Perpindahan Kalor Secara Konduksi

  • 4 min read
  • Apr 22, 2020
perpindahan kalor panas konduksi

1. Pengertian

Perpindahan kalor secara konduksi adalah suatu proses mengalirnya panas atau kalor dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang lebih rendah di dalam satu medium atau lebih yang saling bersinggungan atau bersentuhan secara langsung. Medium atau perantaranya dapat berupa benda padat, cair ataupun gas.

Dalam aliran kalor secara konduksi, perpindahan energi terjadi karena molekul-molekul saling berhubungan secara langsung. Tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Berdasarkan teori kinetik, energi kinetik rata-rata molekul sebanding dengan suhu elemen suatu zat pada molekul pembentuk elemen tersebut.

Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat disebabkan oleh kecepatan dan posisi relatif molekul-molekulnya yang disebut energi dalam. Sehingga semakin cepat molekul-molekul bergerak maka semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat.

Apabila molekul-molekul di satu daerah memperoleh energi kinetik (energi gerak) rata-rata yang lebih besar daripada yang dimiliki oleh molekul-molekul di suatu daerah yang berdekatan sebagaimana diwujudkan oleh adanya perbedaan suhu. Maka molekul-molekul yang memiliki energi yang lebih besar itu akan memindahkan sebagian energinya kepada molekul-molekul di daerah yang bersuhu lebih rendah.

Perpindahan energi tersebut dapat berlangsung dengan tumbukan elastik atau pembauran elektron-elektron yang bergerak secara lebih cepat. Pergerakan elektron-elektron tersebut bergerak dari daerah yang bersuhu rendah ke suhu yang lebih tinggi. Pada fluida (cair dan gas) berlangsung dengan tumbukan elastik (elastic impac). Sedangkan pada logam (benda padat) berlangsung dengan pembauran (diffusion).

2. Cara Perpindahan Kalor Konduksi

Apapun mekanisme perpindahan kalornya, hal pasti yang belum dimengerti orang sepenuhnya akibat dari konduksi panas yang dapat diamati ialah penyamaan suhu. Akan tetapi apabila suhu dipertahankan dengan menambah dan membuang kalor diberbagai titik. Maka aliran kalor dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin akan berlangsung terus-menerus.

Satu-satunya mekanisme perpindahan kalor dimana kalor dapat mengalir di dalam zat padat yang tidak tembus cahaya adalah konduksi. Konduksi juga penting dalam fluida (cair dan gas). Namun di dalam medium yang bukan padat biasanya tergabung dengan konveksi. Dan dalam beberapa hal juga tergabung dengan radiasi.

balok logam dilalui kalor
Gambar balok logam dilalui kalor

Pada tahun 1882 Joseph B.J. Fourier ilmuwan asal Perancis mengusulkan hubungan dasar untuk perpindahan kalor secara konduksi. Hubungan dasar ini menyatakan bahwa nilai laju aliran kalor dalam suatu bahan dengan cara konduksi (qk) sama dengan hasil kali dari tiga buah besaran konduktivitas termal bahan (k).

Sebagai pertimbangan awal bagaimana konduksi terjadi maka nilai konduksi termal akan sangat menolong, misalnya pada gas. Kecepatan molekular bergantung pada temperatur. Dengan mengabaikan gravitasi, pertimbangan konduksi dari dinding panas ke dinding dingin pada suatu situasi.

3. Proses Konduksi Pada Fluida

Seperti terlihat pada gambar di bawah ini, molekul dekat dinding panas bertabrakan dengan pergerakan oleh molekul dari dinding tersebut. Molekul tersebut meninggalkan dengan kecepatan yang tinggi dan pergerakan dengan bagian sebelah kanan, menambah kecepatan sebelahnya.

konduksi kalor melalui gas memisahkan dua dinding padat
Gambar konduksi kalor melalui gas memisahkan dua dinding padat

Proses tersebut berlangsung terus-menerus hingga molekul tersebut melalui sebelah kanan (dengan energi kinetik) ke dinding dingin tersebut. Pada susunan kisi-kisi dan sebagai kisi-kisi getaran secara keseluruhan akan terjadi proses perbandingan pada getaran molekul dalam pada zat padat. Terjadi pemisahan dari proses di dalam elektron gas yang berpindah melalui zat padat tersebut pada beberapa luas.

Luas penampang (A) yang dilalui dimana panas mengalir dengan cara konduksi, yang harus diukur tegak lurus terhadap arah aliran panas. Gradien suhu pada penampang tersebut (dT/dx), yaitu laju perubahan suhu (T) terhadap jarak dalam arah aliran panas (x).

4. Rumus Persamaan Konduksi

Sebelum menulis persamaan perpindahan kalor secara konduksi dalam bentuk matematika, maka terlebih dahulu menetapkan tentang tanda dan arah. Kita tetapkan untuk arah aliran panas bernilai positif adalah arah naiknya jarak (x).

Sesuai hukum termodinamika kedua yang menyebutkan panas akan mengalir dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Maka apabila gradien suhu bernilai negatif maka aliran panas akan menjadi bernilai positif, sesuai gambar di bawah.

sketsa tentang tanda untuk aliran panas konduksi
Gambar sketsa tentang tanda untuk aliran panas konduksi

Sehingga persamaan dasar untuk konduksi satu dimensi dalam keadaan steady (konstan) sesuai dengan hal tersebut di atas ditulis sebagai berikut :

rumus perpindahan kalor panas konduksi

Pada persamaan di atas, dimensi atau satuan laju aliran panas (qk) dalam (Btu/h). Luas (A) dalam (ft2) dan gradien suhu (dT/dx) dalam (F/ft). Sifat bahan dan menunjukkan jumlah panas yang mengalir atau melintasi dalam satu satuan luas jika gradien suhunya satu disebut konduktivitas termal (k).

Dimensi atau satuan konduktivitas panas yang digunakan adalah British thermal unit per hour (jam) per foot persegi per satuan gradien suhu dalam derajat Fahrenheit per foot (feet). Sehingga satuan konduktivitas panas (k) dapat ditulis sebagai :

Btu / (h.ft2/(F/ft)) atau Btu / (h.ft.F)

Dalam sistem SI (System International of Units), satuan konduktifitas termal adalah watt (W) per meter persegi (m2) per satuan gradien suhu dalam derajat Celcius (atau Kelvin) per meter (m). Jadi satuan konduktivitas panas (k) dalam sistem SI dapat ditulis sebagai berikut :

(watt/m2) / (°C/m) = watt / (m°C) ; dimana 1 W/m°C = 0,578 Btu / h.ft.F

5. Perpindahan Konduksi Pada Berbagai Jenis Bahan

Nilai konduktivitas termal dimiliki oleh semua bahan dengan nilai yang berbeda-beda. Konduktor (conductor) adalah bahan yang mempunyai nilai konduktivitas termal yang tinggi. Sedangkan isolator (insulator) adalah bahan yang mempunyai nilai konduktivitas termal yang rendah. Pada tabel di bawah menunjukkan nilai konduktivitas termal dari berbagai macam jenis bahan.

nilai konduktivitas termal bahan
Tabel nilai konduktivitas termal berbagai jenis bahan

Nilai perpindahan kalor dianggap sebagai aliran. Dan merupakan kombinasi dari konduktivitas panas, tebal material dan luas permukaan sebagai hambatan dari aliran tersebut.

Pada gambar di bawah menunjukkan perbedaan temperatur pada tiga material dimana aliran panas harus melewati semua bagian tersebut. Jika terdapat lebih dari satu jenis material berbeda yang disusun secara berlapis seperti pada gambar di bawah. Maka untuk mencari nilai aliran panasnya dapat menggunakan hubungan seperti hukum Ohm pada teori rangkaian listrik.

perpindahan kalor material berlapis
Gambar perpindahan kalor material berlapis dan analogi elektris

Analogi elektris digunakan untuk menyelesaikan permasalahan yang lebih komplek pada hambatan panas. Dalam rangkaian seri maupun rangkaian paralel. Persamaan perpindahan kalor (q) satu dimensi pada permasalahan tersebut dapat ditentukan dengan perbedaan selisih temperatur keseluruhan (∆T overall) dibagi dengan total hambatan panas (∑R thermal).

Hambatan panas adalah (∆x/kA) dengan satuan (℃/W). Sehingga untuk menyelesaikan semua persamaan secara bersamaan pada gambar di atas, perpindahan kalor dapat dituliskan sebagai berikut :

rumus perpindahan kalor
Rumus perpindahan kalor secara konduksi pada tiga material

Pada persamaan di atas merupakan penjumlahan dari tiga persamaan karena dengan kondisi tiga material yang saling bersebelahan sebagai tiga hambatan panas dalam rangkaian seri.

6. Contoh Perpindahan Kalor Konduksi

  • Knalpot motor menjadi panas saat mesin dinyalakan.
  • Tangan akan merasakan panas saat menyentuh badan orang yang sedang sakit demam.
  • Permukaan pakaian sesaat akan terasa panas setelah disetrika.
  • Ujung solder akan panas saat digunakan.
  • Pegangan panci terasa panas saat digunakan memasak.
  • Panci akan panas saat digunakan memasak dengan kompor listrik.

Related Post :

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *