Perpindahan Kalor Dalam Termodinamika

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

1. Pengertian

Perpindahan kalor adalah proses perpindahan energi pada suatu sistem yang terdapat gradient (perubahan suatu variable) suhu. Dengan kata lain perpindahan kalor terjadi apabila dua sistem yang suhunya berbeda bersinggungan (bersentuhan). Apa yang ada dalam perpindahan, yang disebut panas (heat atau kalor).

Kalor tidak dapat diukur atau diamati secara langsung, tetapi pengaruhnya dapat diamati dan diukur. Termodinamika adalah ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan panas serta bentuk-bentuk energi lainnya. Asas-asasnya sebagaimana semua hukum alam, didasarkan pada pengamatan.

Kemudian diberlakukan secara umum menjadi hukum-hukum yang diyakini berlaku untuk semua proses yang terjadi di dalam alam. Asas pertama dari asas termodinamika adalah hukum pertama termodinamika. Hukum pertama tersebut menyatakan bahwa energi tidak diciptakan ataupun dihilangkan tetapi dapat diubah dari satu bentuk menjadi bentuk lainnya.

Hukum ini mengatur semua perubahan bentuk energi secara kuantitatif (jumlah) tetapi tidak membatasi arah perubahan tersebut. Namun telah diketahui dari pengalaman bahwa tidak ada kemungkinan terjadinya proses yang satu-satunya hasilnya adalah perpindahan bersih panas. Perpindahan dari daerah yang suhunya lebih rendah ke daerah yang suhunya lebih tinggi.

Pernyataan yang mengandung kebenaran eksperimental (percobaan) tersebut dikenal sebagai hukum kedua termodinamika. Perpindahan energi dari satu daerah ke daerah lainnya karena akibat dari perbedaan temperatur antara daerah-daerah tersebut dinamakan perpindahan kalor.

2. Cara Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan kalor berbeda, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi. Pada gambar di bawah ini menunjukkan analogi (perumpamaan) yang digunakan yang menetapkan konsep perpindahan kalor. Perpindahan kalor dapat terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi sebagai hasil dapat dilihat pada setiap bagiannya.

analogi cara perpindahan kalor panas
Gambar analogi tiga cara perpindahan kalor

Pada gambar di atas menjelaskan analogi tiga cara dari perpindahan kalor. Dengan mengibaratkan air sebagai panas dan orang sebagai media atau cara perpindahan kalor. Pada nomor satu, selang mengarahkan air dari W menuju B menggunakan media secara bebas. Hal ini menunjukkan analogi radiasi panas dalam ruang hampa atau dalam gas.

Pada nomor dua, air di dalam ember dari W menuju B melalui media, hal ini menunjukkan analogi konduksi. Dan pada nomor tiga, pelari tunggal menggambarkan media yang membawa air dari W menuju B, hal ini menunjukkan analogi konveksi.

Suatu analisa teknik yang penuh arti akan menuntut jawaban kuantitatif (berdasarkan jumlah). Untuk melaksanakan analisa yang demikian terhadap persoalan perpindahan kalor, maka harus menyelidiki hukum-hukum fisik. Serta harus menyelidiki hubungan-hubungan yang mengatur berbagai mekanisme aliran panas.

Persamaan-persamaan dasar yang mengatur masing-masing dari ketiga cara perpindahan kalor tersebut akan menunjukkan bagaimana caranya menggabungkan hubungan-hubungan tersebut. Apabila beberapa mekanisme perpindahan kalor beroperasi bersamaan, secara seri (berurutan) maupun secara paralel (sejajar). Tujuannya adalah untuk memperoleh pandangan yang luas terhadap medan tanpa terlibat dalam perincian dari suatu mekanisme tertentu.

3. Termodinamika Perpindahan Kalor

Energi adalah sesuatu yang bersifat abstrak (tidak berwujud) tetapi dapat dirasakan keberadaannya. Energi merupakan kemampuan untuk melakukan kerja (energy is the capability for doing work). Menurut Hukum Termodinamika Pertama menjelaskan bahwa energi bersifat kekal.

Energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan akan tetapi dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Availabilitas adalah kemampuan suatu sistem untuk menghasilkan suatu pengaruh yang berguna bagi kehidupan manusia secara positif. Jadi keberadaan availabilitas lebih nyata, mudah dibuat serta dapat dirasakan kegunaannya.

Secara garis besar energi dapat diklarifikasikan menjadi dua, yaitu energi tersimpan dan energi dalam transisi. Energi yang tersimpan dalam suatu sistem atau massa disebut energi tersimpan. Energi tersebut kebanyakan mudah dikonversi menjadi energi transisi dan biasanya berbentuk massa atau medan gaya.

Sedangkan energi transisi adalah energi yang sedang bergerak melintasi batas sistem. Dalam hal ini faktor availabilitas yang berperan dalam mewujudkan konversi energi melalui suatu sistem. Dari energi dalam bentuk tersimpan menjadi bentuk energi transisi yang siap untuk memberikan kerja yang berguna bagi kepentingan manusia.

Salah satu bentuk dari energi dasar adalah energi termal, yaitu semua energi yang dapat dikonversi secara penuh menjadi energi panas. Energi panas atau kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Arah dari pergerakan panas adalah dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah.

Energi dalam dimiliki oleh setiap benda yang berhubungan dengan gerak acak dari molekul atau atom-atom atas penyusunnya. Pengkonversian dari energi panas ke energi lain dibatasi oleh Hukum Kedua Termodinamika Kedua. Energi panas merupakan bentuk transisi dari energi termal, dapat pula dalam bentuk energi tersimpan yang berupa entalpi (energi dalam sistem).

Untuk mengetahui apakah suatu proses dapat berlangsung atau tidak, maka diperlukan pengertian entropi dan Hukum Kedua Termodinamika Kedua. Karena Hukum Temodinamika Pertama tidak menerangkan dapat tidaknya suatu proses dapat berlangsung.

3.1 Entropi

Entropi adalah sifat zat untuk mengukur derajat keacakan atau ketidakaturan pada skala mikroskopis (skala kecil). Hukum Termodinamika Kedua berkaitan dengan entropi. Entroipi menjelaskan mengenai pernyataan bahwa tidak ada kemungkinan terjadinya proses yang satu-satunya hasilnya adalah perpindahan bersih panas. Dari satu daerah yang suhunya lebih rendah ke suatu daerah yang suhunya lebih tinggi.

Hukum Termodinamika Kedua mengatakan bahwa aliran kalor atau panas memiliki arah. Dengan kata lain tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (proses yang dapat dibalik ke titik asalnya). Akan tetapi ada juga proses irreversible (proses yang tidak dapat dibalik ke titik asalnya).

arah perpindahan kalor panas
Gambar arah perpindahan kalor

Salah satu contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju. Salju di bawah tubuhnya akan mencair karena kalor atau panas dari tubuh beruang. Akan tetapi panas atau kalor dari salju tersebut tidak dapat diambil kembali oleh beruang tersebut untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian aliran energi panas memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin.

3.2 Rumus Perpindahan Energi Kalor

Hukum Termodinamika Pertama disebut juga Hukum Kekekalan Energi. Meskipun energi terdapat dalam berbagai bentuk, jumlah energi total adalah konstan (tetap). Apabila energi hilang dalam satu bentuk, energi ini timbul dalam bentuk yang lain secara bersama-sama.

Pada sistem tertutup tidak ada massa yang melintasi batas sistem sehingga tidak ada energi dalam yang dipindahkan melintas batas sistem. Ada pertukaran energi berupa panas dan kerja antara sistem tertutup dengan sekelilingnya. Serta perubahan energi total dari sekeliling sama dengan jumlah bersih energi yang dipindahkan tersebut sebagai panas (Q) dan kerja (Wk).

Pada gambar berikut menjelaskan mengenai hukum pertama termodinamika pada sistem tertutup dimana kecepatan perpindahan kalornya dapat dituliskan pada persamaan berikut :

Q = Wk + (dU/dt)

energi termal dalam sistem termodinamika
Gambar hukum pertama termodinamika untuk sistem tertutup

Gambar di atas menunjukkan adanya kecepatan kerja panas yang dipindahkan. Dimana (Q) adalah kecepatan perpindahan kalor dan (Wk) adalah kecepatan kerja panas. Keduanya dinyatakan dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Turunan (dU/dt) merupakan kecepatan dari merubah panas energi dalam (U) dengan waktu (t).

Related Post :

Leave a Reply

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