Perpindahan Kalor Secara Konveksi

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

1. Pengertian

Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara perlakuan pada benda padat dan cari atau gas.

pendinginan konveksi
Gambar pendinginan konveksi dari panas diri

Aliran gas dingin melalui bagian yang hangat seperti terlihat pada gambar di atas merupakan proses fisik dari situasi jenis pendinginan konveksi. Fluida berbatasan pada bentuknya yang tipis yang disebut lapisan batas.

Panas akan terbawa ke lapisan ini dan akan menyapu semua panas pada permukaan serta mengalir menjauh dan bercampur dengan aliran. Dengan pergerakan fluida konveksi, proses tersebut akan membawa panas menjauh dari permukaan.

Fluida adalah zat yang dapat mengalir yang mempunyai partikel yang mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Ketahanan fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil. Sehingga fluida dapat dengan mudah mengikuti bentuk ruang.

Fluida merupakan benda yang dapat mengalami perubahan bentuk secara terus menerus karena gaya gesek yang bekerja terhadapnya. Fluida juga dibagi menjadi cairan dan gas. Cairan membentuk permukaan bebas yaitu permukaan yang tidak diciptakan oleh bentuk wadahnya. Sedangkan gas tidak membentuk permukaan bebas seperti cairan.

Pada tahun 1701 Isaac Newton menjelaskan proses konveksi dan saran bahwa pendinginan akan terjadi. Keadaan steady (konstan) ini merupakan hukum Newton dari pendingin, walaupun Newton tidak pernah menulis pernyataan.

2. Koefisien Perpindahan Panas

Nilai koefisien perpindahan panas (film coefficient) dinyatakan dalam (¯h). Tanda bar (garis atas) pada (¯h) menunjukkan bahwa nilai tersebut merupakan nilai rata-rata pada permukaan. Tanpa adanya tanda bar (garis atas) berarti akan menunjukkan lokal, nilai dari koefisien perpindahan panas pada titik permukaan (h).

Satuan koefisien perpindahan panas (h) dalam satuan unit Inggris adalah (J/s.m2.K), sedangkan dalam satuan SI adalah (W/m2.K). Koefisien perpindahan panas (h) dapat tergantung pada perbedaan temperatur (∆T) antara temperatur benda (Tbody) dengan temperatur fluida (T).

Apabila panas dari benda dapat membuat cairan mendidih di sekitar benda tersebut. Maka bisa disebut sebagai konveksi bebas atau konveksi alamiah. Dan nilai koefisien perpindahan panas (h) juga akan berubah. Pada tabel di bawah menunjukkan nilai dari koefisien perpindahan panas (h) dari berbagai keadaan.

KeadaanNilai koefisien perpindahan panas (h)
Konveksi alamiah pada dinding 0,3 meter tegak lurus di udara ; ∆T = 30°C4,33
Konveksi alamiah pada pipa berdiameter luar 40 mm di dalam air ; ∆T = 30°C570
Konveksi alamiah pada kawat berdiameter 0,25 mm di dalam cairan metanol ; ∆T = 50°C4.000
Konveksi paksa udara dengan kecepatan aliran udara 30 m/s pada plat datar 1 meter ; ∆T = 70°C80
Konveksi paksa air dengan kecepatan aliran 2 m/s pada plat datar 60 mm ; ∆T = 15°C590
Konveksi paksa campuran garis-alkohol dengan kecepatan aliran 3 m/s di dalam tabung berdiameter dalam 25 mm ; ∆T = 80°C2.600
Konveksi paksa cairan sodium dengan kecepatan aliran 5 m/s di dalam tabung berdiameter dalam 13 mm ; ∆T = 370°C75.000
Air mendidih selama lapisan didih pada tekanan udara 1 atm300
Air mendidih di dalam ketel teh4.000
Kondensasi pada jenis mendatar tabung-air-dingin uap kondensor15.000
Penurunan kondensasi dari air pada tekanan udara 1 atm160.000
Tabel nilai koefisien perpindahan panas (h) dari berbagai keadaan

3. Cara Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Pada suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida sekitarnya terdapat beberapa tahapan dalam perpindahan energi dengan cara konveksi. Pertama, dengan cara konduksi panas akan mengalir dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan.

Di dalam partikel-partikel fluida, energi dan suhu akan meningkat karena perpindahan energi dengan cara tersebut. Kemudian di dalam fluida partikel-partikel tersebut akan bergerak menuju ke daerah yang suhunya lebih rendah. Dimana partikel-partikel fluida akan bercampur dan memindahkan sebagian energinya kepada partikel-partikel fluida lainnya.

Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun aliran energi. Energi disimpan dan diangkut di dalam partikel-partikel fluida karena adanya gerakan massa pada partikel-partikel tersebut.

Mekanisme tersebut tidak memenuhi definisi dari perpindahan panas karena operasinya tidak tergantung hanya pada perbedaan suhu. Tetapi hasil bersihnya adalah angkutan energi dan karena terjadinya dalam arah gradien suhu. Sehingga juga digolongkan sebagai cara perpindahan kalor serta ditunjukkan dengan aliran panas secara konveksi.

4. Jenis Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan kalor secara konveksi diklarifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (force convection).

Apabila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhu. Maka prosesnya disebut dengan konveksi bebas atau alamiah (nature). Apabila gerakan mencampur disebabkan karena alat dari luar seperti kipas atau pompa maka prosesnya disebut dengan konveksi paksa.

perpindahan panas dengan cara konveksi
Gambar perpindahan kalor dengan cara konveksi

Keefektifan perpindahan kalor secara konveksi tergantung sebagian besarnya pada gerakan mencampur fluida. Akibatnya perpindahan kalor secara konveksi didasarkan pada pengetahuan tentang ciri-ciri aliran fluida.

Dalam menyelesaikan persoalan tentang perpindahan panas, tidak hanya perlu mengenali cara-cara perpindahan panas yang memegang peranan. Tetapi juga menentukan apakah prosesnya steady (konstan) ataupun unsteady (tidak konstan).

Bila laju aliran panas dalam suatu sistem tidak berubah dengan waktu. Yaitu apabila laju tersebut konstan maka suhu di titik manapun tidak berubah dan terdapat kondisi keadaan steady.

Dengan keadaan steady (steady state), kecepatan fluks (laju perpindahan panas) masuk pada titik manapun dari sistem harus tepat sama dengan kecepatan fluks (laju perpindahan panas) keluar. Dan tidak dapat terjadi perubahan energi dalam sistem.

Kebanyakan persoalan perpindahan panas di dalam ilmu teknik menyangkut sistem keadaan steady (steady state). Contoh yang umum adalah aliran panas dari hasil-hasil pembakaran air di dalam pipa-pipa ketel uap (boiler). Pendinginan bola lampu listrik oleh udara sekitarnya. Atau perpindahan panas dari fluida yang panas ke fluida yang dingin di dalam penukar panas (heat exchanger).

5. Rumus Persamaan Konveksi

Laju perpindahan kalor secara konveksi antara suatu permukaan dan fluida dapat dihitung dengan hubungan berikut :

rumus perpindahan kalor panas secara konveksi

Dimana (qc) merupakan laju perpindahan kalor secara konveksi dengan satuan (Btu/h). (A) merupakan luas perpindahan panas dengan satuan (ft2). (∆T) merupakan perbedaan suhu antara suhu permukaan (Ts). Dengan suhu fluida (T∞) di lokasi yang ditentukan (biasanya jauh dari permukaan) dengan satuan (F).

Dan ( ̅hc) merupakan konduktansi termal suatu konveksi rata-rata. Atau sering disebut dengan koefisien permukaan perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas konveksi dengan satuan (Btu/h.ft2.F).

Dalam satuan SI, laju perpindahan panas dalam satuan (joule/second) atau (watt). Apabila (A) dalam (m2), (∆T) dalam (K) dan ( ̅hc) dalam (watt/m2.K ). Dimana 1 watt/m2.K = 0,176 Btu/h.ft2.F.

6. Contoh Perpindahan Kalor Secara Konveksi

  • Penggunaan hair dryer untuk mengeringkan rambut.
  • Air akan mendidih saat dimasak.
  • Ruangan ber-AC (Air Conditioner) akan terasa sejuk apabila AC dinyalakan.
  • Makanan dan minuman akan menjadi dingin jika dimasukkan ke dalam kulkas.
  • Badan akan terasa sejuk jika berada di depan kipas yang menyala.
  • Pendinginan mesin mobil dengan radiator.
  • Pendinginan mesin dengan oli di dalam blok mesin.

Related Post :

Leave a Reply

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