E. Perpindahan Kalor

Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel. Jika anda membiarkan sebuah panci logam dalam api untuk waktu yang cukup lama, maka pegangan dari panci tersebut akan menjadi panas. Energi ditransfer dari api ke pegangan secara konduksi (termal).

Keterangan:
Q/t = laju perpindahan kalor(J/s)
 k   = konduktivitas termal bahan (W/m² K)
 A  = luas penampang bahan (m²)
∆T = perbedaan suhu ujung-ujung logam (K)
 L   = panjang atau tebal batang (m)

Keterangan:
Ts  = suhu sambungan
T1 = suhu ujung bebas benda 1 
T2 = suhu ujung bebas benda 2
k1 = koefisien konduksi benda 1
k2 = koefisien konduksi benda 2
A1 = luas penampang benda 1 
A2 = luas penampang benda 2 
L1 = panjang benda 1
L2 = panjang benda 2

            Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari  satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri.

Ada 2 jenis konveksi :

a.   Konveksi Alamiah, pergerakan fluida terjadi akibat perbedaan massa jenis. Bagian fluida yang menerima kalor (dipanasi) memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil sehingga bergerak ke atas. Tempatnya digantikan oleh air dingin yang massa jenisnya lebih besar.

b.  Konveksi paksa, dapat terjadi ketika cairan yang dibuat untuk bergerak melalui dorongan eksternal. Misalnya pompa, fan, draf atau angin menyebabkan gerakan fluida lebih cepat.

Keterangan:
Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W)
 h   = koefisien konveksi (W/m² K)
 A  = luas penampang (m²)
∆T = kenaikan suhu (K)

      Radiasi adalah proses perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik. Permukaan yang putih dan mengkilap adalah penyerap kalor radiasi yang buruk.

Besar kelajuan kalor radiasi yang dipancarkan yaitu

Keterangan:
Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W)
e   = emisivitas bahan( untuk benda hitam sempurna e=1)
A  = luas penampang (m²)
T   = suhu mutlak(K)
σ   = nilai konstanta Stefan-Boltzmann adalah  5,67 x 10^-8 W/m ²K⁴

Permukaan mengkilap(penyerap paling jelek) memiliki e=0 sedangkan penyerap sempurna sekaligus pemancar benda hitam sempurna memiliki e=1. Contoh radiasi seperti api unggun, pendiangan rumah, termos dan rumah kaca dan lain-lain.

Contoh Soal Latihan

 

Tugas Mandiri

1.  Setelah anda mempelajari materi tentang perpindahan kalor, coba anda tulis poin-poin penting sesuai kreatifitas anda di buku catatan!

2.   Dua batang penghantar  mempunyai panjang dan luas penampang yang sama disambung menjadi satu. Koefisien konduksi termal batang penghantar kedua = 2 kali koefisien konduksi termal batang pertama. Jika batang pertama dipanaskan sehingga T₁=100ºC dan T₂=25 ºC, maka suhu pada sambungan (T) adalah?

3.      Ketika laju aliran kalor per satuan luas dari selembar material isolasi dengan ketebalan 3,0 mm adalah 8,0 kWm^-2, penurunan suhu yang terjadi diantara ujung-ujung lembaran adalah 100K. Hitung konduktivitas temal material!

4.      Permukaan dalam suatu dinding rumah dijaga bersuhu tetap 20ºC saat udara luar bersuhu 30 ºC . Berapa banyak kalor yang masuk ke dalam rumah akibat konveksi alami udara melalui dinding rumah berukuran 10m×5m selama 1 menit?(koefisien konveksi 4W/mK)

5.    Sebuah bola tembaga jari-jari 3,5cm dipanaskan dalam sebuah tungku perapian bersuhu 427 ºC. Jika emisivitas bola 0,30, berapakah laju kalor yang dipancarkan ? σ=5,7×10^-8 W/(m²K⁴)

6.   Kawat lampu pijar yang memiliki luas permukaan kira-kira 50mm² memancarkan energi dengan laju 2,85 Js^-1. Jika kawat pijar dianggap sebagai benda hitam, tentukan suhu permukaan kawat pijar ! 

7.   Buatlah 2 macam soal beserta jawabannya!

 

Tes Formatif 5

1.      Perpindahan kalor secara konduksi terjadi...

a.       Hanya dalam zat padat

b.      Hanya dalam zat cair

c.       Hanya dalam zat gas

d.      Hanya dalam zat padat dan zat cair

e.       Dalam zat padat, cair, dan gas

2.      Satuan SI konduktivitas termal adalah...

a.       W m K^-1

b.      J s m K^-1

c.       W m^-1 K^-1

d.      m K^-1

e.       W^-1m K

3.      Diantara pernyataan berikut:

(1)   Banyaknya kalor yang diberikan pada logam

(2)   Luas penampang logam

(3)   Massa logam

(4)   Panjang logam

Faktor-faktor yang mempengaruhi laju perambatan kalor pada suatu logam adalah...

a.       (1), (2), (3), dan (4)

b.      (1), (2), dan (3)

c.       (1) dan (3)

d.      (2) dan (3)

e.       (2) dan (4)

4.      Diantara pernyataan berikut:

(1)   Emisivitas

(2)   Massa benda

(3)   Beda suhu antara benda dan fluida

(4)   Luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida

Yang memengaruhi laju perambatan kalor secara konveksi adalah...

a.       (1), (2), (3), dan (4)

b.      (1), (2), dan (3)

c.       (1) dan (4)

d.      (2) dan (4)

e.       (3) dan (4)

5.      Di antara pernyataan berikut:

(1)   Warna benda

(2)   Suhu benda

(3)   Emisivitas

(4)   Luas permukaan benda

Yang memengaruhi laju perambatan kalor secara radiasi adalah...

a.       (1), (2), (3), dan (4)

b.      (1), (2), dan (3)

c.       (1) dan (4)

d.      (2) dan (4)

e.       (3) dan (4)

6. Dua batang logam A dan B berukuran sama masing-masing mempunyai koefisien konduksi 2k dan k.

Keduanya dihubungkan menjadi satu dan pada ujung-ujung yang bebas dikenakan suhu A=210 ºC dan suhu B=30 ºC. Suhu sambungan pada logam A dan B adalah...

a.       80 ºC

b.      100 ºC

c.       120 ºC

d.      150 ºC

e.       160 ºC

7.  Logam p dan q memiliki panjang dan luas penampang yang sama disambung. Ujung-ujung yang lain diberi suhu yang berbeda, logam p=80 ºC dan logam q=40 ºC. Konduktivitas termal p = 4 kali logam q, suhu tepat pada sambungan adalah...

a.       48 ºC

b.      72 ºC

c.       90 ºC

d.      120 ºC

e.       180 ºC

8.     Permukaan dalam suatu dinding rumah dijaga 20 ºC saat udara diluar  bersuhu30,0 ºC. Berapa banyak kalor yang masuk dalam rumah akibat konveksi alami udara melalui dinding rumah berukuran 10,0m×5,00m selama 1 menit?(koefisien konveksi 4,00W/mK)

a.       110000 J

b.      120000 J

c.       130000 J

d.      140000 J

e.       150000 J

9.  Sebuah bola tembaga jari-jari 3,5cm dipanaskan dalam sebuah tungku perapian bersuhu 427 ºC. Jika emisivitas bola 0,30, berapakah laju kalor yang dipancarkan ? σ=5,7×10^-8 W/(m²K⁴)

a.       12 W

b.      14 W

c.       16 W

d.      18 W

e.       20 W

10.  Suatu benda hitam pada suhu 27ºC memancarkan energi R J/s. Jika dipanaskan sampai 627 ºC, energi radiasinya menjadi...

a.       162R J/s

b.      81R J/s

c.       54R J/s

d.      27R J/s

e.       9R J/s