Berlian yan a#li akan

mem!erikan re#pon yan le!ih +epa" di!andin denan !erlian yan pal#u.Konduk"i/i"a# "ermal pada !e!erapa ?a" pada" dapa" diliha" pada am!ar 0-


11/17

Konduk"i/i"a# "ermal pada !e!erapa ma"erial i#ola"or dapa" diliha" pada lampiran A.

pada "empera"ur "ini( perpindahan eneri pada ma"erial i#ola"or "erma#uk dalam !e!erapa +ara

#e!aai !eriku" konduk#i pada ma"erial !er#era" dan !erona.* konduk#i pada udara yan

"er$e!ak dalam ruan hampa* dan pada "empera"ur "ini( radia#i.

Ma#alah "ekni# lain yai"u penyimpanan dan pemindahan +airan kiroenik #eper"i

hydroen +air un"uk &ak"u yan lama. Be!erapa aplika#i "elah menem!ankan #uperin#ula"ion

yan diunakan un"uk ?a" yan #ana" rendah 1di!a&ah -4Co32. #uperin#ula"ion yan #ana"

e'ek"i' #ana" diperlukan denan denan merankai !e!erapa lapi# ma"erial yan re'lek"i'


12/17

denan pem!a"a# i#ola"or. Hal ini di"u$ukan aar dapa" meminimali#ir konduk#i udara( dan

konduk"i/i"a# "ermal. Be!erapa da"a menenai ma"erial kiroenik dapa" diliha" pada "a!le 0-4.0.; Perpindahan Kalor Kon/ek#i

,udah ki"a ke"ahui !ah&a pla" loam pana# akan le!ih +epa" dinin $ika di"empa"kan

didepan kipa# di!andin denan di!iarkan diudara "er!uka. Dapa" dika"akan pana# "erkon/ek#i(dan ki"a menye!u" pro#e# ini #e!aai perpindahan pana# #e+ara kon/ek#i. Memperha"ikan pla"

yan dipana#kan #eper"i yan di"un$ukan am!ar 0-. %empera"ur pla" %&( dan "empera"ur udara

adalah %. Ke+ep"an aliran di"un$ukan #eper"i pada am!ar. Karena ke+epa"an lapi#an udara

pada permukaan #ama denan nol( pana# dipindahkan #e+ara konduk#i pada #aa" i"u. Jadi ki"a

dapa" menhi"un perpindahan kalor denan menunakan per#amaan 0-0( denan konduk"i/i"a#

"ermal udara dan peru!ahan #uhu udara pada permukaan. Peru!ahan "empera"ur "eran"un dari

la$u udara yan memindahkan pana#* ke+epa"an aliran yan "ini akan menaki!a"kan

peru!ahan "empera"ur yan !e#ar. Jadi peru!ahan "empera"ur "eran"un dari aliran. Dan haru#

diina" !ah&a mekani#me perpindahan pana# yan ada pada permukaan di#e!u" pro#e# konduk#i.la$u perpindahan kalor yan !erhu!unan denan ke#eluruhan per!edaan "empera"ur pada

permukaan dan udara pada lua#an A. !e#aran h di#e!u" koe'i#ien perpindahan kalor #e+ara

kon/ek#i( dan per#amaan 0-F menen"ukan perhi"unan. Anali#i# perhi"unan h di!ua" un"uk

!e!erapa #i#"em. Un"uk #i"ua#i yan komplek# haru# di"en"ukan #e+ara ek#perimen"al.

Perpindahan kalor #e+ara kon/ek#i ini kadan di#e!u" lapi#an konduk"an#i karena hu!unannya

denan pro#e# konduk#i pada lapi#an 'luida "ipi# pada #ua"u permukaan. Dari per#amaan 0-F ki"a

"ahu !ah&a #a"uan h adalah &a"" per me"er per#ei per dera$a" +el+iu# ke"ika aliran pana# dalam

&a"".

7am!ar 0- Perpindahan Kalor dari #e!uah pla"


13/17

Perpindahan kalor #e+ara kon/ek#i ini akan "eran"un pada /i#ko#i"a# 'luida dan

#e!aai "am!ahan #i'a" proper"i# 'luida $ua !erpenaruh1konduk"i/i"a# "ermal( pana#

#pe#i'ik dan kerapa"an2.

Jika pla" yan dipana#kan di!iarkan pada udara "er!uka "anpa adanya #ua"u aliran(

maka peru!ahan arah aliran udara dapa" di#amakan denan peru!ahan kerapa"an pada

#eki"ar area pla". Ki"a #e!u" ini #e!aai kon/ek#i #e+ara alami( a"au !e!a#( 'enomena

penuapan dan konden#a#i $ua "erma#uk dalam perpindahan pana# #e+ara kon/ek#i.

Koe'i#ien perpindahan pana# #e+ara kon/ek#i ini dapa" diliha" pada "a!le 0-;


14/17

Perpindahan eneri di"un$ukan pada per#amaan 0-F yan diunakan un"uk mene"ahui

keruian kon/ek#i dari aliran pada permukaan #ua"u !enda. Per#amaan pen"in dimana keruian

a"au +apaian kon/ek#i menha#ilkan 'luida yan menalir didalam "a!un #eper"i yan "erliha"

pada am!ar 0-F Pada ka#u# ini permukaan yan pana# pada %& kehilanan pana# dari 'luida

pendinin( yan menaki!a"kan peninka"an "empera"ur pada aliran dari inle" pada %i dan keluar

melalui %e. diunakan #im!ol I un"uk menam!arkan en"alphi1aar "idak ran+u denan #im!ol h

pada koe'i#ien kon/ek#i2(

q=ḿ cp (Te−T ⅈ) 6Ha 1%&( a/ G % 'luid( a/2

Pada ka#u# ini "empera"ur 'luida %e( %i dan %'luid di#e!u" "empera"ur eneri ra"a-ra"a. A

meruopakan lua# penampan permukaan "a!un yan dialiri 'luida. ki"a haru# ha"i-ha"i dalam

mem!edakan an"ara lua# penampan an"ara area kon/ek#i denan lua# penampan un"uk

menhi"un la$u aliran denan

ḿ= ρu mean A C .

Dimana A+6 πd 2

4 un"uk aliran pada "a!un #irkular. Area kon/ek#i pada ka#u# ini

dapa" di"en"ukan denan πdL ( dimana L merupakan pan$an "a!un. Permukaan area

kon/ek#i merupakan area yan mendapa" pana# aki!a" kon"ak denan 'luida.

0-@ Perpindahan Pana# ,e+ara Radia#i


15/17

Ber!eda denan perpindahan pana# #e+ara konduk#i dan kon/ek#i( dimana perpindahan

eneri melalui media penhan"ar diperlukan( pana# $ua !i#a menalir melalui ruan hampa.

Mekani#me ini menunakan radia#i elek"romane"ik.

Berda#arkan hukum %ermodinamika !ah&a peman+ar radia#i yan ideal akan

meman+arkan eneri propor#ional #e+ara lan#un "erhadap permukaan !enda. Jadi

q yangdipancarkan=σA T 4

dimana σ merupakan propor#ionali"a# kon#"an dan di#e!u" a"uran ,"e'an-Bol"?mann denan

nilai .> 0C-F 9:m4. K @. Per#amaan 0- di#e!u" hukum radia#i pana# ,"e'an-Bol"?mann. Hal

ini !erlaku hanya un"uk radia#i "ermal dan "idak !erlaku un"uk radia#i elek"romane"ik yan lain.

Per#amaan 0- hanya !erlaku un"uk radia#i yan dipan+arkan !enda hi"am. Perpindahan

pana# #e+ara radia#i an"ara dua permukaan !enda dapa" dihi"un denan per#amaanq net exchange

A α σ , T

1

4

−T 2

4

ki"a ka"akan !enda hi"am karena #e!aian !e#ar loam dilapi#i denan kar!on hi"am. ,edankan

$eni# permukaan lain #eper"i permukaan !enda yan menkilap "idak meradia#ikan pana# #e!aik

!enda hi"am* !aaimaanapun "o"al radia#i yan dipan+arkan !enda-!enda "er#e!u" #e#uai denan

hukum propor#ionali"a# %@.

q= F ∈ F Gσ

A

(T

1

4

−T 2

4

)dimana ) ∈ adalah emi"i#i/i"a# dan )7 adalah 'un#i eome"ri# #udu" pandan.

%u"upan Radia#i

Ma#alahyan mun+ul pada radia#i yai"u ke"ika permukaan perpindahan pana# %0 "er"u"up

oleh permukaan yan le!ih !e#ar %4. Perpindahan radia#i dapa" dihi"un denan per#amaan

q=∈1σA1 (T 14−T

2

4 )

Perpindahan pana# #e+ara radia#i ini adalah 'enomena yan #ana" komplek#( dan perhi"unannya $aran #e#ederhana #eper"i pada per#amaan 0-00 .

0- Dimen#i dan #a"uan

Dimen#i pana# #e+ara umum menunakan !e#aran

L6 pan$an

M6 ma##a


16/17

)6 aya

%6 &ak"u

%6 %empera"ur

Ker$a merupakan dimen#i yan diha#ilkan dari aya kali &ak"u dan $arak. Eneri $ua

mempunyai dimen#i yan #ama. ,a"uan eneri dan ker$a


17/17

Perpindahan Kalor Chapter i translate bahasa indonesia J.P. HOLMAN

Documents

Transcript of Perpindahan Kalor Chapter i translate bahasa indonesia J.P. HOLMAN