BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Konduksi dapat didefinisikan sebagai proses perpindahan kalor dari satu daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih rendah di dalam suatu medium (padat,cair,gas) atau antara medium yang berlainan yang kontak fisik secara langsung. Pada alliran kalor secara konduksi, energi dipindahkan dengan hubungan molekul secara langsung tanpa perpindahan yang berarti pada molekul-molekul tersebut. Molekul-molekul pada daerah yang bertemperatur tinggi memindahkan m emindahkan bagian darai energy yang dimilikinya kepada molekul-molekul pada daerah bertemperatur rendah. Perpindahan energy tersebut dapat berlangsung dengan tumbukan elastic (elastic impact), misalnya dalam fluida, atau dengan difusi electron-elektron yang bergerak lebih cepat, dari daerah yang bertemperatur ebih tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih rendah, misalnya pada logam-logam. Terdapat dua kondisi pada perpindahan kalor konduksi, yaitu tunak dan tak-tunak. Konduksi tunak dan tak-tunak dibedakan berdasarkan ada atau tidaknya pengaruh waktu terhadap perubahan suhu. Perpindahan kalor konduksi tunak yaitu keadaan dimana suhu tidak berubah menurut waktu. Sehingga sistem yang ada berada dalam keadaan tunak, tidak ada perubahan kondisi awal dan akhirnya. Perpindahan kalor secara konduksi terbagi t erbagi dua, yaitu satu dimensi dan dua dimensi. Pada konduksi tunak satu dimensi, aliran kalor (suhu) merupakan fungsi jarak radial sedangkan, pada konduksi tunak dua dimensi aliran kalor (suhu) dipengaruhi oleh koordinat ruang. Salah satu penerapan perpindahan panas konduksi tunak adalah pada inkubator bayi. Kelahiran yang kurang dari tiga puluh tujuh minggu atau sembilan bulan disebut kelahiran prematur dan bayi yang dilahirkan disebut bayi prematur. prematur. Secara fisik yang tampak, bayi prematur tidak ada bedanya dengan bayi normal, namun secara fisiologis organ bayi sebenarnya belum lengkap. Bayi prematur memiliki permasalahan daya tahan tubuh lemah, kesulitan pernafasan dan pencernaan yang belum sempurna. Oleh karena itu bayi prematur harus dirawat di dalam inkubator. Inkubator bayi adalah alat yang digunakan untuk merawat bayi prematur atau bayi dengan berat badan lahir rendah (BBLR) dengan cara memberikan suhu dan kelembaban yang stabil dan kebutuhan oksigen sesuai dengan kondisi dalam kandungan ibu. Pemahaman mengenai konduksi tunak dapat membantu dalam perancangan desain inkubator bayi sehingga lebih efektif.
1
B. Tujuan
Tujuan dari pembuatan makalah ini yaitu : 1. Untuk memperdalam pemahaman mahasiswa dan pembaca mengenai perpindahan
panas konduksi tunak 2. Untuk memberikan informasi mengenai inkubator bayi, seperti komponen penyusun,
material dan prinsip kerjanya 3. Untuk memberikan informasi mengenai perpindahan panas yang terjadi di dalam
inkubator bayi
2
BAB II PEMBAHASAN
1. J ika anda diminta untuk mendesain prototipe dari inkubator bayi, pertimbangan apa saja yang anda perlukan ? Bagaimana prinsip kerja dari sistem inkubator tersebut, terutama ditinjau dari proses perpindahan panas yang terjadi. Komponen – komponen yang dibutuhkan untuk membuat inkubator ba yi 1. Pintu untuk memasukkan bayi 2. Pintu untuk mengadakan tindakan Pintu ini digunakan untuk mengadakan tindakan pada bayi misalnya memeriksa suhu, membetulkan posisi bayi, dll. 3. Tempat bayi Ruang tempat bayi yang terbuat dari bahan sejenis plastic ata u acrylic, 4. Panel control 5. Tempat tidur bayi Merupakan tempat meletakkan bayi, terbuat dari bahan yang empuk dan dilapisi bahan yang tidak tembus air, sehingga pada saat bayi mengompol, air tidak sampai masuk kedalamnya. 6. Lubang untuk masukkan/membuang air Berfungsi untuk menambah atau membuang air yang sudah lama digunakan. Lubang ini juga sekaligus untuk mengetahui banyak sedikitnya air yang ada. 7. Box Di dalam boks ini terdapat tempat air, pemanas, blower, dan rangkaian listrik. 8. Di bagian belakang terdapat saluran untuk memasukkan O2 bila diperlukan untuk pemberian O2. 1. Bagian-Bagian Pesawat Heater Blower Kontrol Display / indicator Alarm Chamber
: Berfungsi untuk menghasilan suhu panas pada baby incubator : Berfungsi untuk mendistribusikan panas ke seluruh bagian alat. : Temperature dan kelembapan aliran udara : Sebagai tampilan : Sebagai tanda apabila terjadi hal-hal yang tidak diinginkan. : Tempat bayi di inkubasi
2. Power Suply Power supply atau catu daya adalah sebuah peralatan penyedia tegangan atau sumber daya untuk peralatan elektronika dengan prinsip mengubah tegangan listrik yang tersedia dari jaringan distribusi transmisi listrik ke level yang diinginkan sehingga berimplikasi pada pengubahan daya listrik. Dalam sistem pengubahan daya, terdapat empat jenis proses yang telah dikenal yaitu sistem pengubahan daya AC ke DC, DC ke DC, DC ke AC, dan AC ke AC. Masing masing sistem pengubahan memiliki keunikan aplikasi tersendiri, tetapi ada dua 3
yang implementasinya kemudian berkembang pesat dan luas yaitu sistem pengubahan AC ke DC (DC power supply) dan DC ke DC (DC-DC converter).
Gambar 1. Rangkaian Power Supply 3.Heater (Pemanas Elemen) Heater adalah sebuah objek yang memancarkan panas atau menyebabkan tubuh lain untuk mencapai suhu yang lebih tinggi. Dalam dunia medis alat ini digunakan dalam beberapa peralatan medis, diantaranya Auto Claf, Oven, Baby Inkubator dan peralatan lainnya. Mengingat fungsi dari heater adalah memancarkan panas, hal ini dimanfaatkan sebagai salah satu komponen utama pada incubator bayi, yang prinsip kerjanya dipadukan dengan pengontrol suhu sehingga nilai kegunaanya menjadi lebih efisien. 4. Pengontol Suhu Pengontrol suhu adalah komponen alat yang digunakan sebagai parameter terhadap suhu yang terjadi pada sebuah ruangan. Dalam inkubator bayi pengontrol suhu digunakan sebagai komponen pengatur tehadap suhu yang terjadi pada ruang incubator, yang tentunya pengontrol suhu ini dihubungkan pada heater sehingga ketika suhu ruangan sudah mencapai tingkat batasan, pengontrol suhu akan bekerja dan heater otomatis akan mati.
Pinsip kerja suatu inkubator
1. Prinsip kerja inkubator bayi Prinsip dari Inkubator bayi ini adalah sama persis dengan pengkondisi udara dalam ruangan hanya arah keluar masuk energinya saja yang berbeda. Pada inkubator bayi, sirkulasi udara yang terjadi karena perbedaan densitas udara (per bedaan densitas sebagai driving force) yang diakibatkan pemanasan pada dinding pemanas. Udara jika dipanasi akan berkurang densitasnya sehingga akan mengapung dan daerah yang ditinggalkan akan diisi oleh udara dingin . Udara yang panas jika mendekati dinding yang lebih dingin densitasnya menurun sehingga akan mengalir turun akibat tarikan gravitasi. Perpindahan panas yang terjadi dalam inkubator adalah perpindahan panas secara Konveksi Alami ( Natural Convection), hal ini ditandai oleh adanya densitas sebagai driving force dan tidak adanya sumber pengerak lain (Incropera,1981). 4
Jadi jika dalam satu ruangan kita ingin agar temperaturnya rendah maka kita harus mengambil energi kalor dari ruangan itu dan sebagai konsekuensinya maka temperatur ruangan akan menurun. Agar suhu rendah dapat dipertahankan maka energi harus tetap dipndahkan keluar terus menerus dengan laju tertentu. Demikian juga di ruang bayi inkubator, bayi perlu mendapat kehangatan yang tidak jauh berbeda dari temperatur dekapan ibu. Sehingga prinsipnya kita harus menambahkan energi kedalam ruang bayi hingga temperaturnya meningkat dan agar bisa tetap konstan maka prinsipnya kita harus terus menerus menambah energi kedalam sistem dalam jumlah tertentu. Supaya suhu bisa konstan pada nilai yang kita inginkan maka perlu kita tambah alat regulator termokontroler Prinsip perpindahan panas pada inkubator bayi
0.40
0.30
y 0.20
0.10
.
0.00 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
Gambar 2. Distribusi panas pada inkubator bayi Pada gambar diatas terlihat bahwa pada bagian tengah inkubator bayi , udara mengalir dari bawah ke atas. Udara mengalir karena densitasnya berkurang akibat pemanasan dari bawah dan temperatur pada daerah ini lebih tinggi dari daerah sekitarnya . Semakin ke atas tekanan semakin berkurang, tekanan ini menyerupai tekanan hidrostatik . Setelah menabrak dinding atas , aliran menyebar ke kiri dan ke kanan demikian juga distribusi temperatur menyebar sesuai dengan aliran, tekanan di daerah percabangan aliran berharga tinggi karena daerah ini adalah daerah stagnasi. Udara mengalir menyusuri dinding atas dan mulai mengalami peningkatan densitas akibat pendinginan oleh dinding atas. Setelah sampai pojok atas, udara membelok ke bawah dan karena densitasnya meningkat maka fluida semakin cepat mengalir ke bawah. Pada daerah pojok atas tekanan meningkat sedikit sedangkan temperatur di dekat dinding menurun. Setelah mencapai pojok bawah aliran membelok menuju ke tengah inkubator dan selama mengalir aliran mengalami pemanasan dari dinding bawah. Setelah mencapai bagian tengah udara mengalir ke atas dengan cepat, dan karena bagian tengah bawah adalah daerah stagnasi maka pada bagian ini tekanan tinggi. Distribusi temperatur pada inkubator bayi sesuai dengan pola aliran udara karena panas/ kalor dari dinding bawah terbawa oleh aliran udara. Pada dinding inkubator terjadi gradien kecepatan yang tinggi hal ini bisa dilihat dari adanya Lapis Batas pada dinding inkubator bayi demikian juga gradien temperatur 5
2. Mengapa bayi lahir prematur harus dimasukkan ke dalam inkubator ? Persalinan yang terjadi sebelum usia kehamilan genap 37 minggu disebut kelahiran prematur. Bayi yang dilahirkan juga disebut bayi prematur atau kurang bulan. Walaupun sebenarnya berbagai sistem di dalam tubuhnya belum berkembang sempurna, kebanyakan bayi ini tampil normal secara fisik. Terdapat 3 masalah utama bayi kurang bulan, yaitu kemampuan bernapasnya belum sempurna, daya tahan tubuh yang masih lemah, dan kurangnya kemampuan mengontrol suhu tubuh. Oleh karena itu, bayi prematur harus dirawat khusus di dalam inkubator. Inkubator adalah suatu alat yang dirancang untuk memenuhi kondisi ideal yang dibutuhkan bayi prematur. Inkubator memiliki pemanas yang dapat mengkondisikan suhu ruang inkubator sesuai dengan suhu dalam kandungan ibu, yaitu 33-37 derajat Celcius. Suhu yang demikian dapat membantu bayi untuk melanjutkan perkembangan organ-organya yang belum sempurna. Selain itu pengkondisian suhu membantu bayi untuk beradaptasi dengan suhu luar kandungan sehingga tidak terjadi kehilangan panas berlebih dari tubuh bayi ke lingkungan Inkubator juga dilengkapi dengan selang oksigen yang memasok oksigen ke dalam ruang inkubator secara konstan. Pasokan oksigen diberikan agar bayi dapat bernafas dengan nyaman. Seperti yang telah dijelaskan bahwa organ bayi prematur belum terbentuk se mpurna, demikian pula organ pernafasanya. Hal ini mengakibatkan bayi kesulitan bernafas dan kebutuhan oksigen dalam tubuh tidak dapat dipenuhi. Jika bayi prematur tidak dirawat di dalam inkubator maka resiko sesak nafas akan cukup besar. Karena bayi prematur lahir lebih dini, masalah utama yang dihadapi adalah daya tahan tubuh yang lemah. Pertahanan tubuh yang diturunkan dari ibu kepada janin belum lengkap terbentuk saat bayi dilahirkan. Infeksi penyakit seminim apapun dapat menjadi masalah bagi tubuh bayi. Oleh karena itu bayi prematur dijaga kesehatanya di dalam inkubator. Kondisi inkubator yang tertetutup dan steril mencegah bayi kontak langsung dengan kuman penyakit yang ada di udara sehingga infeksi dapat dicegah.
3. Desainlah prototipe sederhana dari inkubator bayi sesuai dengan pertimbangan yang anda perlukan di atas, termasuk pemilihan jenis bahan dan alat yang digunakan, serta biaya yang diperlukan. Bentuk prototipe inkubator bayi yang dipilih adalah bentuk kubah ( dome). Bentuk kubah dipilih karena memberikan persebaran panas di udara yang lebih merata. Aliran udara di dalam inkubator juga lebih halus, tidak terdapat turbulensi. Lokasi inlet udara diposisikan pada sisi bawah inkubator dengan lokasi outlet udara berada pada sisi bawah yang berlawanan. Posisi tersebut diharapkan dapat membuat aliran udara lebih tersebar merata dan sesuai untuk inkubator berbentuk kubah. Inkubator ditutupi dengan tudung transparan dengan bahan plexiglass. Plexiglass dipilih karena transparan, ringan, kuat, shatter-resistant dan aman. Tudung pada inkubator juga berfungsi sebagai isolator agar panas dari dalam inkubator tidak keluar. Plexiglass 6
merupakan insulator yang cukup baik dengan konduktivitas termal sekitar 0,2 W/m.K. Pada tudung dibuat 4 lubang yang dapat ditutup ( port holes), 2 lubang pada setiap sisi. Lubang diperlukan untuk melakukan tindakan pada bayi tanpa membuka inkubator.
Gambar 3. Inkubator bentuk kubah (dome) Sistem pemanasan yang dipilih adalah dengan menggunakan filamen pemanas. Udara bersih yang akan masuk ke inkubator dipanaskan terlebih dahulu dengan melalui filamen pemanas. Udara bersih juga terlebih dahulu melewati reservoir air untuk disesuaikan kelembabannya. Udara dialirkan dengan bantuan kipas. Pada inkubator juga dipasang sensor unuk suhu udara, suhu tubuh bayi dan kelembaban udara. Sistem kontrol otomatis dipasang pada inkubator untuk menjaga parameter-parameter tersebut pada level yang diinginkan. Panel kontrol dipasang pada bagian luar inkubator untuk mengatur kondisi di dalam inkubator. Harga dari inkubator diperkirakan sekitar lima juta rupiah.
4. Apa yang anda ketahui mengenai perpindahan kalor konduksi ? Dan apa pula yang
ada ketahui mengenai perpindahan kalor konduksi tunak ? Konduksi merupakan salah satu cara transfer panas yang melalui getaran molekul pada satu medium atau antara medium – medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dinyatakan dengan
q
kA
dT
(1)
dx
Keterangan : q
= Laju perpindahan panas (w)
A
= Luas penampang dimana panas mengalir (m2)
dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x k
= Konduktivitas termal bahan (w/moC)
7
Konduksi tunak dan tak-tunak dibedakan berdasarkan ada atau tidaknya pengaruh waktu terhadap perubahan suhu. Perpindahan kalor konduksi tunak yaitu keadaan dimana suhu tidak berubah menurut waktu. Sehingga sistem yang ada berada dalam keadaan tunak, tidak ada perubahan kondisi awal dan akhirnya. Perpindahan kalor secara konduksi terbagi dua, yaitu satu dimensi dan dua dimensi. Pada konduksi tunak satu dimensi, aliran kalor (suhu) merupakan fungsi jarak radial sedangkan, pada konduksi tunak dua dimensi aliran kalor (suhu) dipengaruhi oleh koordinat ruang.
5. Apa yang anda ketahui tentang persamaan fourier dan nilai konduktivitas termal bahan ? Menurut fourier, perpindahan kalor secara konduksi dapat dinyatakan secara kuantitatif menjadi :
=
(2)
di mana q adalah laju perpindahan kalor, dT adalah perubahan suhu yang terjadi tiap perubahan jarak tertentu, dan k adalah nilai konstanta konduktivitas termal. Persamaan Fourier ini menjadi dasar dalam penghitungan laju perpindahan kalor dalam sistem yang mengalami peristiwa konduksi.Dari persamaan di atas, dapat dilihat bahwa terdapat hubungan kesebandingan antara laju kalor dengan luas permukaan, dan perubahan suhu. Sebaliknya berbanding terbalik dengan ketebalan dari bidang yang dilalui. Sedangkan konduktivitas termal adalah suatu besaran yang menunjukkan kemampuan suatu bahan dalam menghantarkan kalor. Nilai konduktivitas thermal sering dianalogikan dengan nilai R pada tahanan listrik. Pada konduksi tunak satu dimensi, aliran kalor (suhu) merupakan fungsi jarak radial sedangkan, pada konduksi tunak dua dimensi aliran kalor (suhu) dipengaruhi oleh koordinat ruang.
6. Bagaimana menentukan nilai koefisien perpindahan kalor konduksi menyeluruh dan ketebalan kritis suatu isolator ? Pada suatu sistem dinding datar, dapat dirumuskan bahwa laju perpindahan kalor : q = h1A(TA – T1) =
= ℎ ∆
(3)
Proses ini dapat direpresentasikan dengan jaringan hambatan dan semua transfer panas dihitung sebagai perbandingan perbedaan suhu total terhadap jumlah dari hambatan termal:
Q= TA- TB/(1/h1A+∆x/kA+1/h2A)
(4)
8
Gambar 4. Transfer Panas Total Melalui Dinding Datar (sumber: Holman,J.P. Perpindahan Kalor Edisi Keenam)
Jika persamaan di atas dikembalikan menjadi bentuk persamaan Fourier maka, akan diperoleh persamaan (5)
q=UA∆Ttotal di mana U adalah koefisien perpindahan kalor dengan nilai U=1/(1/h1+∆x/k+1/h2)
(6)
U sendiri memiliki nilai yang sebanding dengan nilai resistansi termal dipangkatkan satu, atau U= 1/R value.
Gambar 5. Analogi hambatan untuk silinder berlubang dengan batasan konveksi(sumber: Holman,J.P. Perpindahan Kalor Edisi Keenam) Berbeda jika sistem merupakan silinder yang dipengaruhi oleh aliran konveksi, maka laju perpindahan kalor menjadi
=
(7)
Dikembalikan ke bentuk persamaan Fourier, sehingga didapat nilai koefisien perpindahan kalor sebesar
=
1
(8)
=
1
(9)
Perlu diingat, bahwa penting untuk menentukan kedua persamaan di atas berasal dari titik acuan luas penampang A yang berbeda, sehingga hanya salah satu koefisien saja yang digunakan dalam menyelesaikan permasalahan dalam sistem tersebut. Sehingga hubungan nilai koefisien U terhadap resistansi termal R menjadi UA = 1/∑R th =1/R th, total 9
Ketebalan Kritis
Umumnya, dengan menambah ketebalan dari suatu isolator, perpindahan panas akan semakin berkurang. Jadi, semakin tebal bahan, laju perpindahan panas akan semakin lambat. Akan tetapi, pada bahan isolator yang berbentuk silinder atau sferis, hal tersebut tidak selalu berlaku. Ada suatu kondisi dimana perpindahan panas akan semakin besar pula jika ketebal an bahan isolator ditambah. Ketebalan kritis menunjukkan nilai ketebalan suatu bahan yang apabila ketebalannya ditambah, perpindahan panas akan semakin besar. Karena peristiwa tersebut terjadi pada silinder dan sferis umumnya ketebalan kritis dinyatakan dalam jari-jari kritis. Ketebalan kritis dapat ditentukan dari persamaan (10)
= ℎ
(10)
Bagaimana menentukan nilai laju perpindahan kalor konduksi tunak pada sistem dengan penampang yang berbeda dan sistem dengan sumber kalor ? Dinding Datar Pada suatu dinding datar, penerapan hukum mengintegrasikan persamaan tersebut sehingga didapatkan:
Fourier
dilakukan
dengan
(11) = ∆ Persamaan diatas berlaku apabila merupakan konduktivitas termal yang dianggap tetap, ∆ merupakan tebal dinding, dan merupakan suhu muka dinding. Apabila konduktivitas termal berubah menurut hubungan linear dengan suhu, yakni = 1, maka persamaan laju aliran kalor menjadi:
= ∆ * ( )
(12)
Gambar 6. Perpindahan kalor satu dimensi melalui dinding komposit dan analogi listriknya (sumber: Holman,J.P. Perpindahan Kalor Edisi Keenam)
10
Jika terdapat lebih dari satu macam bahan, dalam hal dinding lapis rangkap dengan gradien suhu masing-masing bahan seperti pada Gambar 1-1, di mana aliran kalor pada setiap bagian itu sama, maka aliran kalornya menjadi:
= ∆− = ∆− = ∆−
(13)
= ∆⁄+∆−⁄+∆⁄
(14)
Apabila persamaan ini dipecahkan secara serentak, maka aliran kalor dituliskan menjadi:
Berikut ini pandangan konsepsional lain mengenai hukum Fourier. Laju perpindahan kalor dipandang sebagai aliran, gabungan konduktivitas termal, tebal bahan dan luas merupakan tahanan terhadap aliran ini yang disusun seri. Suhu merupakan fungsi potensial/pendorong aliran itu,maka persamaaan Fourier dapat dituliskan sebagai berikut:
→ = ∆ = ∑ℎ
Sistem Radial-Silinder
Gambar 7. Perpindahan kalor satu dimensi melalui silinder bolong dan analogi listriknya (sumber: Holman,J.P. Perpindahan Kalor Edisi Keenam)
Untuk silinder yang panjangnya sangat besar dibandingkan dengan diameternya, dapat kita andaikan bahwa perubahan kalor berlangsung menurut arah radial, sehingga koordinat ruang yang diperlukan untuk menentukan sistem itu hanyalah r . Untuk , hukum Fourier menjadi
= 2
= = 2 Apabila diintegralkan kondisi batas T = T i pada r = r i dan T = T o pada r = r o, maka
= 2 ln⁄ dan tahanan termal dalam hal ini adalah
11
⁄ = ln 2 Konsep tahanan termal dapat juga digunakan untuk dinding lapis rangkap beebentuk silinder, seperti halnya dengan dinding datar. Untuk sistem tiga lapis seperti pada gambar 1-3, penyelesaiannya adalah
2 = ln⁄⁄ ln ⁄⁄ ln⁄⁄
Gambar 8. Perpindahan kalor satu dimensi melalui penampang silinder dan analogi listriknya (sumber: Holman,J.P. Perpindahan Kalor Edisi Keenam)
Sistem berbentuk bola dapat ditangani sebagai satu dimensi apabila suhu merupakan fungsi jari-jari saja. Aliran kalornya menjadi :
= 4 1⁄ 1⁄ SISTEM SUMBER KALOR Di antara penerapan prinsip perpindahan kalor, banyak yang menyangkut sistem di mana kalor dibangkitkan dari dalam. Salah satu contohnya reaktor nuklir. Pembahasan berikut ini terbatas pada sistem satu dimensi di mana suhu merupakan fungsi di satu koordinat ruang saja. Dinding Datar dengan Sumber Kalor
12
Gambar 9. Perpindahan kalor satu dimensi melalui dinding komposit dan analogi listriknya (sumber: Holman,J.P. Perpindahan Kalor Edisi Keenam)
Tebal dinding di arah x ialah 2L, sedang dimensi di kedua arah lain dianggap cukup besar sehingga aliran kalor dapat diandaikan satu dimensi. Kalor yang dibangkitkan per satuan volume adalah q dan konduktivitas termal dianggap tidak berubah dengan suhu. Keadaan ini terjadi jika arus listrik dialirkan melalui bahan penghantar, sehingga persamaan diferensial yang mengatur aliran kalor adalah
= 0 Kondisi batas suhu kedua muka dinding, yaitu T = Tw apada x = ± L, penyelesaiannya = 2 Oleh karena suhu pada masing-masing sisi dinding mesti sama, maka = 0 , suhu pada bidang tengah adalah = . Jadi, distribusi suhunya merupakan distribusi parabola dengan = , sehingga distribusi suhunya menjadi − = atau − = 1 − −
Silinder dengan Sumber Kalor Suatu silinder dengan jari-jari R, mempunyai sumber kalor yang terbagi rata dan konduktivitas termal tetap. Jika silinder cukup panjang sehingga dapat dianggap sebagai fungsi jari-jari saja, maka persamaan diferensialnya
1 = 0 Dengan kondisi batas T =Tw pada r = R, kalor yang dibangkitkan sama dengan yang dilepas di permukaan dan fungsi suhu harus kontinu di pusat silinder, maka penyelesaian umumnya menjadi
= 4 ln menjadi distribusi suhu dengan = − = atau − = 1 Untuk silinder bolong dengan sumber kalor terbagi rata, kondisi batas yang tepat adalah T = T i pada r = r i dan T = T o pada r = r o, maka
= 4 ln di mana
− / = −+ / 13
Bola dengan sumber kalor Untuk perpindahan panas pada silinder berlubang, penetapan kondisi batas yang tepat dapat berupa sebagai berikut: i i→ o o Untuk menyelesaikannya dapat digunakan suatu persamaan umum transfer panas pada silinder, yaitu:
T = T padar = r
T = T padar = r
qr T = 4k C lnrC
Dengan penerapan kondisi batas baru akan menghasilkan sebuah persamaan baru. Sehingga dari persamaan ini dapat disimpulkan bahwa suhu permukaan pada silinder berlubang adalah
Ts =
− ) ( T∞ h
Soal Perhitungan :
1. Usulkan suatu sistem insulasi untuk sebuah oven pemanas yang beroprasi pada suhu 200oC. Sistem insulasi tersebut diharapkan dapat menahan laju kalor sebesar 225 W/m2 dan menjadikan suhu di bagian luar oven menjadi 40 oC. Pada saat memilih bahan insulasi pada produk, ada Faktor-faktor penting yang harus dipertimbangkan ketika memilih bahan-bahan isolasi adalah: 1.Suhu operasi sistim 2.Jenis bahan bakar yang sedang dibakar 3.Ketahanan bahan terhadap panas, cuaca dan kondisi yang merugikan 4.Konduktivitas panas bahan 5.Diffusivitas panas bahan 6.Kemampuan bahan bertahan pada berbagai kondisi, seperti kejutan panas, getaran dan serangan bahan kimia. 7.Ketahanan bahan terhadap nyala/api 8.Daya tembus/permeabilitas bahan 9. Biaya total, termasuk pembelian, pemasangan dan perawatan Biaya tota l,termasuk pembelian, pemasangan dan perawatan Oleh karena itu, untuk mendaptkan sistem insulasi yang cocok untuk oven pemanas yang bekerja pada suhu 200 0C dan mampu menahan laju kalor 225 w/m maka disarankan untuk memakai isolasi suhu tinggi dengan bahan material asbestos yang memiliki k 0,08 atau material fiber glass dengan nilai k 0,05
2. Sampah radioaktif ditampung dalam kontainer spheris, pusat dari container yang dibenamkan dalam tanah sedalam 10 meter dari permukaan bumi. Diameter luar 14
container 2 meter dan panas yang dilepaskan dari pancaran radioaktif adalah 850 watt. Bagaimanakah anda menilai kondisi tahah yang berada di sekitar penanaman limbah tersebut, apakah berada dalam kondisi yang aman (dipandang dari suhu permukaan tanah yang diakibatkan oleh pancaran limbah tersebut), jika diketahui suhu permukaan kontainer pada kondisi tunak adalah 83,5 oC Kondisi tersebut dapat dipandang sebagai sistem konduksi benda sferis yang dibenamkan pada medium semi-infinite. Bahan yang digunakan diasumsikan adalah tanah dengan konduktivitas termal sebesar 0,8 W/moC
q = k 1 4πrr ∆T 2D 850 W = 0,08 14×1π × 1 Temu Tth 210 850 W = 10,5824 (Temu Tth) (Temu Tth) = 80,322 = 83,5 80,322 = 3,178 Kondisi tanah berada pada suhu 3,178 oC. Suhu tersebut jauh diatas suhu normal tanah. Jadi, berdasarkan suhu permukaannya tanah berada dalam kondisi yang tidak aman.
BAB III PENUTUP Kesimpulan
Panas dari inkubator dihasilkan oleh filamen panas. Panas di dalam inkubator berpindah melalui konveksi yang digerakkan oleh kipas. Tudung bayi berfungsi sebagai isolator, mencegah panas berpindah melalui konduksi dan radiasi. Inkubator berfungsi mnejaga suhu hangat yang diperlukan oleh bayi dan melindungi bayi dari gangguan. Inkubator berbentuk kubah memiliki aliran udara yang optimal, menghasilkan persebaran suhu yang paling merata. Bahan plexiglass sesuai untuk digunakan pada inkubator. Konduksi merupakan salah satu cara transfer panas yang melalui getaran molekul pada satu medium atau antara medium - medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Setiap bahan memiliki sifat intrinsik konduktivitas termal yang mempengaruhi perpindahan panas pada bahan tersebut. 15
Persamaan Fourier merupakan dasar perhitungan laju perpindahan kalor. Ketika mencapai ketebalan kritis, jika ketebalan bahan ditambah laju perpindahan panas akan lebih cepat. Pada sistem dengan penampang yang berbeda, hukum Fourier dapat dimodifikasi untuk menghitung laju perpindahan panas dengan pandangan bahwa hukum laju aliran kalor merupakan rasio beda potensial termal terhadap tahanan termal.
Saran Diharapkan pembaca dapat lebih mempelajari konduksi tunak, karena dapat diterapkan pada kehidupan sehari-hari. Salah satu penerapannya adalah pada desain inkubator. Pembaca dapat lebih menggali informasi lebih dalam mengenai inkubator bayi untuk membuat desain inkubator yang lebih efektif dan murah.
Referensi Chuaychunu, et al. 2008. Analysis and Comparison of a Customize Infant Incubator Chamber Shape Using Finite Element Method. International Symposium on Biomedical Engineering. Ginalski, Maciej K. A Combined Study of Heat and Mass Transfer in a Double Walled Infant Incubator Holman, J. P. 2010. Heat Transfer. Mc-Graw Hill. Setiawan, Gede Panca. 2010. Perancangan dan Pembuatan Pengaturan Suhu Inkubator Bayi Berbasis Mikrokontroler AT89S51. Universitas Pendidikan Ghanesa.
16
