Perpindahan Kalor: Pengertian Panas Konduksi Konveksi Rediasi Koefisien Konduktivitas Termal Emisivitas Contoh Soal Rumus Perhitungan 10

Pengertian Kalor. Kalor adalah energi yang dipindahkan dari benda yang memiliki temperatur tinggi ke benda yang memiliki temperatur lebih rendah. Sehingga pengukuran kalor selalu Terkait dengan perpindahan energi.

Pengertian Perpindahan Kalor. Kalor berpindah dari satu tempat atau benda ke tempat atau benda lainnya dengan tiga cara, yaitu konduksi (atau hantaran), konveksi (atau aliran), dan radiasi (atau pancaran).

Perpindahan Kalor Konduksi.

Perpindahan kalor yang tidak dikuti dengan perpindahan massanya. Artinya perpindahan kalor ini tidak disertai dengan perpindahan partikel zat secara permnen. Permindahan kalor ini disebut juga perpindahan kalor hantaran.

Perpindahan energi secara konduksi ini banyak terjadi pada zat benda padat, sehingga didefinisikan juga konduksi adalah perpindahan kalor pada zat padat.


Contoh Perpindahan Kalor Konduksi.

Sebuah sendok yang dingin dimasukkan ke dalam air panas. Pada ujung sendok yang bersentuhan dengan udara awalnya dingin. Namun kemudian akan terjadi perubahan pada ujung sendok, mula-mula ujung sendok dingin kemudian suhu naik dan terasa panas.

Perpindahan panas dari sendok yang tercelup air panas ke ujung sendok yang dingin inilah yang disebut perpindahan konduksi.

  • Rumus Perpindahan Panas Kalor Secara Konduksi

Besarnya kalor yang dipindahkan secara konduksi tiap satu satuan waktu sebanding dengan luas penampang mediumnya, perbedaan suhunya dan berbanding terbalik dengan panjang mediumnya serta tergantung pada jenis mediumnya.

Kalor yang mengalir secara konduksi pada benda per satuan waktu dapat dinyatakan dalam hubungan:

H = k A ΔT/L

Keterangan:

T1 = ujung benda bertemperatur tinggi,

T2 = ujung benda bertemperatur rendah,

ΔT = T2 – T1, 0C

A = luas penampang benda, m2

L = Panjang, m

k = koefisien konduksi termal, kal/m.s oC atau J/m.s.K atau W/m.K

H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu, J/s atau Watt

Dari rumus diketahui, bahawa peroindahan kalor panas secara konduksi tergantung pada jenis logam, luas penampang penghatar, perbedaa tempertaur pada kedua ujung logam tempat kalor merambant dan Panjangnya bahan yang dilalui kalor.

Perpindahan Kalor Konveksi.

Perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massa atau medianya. Pada Perambatan kalor ini ada perpindahan massa atau perpindahan partikel- partikel zat perantaranya. Ada aliran dari media perantara. Rambatan kalor konveksi terjadi pada fluida atau zat alir, seperti pada zat cair, gas, atau udara.

Secara sederhananya, Konveksi atau aliran kalor adalah proses di mana kalor ditransfer dengan pergerakan molekul atau zat atau partikel dari satu tempat ke tempat yang lain.

Contoh Perpindahan Kalor Konveksi.

Pendingin udara ruang yang umum disebut dengan AC ruangan adalah contoh perpindahan kalor konveksi. Udara dingin yang keluar dari system AC akan mendinginkan ruangan. Disini ada aliran fluida yaitu udara yang bergerak dari system AC ke ruangan.

  • Rumus Perpindahan Panas Atau Kalor Secara Konveksi

Jumlah energi kalor persatuan waktu yang diterima oleh fluida sekitarnya secaa konveksi adalah sebanding dengan luas penampang benda yang bersentuhan dengan fluida pada beda temperatur ΔT.

Besarnya kalor yang merambat secara konveksi untuk tiap satuan waktu, dapat dituliskan sebagai berikut.

H = h A ΔT

Keterangan:

H = jumlah kalor yang berpindah tiap satuan waktu,

A = luas penampang aliran,

ΔT = perbedaan temperatur antara kedua tempat fluida mengalir, dan

h = koefisien konveksi termal, kal/m2.s °C, atau J/m2 .s °C,

Besarnya koefisien konveksi termal h dari suatu fluida bergantung pada bentuk dan kedudukan geometrik permukaan-permukaan bidang aliran serta bergantung pula pada sifat fluida perantaranya.

Perpindahan Kalor Radiasi

Perpindahan Kalor Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Radiasi suatu benda dipengaruhi oleh suhu benda, sehingga setiap benda yang suhunya lebih tinggi dari sekelilingnya akan mengalami radiasi. Semua benda setiap saat memancarkan energi radiasi dan jika telah mencapai kesetimbangan termal atau temperatur benda sama dengan temperatur lingkungan, benda tersebut tidak akan memancarkan radiasi lagi.

Contoh Perpindahan Kalor Radiasi

Contoh perpindahan radiasi adalah panasnya sinar matahari hingga ke bumi. Panas matahari hingga ke bumi tidak membutuhkan media. Pada radiasi tidak diperlukan adanya aliran zat atau partikel untuk memindahka panas dari matahari ke Bumi.

Fungsi Termoskop

Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi (pancaran) kalor dinamakan termoskop.

Rumus Perpindahan Panas Kalor Cara Radiasi

Dari hasil percobaan yang dilakukan oleh Josef Stefan dan Ludwig Boltzmann, diperoleh besarnya energi per satuan waktu yang dipancarkan oleh benda yang bertemperatur T dinyatakan dengan rumus berikut:

P = e τ T4 A

Dengan Keterangan:

P = daya yang diradiasikan (watt/W)

e = koefisien emisivitas, besarnya tergantung sifat permukaan benda.

e = koefisien emisivitas (0 < e ≤ 1).

τ = konstanta stefan – Boltzman = 5,672 x10-8 watt m-2 K-4

T = suhu mutlak (K)

A = luas penampang (m2)

Nilai koefisien emisivitas e suatu benda tergantung pada warna permukaan benda tersebut. Permukaan benda yang berwarna hitam sempurna nilai e = 1, sedang untuk benda yang berwarna putih sempurna nilai e = 0. Jadi nilai emisivitas e secara umum adalah 0 s/d 1.

1). Contoh Soal Perhitungan Perpindahan Panas Pada Batang Logam,

Batang logam dengan panjang 1 meter, memiliki luas penampang 50 cm2 dan perbedaan temperatur kedua ujungnya adalah 40°C. Jika koefisien konduksi termalnya 11 kal/m.s °C, tentukanlah jumlah kalor yang dirambatkan per satuan waktu.

Diketahui:

k = 11 kal/m.s.°C,

L = 1 meter,

ΔT = 40°C, dan

A = 50 cm2 = 5 × 10–3 m2.

Rumus Cara Mencari Rambatan Kalor Pada Batang Logam

Kalor yang dirambatkan pada logam dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

H = k A. ΔT/L

H = (11)(5 x 10-3)(40)/1

H = 2,2 kal/s

Jadi besar kalor yang dirambatkan pada batang logam adalah 2,2 kal/s

2). Contoh Soal Perhitungan Perpindahan Panas Pada Pelat Besi

Sebuah pelat besi dengan tebal 10 mm memiliki luas penampang 1000 cm2. Satu permukaan bertemperatur 170 0C dan permukaan lainnya bertemperatur 150 0C. Hitung besar panas yang melewati pelat setiap detiknya. Koefisien konduksi termal besi 80 W/m.K

Diketahui:

T1 = 150 0C

T2 = 170 0C

ΔT = 170 – 150

ΔT = 20 0C

k = 80 W/m.K

L = 10 mm = 0,01 m

A = 1000 cm2 = 0,1 m3

Rumus Menghitung Panas Yang Melewati Pelat Besi Secara Konduksi

Besarnya panas yang melewati pelat besi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

H = k A. ΔT/L

H = (80)(0,1)(20)/(0,01)

H = 16.000 watt atau

H = Q/t

Q/t = 16 kJ/detik

Watt = 1 Joule per detik

1W = 1 J/s

Jadi, panas yang melewati pelat besi adalah 16 kJ/detik

3). Contoh Soal Perpindahan Kalor Panas Menentukan Konduktivitas Termal Pelat Logam,

Sebuah pelat logam dengan tebal 5 mm memiliki perbedaan temperature 40 0C antara kedua permukaannya. Pelat tersebut memancarkan 360 kkal/jam pada permukaan seluas 8 cm2. Hitung konduktivitas termal logam tersebut:

Diketahui:

L = 5 mm = 0,005 m

ΔT = 40 0C

A = 8 cm2 = 0,0008 m2

H= 360 kkal/jam atau

H = 0,1 kkal/detik

Rumus Menentukan Konduktivitas Termal Logam

Besarnya nilai konduktivitas termal suatu logam dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut

H = k A. ΔT/L atau

k = H. L/A. ΔT

k = (0,1 x 0,005)/(0,0008 x 40)

k =  0,0156 kkal/m2.s0C atau

1 kkal/s = 4184 W

k = 65,37 W/m. 0C

Jadi konduktivits termal logam adalah 65,37 W/m. 0C

4). Contoh Soal Perpindahan Kalor Menentukan Perambatan Panas Fluida,

Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,15 kal/m2.s°C memiliki luas penampang aliran 50 cm2. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu 100°C ke dinding lainnya yang bersuhu 30°C, kedua dinding sejajar. Berapakah besarnya kalor yang dirambatkan

Diketahui

h = 0,15 kal/m2.s °C,

T1 = 100 °C,

T2 = 30°C, dan

ΔT = 100 – 30

ΔT = 70 °C

A = 50 cm2 = 5 x10-3 m2.

Rumus Mencari Laju Perpindahan Kalor Dalam Fluida,

Rambatan kalor pada fluida dapat dirumuskan dengan persamaan berikut

H = h.A ΔT

H = (0,15) (5 x 10-3) (70)

H = 5,25 x 10-2 kal/s

Jadi, besarnya kalor yang merambat dalam fluida per satuan waktu adalah 5,25 x 10-2 kal/s.

5). Contoh Soal Perhitungan Perpindahan Panas Kalor Pada Radiator Mobil

Suatu radiator pendingin mobil mempunyai luas yang bersinggungan dengan air 400 cm2. Beda temperatur antara bahan radiator dan air panas adalah 30 oC. Jika bahan radiator adalah logam dengan koefisien konveksi h = 7 Wm-2 oC-1, maka tentukan laju perpindahan panas kalor pada sistem radiator tersebut.

Diketahui:

A = 400 cm2 = 0,04 m2

ΔT = 30 0C

h = 7 Wm-2 0C-1

Rumus Mencari Laju Perpindahan Panas Kalor Radiator Mobil

Laju perpindahan panas pada radiator mobil dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

H = h A ΔT

H = 7 x 0,04 x 30

H= 8,4 W atau

H = 8,4 J/s

Jadi laju perpndahan panas kalor pada radiator adalah 8,4 watt atau 8,4 J/detik

6). Contoh Soal Perhitungan Perpindahan Kalor Pada Jendela Kaca

Temperatur sebuah ruangan ber AC adalah 20 0C sedangkan temperature permukaan kaca jendela ruangannya adalah 35 0C. Hitunglah laju perpindahan kalor pada jendela kaca yang luasnya 2 m2, jika koefisien konveksi udara pada saat itu adalah 0,8 kal/m.s2 0C

Diketahui:

ΔT = 35 – 20

ΔT = 15 0C

A = 2 m2

h = 0,8 kal/m.s2 0C

Rumus Menghitung Laju Perpindahan Kalor Pada Kaca Jendela

Laju kalor yang diterima oleh kaca jendela dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:

H = h A ΔT

H = 0,8 x 2 x 15

H = 24 kal/s

jadi, laju kalor yang diterima kaca jendela adalag 24 kal/detik

7). Contoh Soal Mencari Daya Radiasi Logam Tembaga Berpijar Panas

Sebuah bola tembaga memiliki jari jari 60 cm-2 dipanaskan hingga berpijar pada temperature 137 0C. Jika emisivitas tembaga e adalah 0,3 dan tetapan Stefan adalah 5,67 x 10-8 W/m2 K4, maka tentukan daya radiasi yang dipancarkan oleh bola tembaga tersebut.

Diketahui

A = 6 x 10-3 m2

T = 137 + 273 = 410 K

e = 0,3

τ = 5,67 x 10-8 W/m2 K4

Rumus Menentukan Daya Radiasi Yang Dipancarkan Bola Logam Tembaga,

Besarnya daya radiasi yang dipancarkan suatu bola logam dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:

P = e τ A T4

P = (0,3)(5,67 x 10-8)(6 x 10-3)(410)4

P = 2,88 W

Jadi daya readiasi yang dipancarkan oleh bola logam panas adalah 2,88 W

8). Contoh Soal Perhitungan Energi Radiasi Logam Panas

Sebuah logam yang luasnya 200 cm2 bertemperatur 500 K memiliki emisivitas sebesar 0,4, jika diketahui konstanta Stefan- Boltzmann 5,67 × 10⁻⁸ Wm⁻²K⁻⁴. Hitung besarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh logam tersebut

Diketahui:

e =0,4

T = 500 K

A = 200 cm2

A = 0,02 m2

τ = 5,67 × 10⁻⁸ Wm⁻²K⁻⁴

Rumus Mencari Energi Radiasi Yang Dipancarkan Benda Logam

Energi radiasi yang dipancarkan sebuah logam tiap detiknya dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus berikut:

P = e τ AT⁴

P = e τ A T⁴

P = (0,4) (5,67×10⁻⁸)(0,02) (500)⁴

P = 28,35 watt atau

P = 28,35 J/s

P = Q/t

Dalam satu detik, maka energi radiasinya adalah

Q = (28,35 J/s)(1s)

Q = 28,35 J

Jadi, energi radiasi yang dipancarkan logam panas dalam satu detik adalah 28,35 Joule

9). Contoh Soal Ujian Perpindahan Kalor

Zat yang dapat memindahkan kalor dengan baik disebut ….

  1. konduktor
  2. konvektor
  3. isolator
  4. induktor

10). Contoh Soal Pakaian Basah Dijemur

Pakaian basah yang dijemur dapat kering karena memperoleh sinar matahari. Peristiwa semacam ini terjadi karena ….

  1. konduksi
  2. penjemuran
  3. radiasi
  4. konveksi

Daftar Pustaka:

  1. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  2. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  3. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  4. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  5. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  6. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  7. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  8. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,
  9. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  10. Perpindahan Kalor: Pengertian Panas Konduksi Konveksi Rediasi Koefisien Konduktivitas Termal Emisivitas Contoh Soal Rumus Perhitungan 8