Radiasi May 9, 2012
DEFINISI , PENGARUH SIFAT BAHAN DAN SUSUNAN GEOMETRI, SIFAT RADIASI TERMAL
Oleh : Nicholas Hadi / 1006706334
DEFINISI RADIASI TERMAL
Radiasi termal merupakan energi yang diemisikan dari suatu permukaan benda/materi yang panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi termal terbentuk ketika panas dari pergerakan suatu partikel yang bermuatan pada atom berubah menjadi radiasi elektromagnetik. Sedangkan menurut hukum Stefan, radiasi merupakan pancaran energi dari suatu sumber panas atau reservoir , yang dapat ditulis secara matematis sebagai seba gai
H e AT AT 4 dimana, A adalah luas penampang, T suhu, e emisivitas (0 ≤ e ≤ 1), dan
(1)
σ
merupakan
konstanta Stefan-Boltzmann (5,670×10−8 W·m-2K -4).
Radiasi termal mempunyai karakteristik unik bila dibandingkan dengan konveksi dan konduksi. Yang pertama adalah materi tidak diperlukan dalam perpindahan panas radiasi. Kehadiran media justru akan menghalangi transfer radiasi antar permukaan-permukaan. Yang kedua adalah besarnya dan kualitas radiasi bergantung pada temperatur. Jika pada konduksi dan konveksi jumlah perpindahan panas sangat bergantung pada beda temperatur antar dua benda, sedangkan radiasi hanya pada benda yang memancarkan radiasi. Radiasi dalam benda panas akan berbeda kualitas dibandingkan dengan radiasi oleh benda bertemperatur lebih rendah. Warna objek yang berpijar akan berubah jika temperatur berubah. Selain itu radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya dan mempunyai sifat seperti gelombang dan partikel sekaligus.
LTM Perpindahan Kalor Pemicu 5
Page 1
Radiasi May 9, 2012
PENGARUH DARI SIFAT BAHAN
Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi itu dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi). Bagian radiasi yang dipantulkan disebut reflektivitas ρ, bagian yang diserap absorptivitas α, dan bagian yang diteruskan transmisivitas (τ). Maka, ρ+α+τ=1
(2)
Sifat-sifat bahan akan mempengaruhi besarnya nilai ρ dan α, yang mana nilai absorptivitas benda juga akan mempengaruhi daya emisi benda tersebut. Sebagai contoh, benda-benda nyata memancarkan radiasi lebih sedikit dari permukaan hitam sempurna, sebagaimana diukur dari emisivitas bahan. Hal ini menunjukkan bahwa benda hitam dan benda kelabu mempunyai emisivitas bahan yang berbeda sehingga mempengaruhi besarnya daya emisi suatu bahan. Maka dapat disimpulkan bahwa sifat-sifat bahan akan mempengaruhi besarnya nilai ρ, α, dan daya emisi benda tersebut. Oleh karena itu, sifat-sifat bahan akan mempengaruhi besarnya energi atau kalor yang dapat dipertukarkan secara radiasi. Sebagai contoh, apabila bahan bersifat transmisi, refleksi, dan absorpsi pertukaran kalornya menjadi q
E bm J mD / 1 m ms mD
adalah q
E b J D / 1 s D
/ A1 s
/m Am 1 m ms
, sedangkan untuk permukaan spekular
.
PENGARUH DARI SUSUNAN GEOMETRI BENDA
Pengaruh susunan geometri benda terhadap energi kalor yang dipertukarkan secara radiasi terletak pada penentuan besarnya faktor bentuk radiasi benda. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya pada pembahasan subbab faktor bentuk radiasi dimana masi ng-masing bentuk geometri benda akan memiliki faktor bentuk radiasi yang tertentu pula nilai dan besarnya. Contoh, radiasi yang terjadi antara dua piringan sejajar dan antara dua piringan konsentrik sejajar akan memiliki nilai faktor bentuk yang berbeda walaupun secara kasat LTM Perpindahan Kalor Pemicu 5
Page 2
Radiasi May 9, 2012
mata bentuk benda dari kedua proses radiasi tersebut sama, yaitu dua piringan yang sejajar. Dalam kasus ini, semua kalor yang diradiasikan oleh salah satu permukaan akan jatuh pada permukaan yang lain. Dalam banyak kasus, permukaan kedua hanya akan menangkap sebagian kalor yang diradiasikan. Fraksi kalor radiasi yang diterima oleh permukaan kedua dari radiasi total yang diradiasikan oleh permukaan satu disebut sebagai faktor geometri dan nilainya bergantung pada susunan geometri dari dua permukaan benda tersebut. Jadi, dapat disimpulkan bahwa susunan geometri benda akan sangat mempengaruhi nilai faktor bentuk radiasi yang tentu saja akan juga mempengaruhi besar energi kalor yang dipertukarkan secara radiasi. Salah satu contoh dari kasus sederhanya adalah perpindahan kalor antara dua plat sejajar. Dalam kasus ini, semua kalor yang diradiasikan oleh salah satu permukaan akan jatuh pada permukaan yang lain. Dalam banyak kasus, permukaan kedua hanya akan menangkap sebagian kalor yang diradiasikan. Fraksi kalor radiasi yang diterima oleh permukaan kedua dari radiasi total yang diradiasikan oleh permukaan satu disebut sebagai faktor geometri dan nilainya bergantung pada susunan geometri dari dua permukaan benda tersebut. Dengan demikian, susunan geometri benda akan mempengaruhi besarnya nilai faktor geometri (faktor bentuk) dari benda tersebut, yang mana secara tidak langsung akan mempengaruhi besarnya energi atau kalor yang dapat dipertukarkan secara radiasi. BENDA HITAM
Benda hitam mengabsorb seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Benda hitam berfungsi sebagai standar untuk dibandingkan dengan kemampuan radiasi suatu benda. Distribusi spektrum dari intensitas radiasi diasosiasikan dengan emisi benda hitam pertama kali diungkapkan oleh Planck: \ I ,b , T
LTM Perpindahan Kalor Pemicu 5
2hc02 5
exp hc0 / kT 1
(3)
Page 3
Radiasi May 9, 2012
di mana h = 6,6256 10-34 J·s, k = konstanta Planck dan Boltzmann (1,3805 10-23 J/K), c0 = kecepatan cahaya pada ruang vakum (2,998 108 m/s), T = temperatur absolut dari benda hitam. Karena benda hitam adalah penghambur emisi, maka energi dari spektrum emisi dalam bentuk:
E ,b , T
dengan
I ,b , T
C 1 5
C 1 2 hc02 3,742 108 W m 4 / m 2
exp C 2 / T
(4)
1
C 2 hc0 / k 1,439 104 m K
dan
merupakan konstanta radiasi. Energi total dari pancaran suatu benda hitam adalah:
E b
C 1
0
5
exp C 2
/ T 1
(5)
d T 4
dimana : konstanta Stefan-Boltzman (5,67010-8 W/m2·K 4).
PERTUKARAN KALOR ANTARA BENDA TAK HITAM
Pada benda tak hitam, sebagian radiasi akan dipantulkan kembali ke permukaan perpindahan kalor lainnya, dan sebagian dipantulkan ke luar sistem. Analisis keadaan demikian itu harus memperhatikan refleksi rangkap tersebut. Sekarang akan diandaikan bahwa semua permukaan yang kita temui dalam analisis kita bersifat baur dan mempunyai suhu seragam, dan bahwa sifat-sifat refleksi dan emisinya konstan di seluruh permukaan. Akan didefinisikan dua istilah baru, yaitu G = irradiation (total radiasi yang menimpa suatu permukaan per satuan waktu
per satuan luas) dan J = radiocity
(total radiasi yang
meninggalkan suatu permukaan per satüan waktu per satuan luas). Radiositas ialah jumlah energi yang dipancarkan (emisi) dan energi yang dipantulkan (refleksi) apabila tidak ada energi yang diteruskan (transmisi), J E b G , di mana : emisivitas dan E b: daya emisi benda hitam. Karena transmisivitas kita andaikan nol, maka refleksivitas dapat kita nyatakan sebagai:
1 1
sehingga J E b 1 G
Energi netto yang meninggalkan permukaan itu ialah selisih antara radiositas dan iradiasi yang dapat dinyatakan dengan: q A
1
LTM Perpindahan Kalor Pemicu 5
E b J
q
atau
E b J 1 / A
(6)
Page 4
Radiasi May 9, 2012
Sekarang kita tinjau pertukaran energi radiasi antara dua permukaan A 1 dan A2. Dari seluruh radiasi yang meninggalkan permukaan 1, jumlah yang mencapai permukaan 2 ialah J 1 A1 F 12 . Dari seluruh energi yang meninggalkan permukaan 2, yang sampai di permukaan 1 ialah
J 2 A2 F 21 .
Saling
pertukaran
netto
antara
kedua
permukaan
itu
ialah
q12 ( J 1 J 2 ) A1 F 12 ( J 1 J 2 ) A2 F 21 . Untuk menyusun jaringan suatu soal perpindahan kalor radiasi tertentu, kita hanya perlu menghubungkan “tahanan- permukaan” (1-e)/eA ke setiap permukaan, dan “tahananruang” 1/Am Fm-n antara potensiai radiositas. Seandainya dua permukaan yang hanya saling bertukar kalor saja dan tidak ada yang lain akan dapat digambarkan seperti pada gambar 20 di lampiran. Dalam hal ini, perpindahan kalor netto ialah beda potensial menyeluruh dibagi dengan jumlah semua tahanan, sehingga :
qnet
E b1 E b 2 (1 1 ) / 1 A1 1 / A1 F 12 (1 2 ) / 2 A2
(7)
(T T ) 4 1
4 2
(1 1 ) / 1 A1 1 / A1 F 12 (1 2 ) / 2 A2
DAFTAR PUSTAKA
Holman, J.P. 1994. Perpindahan Kalor . Jakarta : Erlangga
LTM Perpindahan Kalor Pemicu 5
Page 5
Radiasi May 9, 2012
LAMPIRAN
Pertukaran Radiasi terjadi antara permukaan-
Faktor Bentuk Radiasi, F 1-2
permukaan ini 1. Bidang-bidang datar tak hingga 2. Benda A1 yang sepenuhnya terkurung oleh benda lainnya, A2. Benda A1 tidak dapat melihat bagian dari dirinya sendiri 3. Elemen permukaan dA(A1) dan permukaaan segi empat (A2) yang sejajar serta langsung di atasnya dengan satu sudut dari segi empat tersebut terletak pada garis tegak lurus dA 4. Elemen dA (A1) dan piringan yang berbentuk lingkaran yang sejajar (A2) dengan pusatnya langsung di atas dA 5. Dua bujur sangkar, segiempat atau piringan yang sama dan sejajar , dengan lebar atau garis tengah D dan jarak antara- L 6. Dua piringan sejajar denga garis tengah berbeda, dengan jarak antara L, dengan titiktitik pusatnya pada satu garis tegak lurus pada permukaan tersebut, piringan kecil A1 berjari jari a, piringan besar berjari-jari b 7. Dua segiempat di bidang-bidang datar yang saling tegak lurus dengan satu sisi sekutu
LTM Perpindahan Kalor Pemicu 5
1 1
Lihat Gambar 3.b dibawah
Lihat Gambar 3.adibawah
[ √ ] Lihat Gambar 3.c dibawah
Page 6
