1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Ilmu perpindahan panas diperlukan untuk menganalisa proses perpindahan panas dari suatu bagian benda benda ke bagian benda benda yang yang lainnya. Tenaga panas dari suatu bagian benda bertemperatur tinggi akan mengalir melalui zat benda itu ke bagian lainnya yang bertemperatur lebih rendah. Partikel zat dari benda yang dilalui panas ini sendiri tidak mengalir, sehingga tenaga panas berpindah dari satu partikel ke partikel lainnya dan mencapai bagian yang dituju. Perpindahan panas ini disebut konduksi panas. Pada dasarnya perpindahan panas terjadi akibat adanya ketidakseimbangan termal atau adanya perbedaan temperatur. Proses perpindahan panas yang sebenarnya terjadi adalah sangat rumit dan memerlukan pengkajian yang cukup. Oleh karena itu maka dilakukan penyederhanaan dalam peninjauan proses tersebut yaitu dengan jalan memperhatikan hal-hal yang kurang berpengaruh terhadap proses kes eluruhan.
Dengan dasar penyederhanaan tersebut, maka mekanisme perpindahan panas dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu konveksi, konduksi dan radiasi. Penggunaan perpindahan panas di dalam sebuah industri yang sangat penting.
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
2
Dalam sebuah industri perpindahan panas dapat berupa pemanasan pada saat pengolahan bahan baku dan saat pengeringan. Pengaturan untuk melakuakn perpindahan panas maupun perpindahan dingin dalam industri diperlukan untuk menjaga mutu dari bahan itu sendiri. Perpindahan panas didalam pengolahan hasil pertanian sangat berperanan, antara lain bahwa hampir seluruh hasil pertanian mengalami proses pemanasan atau pengeringan sedangkan untuk hasil ternak mengalami proses pendinginan. Untuk pengolahan hasil pertanian, beberapa prinsip dasar haruslah selalu diingat, yaitu panas bergerak dari objek panas ke objek yang dingin, bertambah besar perbedaan kedua objek, bertambah besar panas yang dipindahkan, makin tipis dinding pengantara atau penyekat kedua objek, makin baik proses pemindahan panas. Objek yang gelap menyerap panas yang dipancarkan lebih cepat dari pada objek yang terang t erang dan pemanasan sebaiknya dilakukan di bagian bawah atau dasar ruangan, sedangkan pendinginan dilakukan di bagian atas ruangan sehingga memungkinkan perpindahan panas secara konveksi.
1.2 Tujuan
Adapun tujuan praktikum yang dilakukan pada praktikum radial heat conduction ini conduction ini adalah sebagai berikut: 1. Untuk menunjukkan bagaimana perlakuan panas di sekitar cakram padat dengan dimensi dan material yang seragam. 2. Untuk menunjukkan bagaimana Anda dapat menghitung konduktivitas termal eksperimental dari bahan cakram padat dengan dimensi seragam.
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
3
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu teknik yang memperkirakan pemindahan energi yang terjadi antara benda-benda sebagai akibat terjadinya perbedaan suhu antara benda-benda tersebut. Pada perpindahan panas ini dua hukum alam yang utama merupakan suatu hal yang harus selalu diingat. Hukum Utama II menjelaskan bahwa apabila antara dua benda yang berlainan suhunya terjadi pemindahan panas, maka hal ini selalu berlangsung sedemikian rupa sehingga benda yang lebih panas bertambah dingin dan benda yang lebih dingin akan bertanbah panas. Dengan kata lain, bahwa apabila dua benda yang bersuhu tidak sama, bersentuhan, maka akan terjadi perubahan suhu kedua benda tersebut akibat adanya perpindahan panas, yaitu benda yang bersuhu lebih tinggi akan memberikan sebagian panasnya kepada benda yang bersuhu lebih rendah, sehingga benda yang bersuhu lebih tinggi akan menjadi lebih dingin, sedangkan benda yang bersuhu lebih rendah akan menjadi lebih panas. Hukum Utama I atau Azas atau Azas Black , pada penukaran panas antara dua jenis benda, maka jumlah kalor keseluruhan akan tetap (kecuali ada ad a usaha yang dilakukan pada p ada saat perpindahan tersebut). Dengan kata lainnya bahwa jumlah yang diberikan
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
4
oleh suatu benda yang bersuhu lebih tinggi akan sama dengan jumlah panas yang diterima oleh benda yang bersuhu lebih rendah.
Perpindahan panas dapat dipergunakan untuk memperkirakan suhu, baik s uhu benda padat, maupun suhu bahan cair, setelah beberapa saat berlalu. Perpindahan panas terjadi melalui suatu medium ke medium lain sebelum sampai ke objek yang diinginkan. Metode perindahan panas di sini terjadi secara serempak. Proses perpindahan panas dapat terjadi dengan tiga cara yaitu secara hantaran atau konduksi, secara aliran atau konveksi dan secara pancaran atau radiasi. Proses Pasteurisasi dalam pengolahan hasil pertanian berprinsip pada cara pindah panas dengan konduksi panas, yaitu apabila sebelah pelat dipanaskan, maka pelat yang berada disebelahnya akan menjadi panas pula. Ruang penyimpanan dingin adalah contoh penggunaan aliran atau konveksi panas dalam praktek, yaitu udara dingin sekitar pipa pendingin turun ke bawah dan udara panas naik ke atas sehingga membuat sirkulasi terus menerus serta membawa panas keseluruh ruangan. Pemanasan atau pengeringan hasil pertanian dengan penjemuran merupakan salah satu contoh praktek pemanasan secara pemancaran, walaupun selama pemancaran tersebut udara dianggap sebagai bahan penerus panas matahari.
Panas telah diketahui dapat berpindah dari tempat dengan temperatur lebih tinggi ke tempat dengan tempeatur lebih rendah. Hukum percampuran panas juga terjadi karena panas itu berpindah, sedangkan pada kalorimeter, perindahan panas juga dapat terjadi dalam bentuk pertukaran panas dengan luar
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
5
sistem. Jadi pemberian atau pengurangan dari panas atau temperatur tidak saja mengubah temperatur atau fasa zat suatu benda secara lokal, melainkan panas itu merambat ke atau dari bagian lain benda atau tempat lain. Peristiwa ini disebut perindahan panas (Geankoplis, 1987).
Perpindahan tenaga panas dapat dibagi dalam beberapa golongan cara perpindahan. Panas itu dapat merambat dari suatu bagian ke bagian lain melalui zat atau benda yang diam. Panas juga dapat dibawa oleh partikel - partikel zat yang mengalir. Pada radiasi panas, tenaga panas berpindah melalui pancaran yang merupakan juga satu cara perindahan panas. Umumnya perindahan panas berlangsung sekaligus dengan ketiga cara ini. Perindahan panas melalui cara pertama disebut perpindahan panas melalui konduksi. Cara kedua, perindahan panas melalui konveksi dan cara ketiga melalui radiasi. Di sini menyelidiki peristiwa berlangsungnya perindahan panas itu. Jika menganggap perindahan panas berlangsung secara mengalir analogi dengan aliran listrik atau aliran fluida, maka aliran panas ini dinamakan arus panas. Pada definisikan arus panas ini sebagai jumlah tenaga panasper satuan waktu atau daya panas melalui penampang tegak lurus kepada arah arus. Oleh sebab itu arus panas rata-rata adalah:
̅ = ∆ ∆ ………………………………..(1) Karena arus panas akan berubah-ubah menurut waktu, maka arus panasnya pada setiap saat adalah sebagai berikut: Dewa Anom Pasmadi
1515021027
6
…………………………(2) = ∆→ lim ∆ = ∆ Dimana:
∆ = waktu perpindahan panas yang dipandang ∆ = perubahan arus panas Perindahan panas dapat diketahui melalui perubahan temperatur. Oleh karenanya perlu ditentukan hubungan antara arus panas dan perubahan atau perbedaan temperatur. Bagi kalorimeter yang mengalami pertukaran panas dengan luar sistem, akibat perpindahan panas, Newton memberikan suatu koreksi yang dikenal sebagai hukum pendinginan atau pemanasan Newton.
2.2 Perpindahan Panas Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan panas dimana panas mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, tetapi medianya tetap. Perpindahan kalor secara konduksi tidak hanya terjadi pada padatan saja tetapi bisa juga terjadi pada cairan ataupun gas, hanya saja konduktivitas terbesar pada padatan. Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas. Berdasarkan perubahan suhu menurut waktu, konduksi dapat dibagi menjadi dua, yaitu konduksi tunak dan konduksi tidak tunak. Pada
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
7
zat padat, energi panas tersebut dipindahkan hanya akibat adanya vibrasi dari atom-atom zat padat yang saling berdekatan. Hal ini disebabkan karena zat padat merupakan zat dengan gaya intermolekular yang sangat kuat, sehingga atom-atomnya tidak dapat bebas bergerak, oleh sebab itu perpindahan kalor hanya dapt terjadi melalui proses vibrasi. Sedangkan proses konduksi pada fluida disebabkan karena pengaruh secara langsung karena atom-atomnya dapat lebih bebas bergerak dibandingkan dengan zat padat. Konduksi merupakan suatu proses perpindahan kalor secara spontan tanpa disertai perpindahan partikel media karena adanya perbedaan suhu, yaitu dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah (Kreith, Frank. 1997).
Konduksi atau hantaran kalor pada banyak materi dapat digambarkan sebagai hasil tumbukan molekul-molekul.Sementara satu ujung benda dipanaskan, molekul-molekul di tempat itu bergerak lebih cepat.Sementara itu, tumbukan dengan molekul-molekul yang langsung berdekatan lebih lambat, mereka mentransfer sebagian energi ke molekul-molekul lain yang lajunya kemudian bertambah.Molekul-molekul ini kemudian juga mentransfer sebagian energi mereka dengan molekul-molekul lain sepanjang benda tersebut.Dengan demikian, energi gerak termal ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda.Hal inilah yang mengakibatkan terjadinya konduksi.Konduksi atau hantaran kalor hanya terjadi bila ada perbedaan suhu.Berdasarkan eksperimen, menunjukkan bahwa kecepatan hantaran kalor melalui benda yang sebanding dengan perbedaan suhu antara ujung-ujungnya.Kecepatan hantaran kalor juga bergantung pada ukuran dan bentuk benda. Untuk mengetahui secara
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
8
kuantitatif, perhatikan hantaran kalor melalui sebuah benda uniform tampak seperti pada gambar berikut. Konduksi dapat dibagi menjadi dua berdasarkan berubah atau tidaknya suhu terhadap waktu, yaitu konduksi tunak ( steady) dan konduksi tak tunak (unsteady). Konduksi tunak dapat dijelaskan sebagai konduksi ketika suhu yang dihantarkan tidak berubah atau distribusi suhu konstan terhadap waktu. Sebaliknya, konduksi tak tunak jika suhu berubah terhadap waktu (Tim Penyusun. Buku Panduan Praktikum POT 1. 1989).
Perpindahan kalor secara konduksi dibedakan menjadi dua, yaitu konduksi tunak dan konduksi tak-tunak. Aplikasi dari konduksi tunak ini ialah pada proses insulasi. Zaman ini, sistem insulasi digunakan pada banyak kasus. Salah satu penerapan sistem insulasi yang dikenal ialah sistem insulasi perpipaan. Fluida yang dialirkan dalam pipa memiliki kondisi yang perlu dipertahankan sehingga membutuhkan sistem insulasi yang baik. Contoh lain ialah sistem insulasi pada oven dan kulkas. Oleh karena, hal tersebut diatas maka perlu dipelajari dengan baik sistem perpipaan, diantaranya ialah tebal kritis insulasi, tahanan kalor tergabung, dan konduktivitas termal. Perpindahan kalor konduksi tak-tunak memiliki perbedaan dengan konduksi tunak dimana pada konduksi tak-tunak terjadi perubahan pada energi internal. Contoh dari konduksi taktunak ialah proses pemanasan dan pendinginan makanan. Pada proses ini terjadi aliran kalor yang tidak langsung setimbang secara termal. Aplikasi dari hukum fourier ini membahas aliran kapasitas kalor tergabung, aliran kalor transien pada benda semi-infinite, batasan-batasan konveksi, dan angka biot, angka fourier, serta bagan heisler.
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
9
Dengan memasukkan konstanta kesetaraan yang disebut konduktivitas termal, didapatkan persamaan yang disebut Hukum Fourier tentang Konduksi Kalor. Hukum Fourier merupakan hukum dari konduksi panas yang menyatakan bahwa kecepatan perpindahan kalor melalui sebuah material sebanding dengan gradien negatif suhu ke area sudut kanannya. Hukum tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:
= .………………………………(3) Di mana: q = energi panas atau laju perpindahan kalor konduksi (W) A = luas cross section (m2) k = konduktivitas material (Wm -1 K -1) (konstanta proporsionalitas) gradien temperatur ke arah normal terhadap luas A T = suhu (K) x = jarak (m)
Konduktivitas termal (k) merupakan suatu konstanta yang dipengaruhi oleh suhu yang nilainya akan bertambah jika suhu meningkat. Selain memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh suhu, nilai k juga merupakan suatu besaran yang dapat mengidentifikasi sifat penghantar suatu benda. Bahan yang memiliki konduktivitas termal yang besar biasanya dikategorikan sebagai penghantar panas yang baik, dan sebaliknya. Umumnya, nilai k logam lebih besar daripada nonlogam, dan k pada gas sangat kecil. Unit konduktivitas termal biasanya
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
10
dinyatakan dalam Watt/moC atau BTU/jam.ft.o F.Pada zat padat, energi kalor dihantarkan dengan cara getaran kisi bahan. Selain itu, menurut hukum Wiedemann-Franz, konduktivitas termal zat padat mengikuti konduktivitas elektrik, dimana pergerakan elektron bebas yang terdapat pada kisi tidak hanya menghasilkan arus elektrik tapi juga energi panas. Untuk kebanyakan gas pada tekanan sedang konduktivitas termal merupakan fungsi suhu. Pada gas ringan, seperti hidrogen dan helium memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Gas padat
seperti
xenon memiliki
konduktivitas kecil,
sedangkan sulfur
hexafluorida, yang berupa gas padat, memiliki konduktivitas termal yang tinggi berdasar tingginya kapasitas panas gas ini.
Pada konduksi tunak, terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah, dimana suhu tidak berubah terhadap fungsi waktu. Berdasarkan arah pergerakan laju perpindahan kalor, konduksi tunak dibagi atas konduksi tunak dimensi satu dan konduksi tunak dimensi rangkap. Pada konduksi tak tunak, temperatur merupakan fungsi dari waktu dan jarak. Atau dengan kata lain, perpindahan kalor konduksi tunak terjadi jika suhu tidak berubah terhadap waktu dan konduksi tunak terjadi jika suhunya berubah terhadap waktu, sehingga pada persamaan perpindahan kalor konduksi tak tunak terdapat suku T / t.
2.3 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan kalor yang terjadi yang
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
11
disertai dengan perpindahan pergerakan fluidaitu sendiri. Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Pada konveksi alamiah pergerakan fluidaterjadi karena perbedaan massa jenis, sedangkan pada konveksi paksa terjadinya pergerakan fluidakarena ada paksaan dari luar. Contoh konveksi alamiah: nyala lilin akan menimbulkan konveksi udara disekitarnya, air yang dipanaskan dalam panci, terjadinya angin laut dan angin darat, dan sebagaianya. Contoh konveksi paksa: sistem pendingin mobil, pengering rambut, kipas angin, dan sebagaianya. Panas dingin besar laju kalor ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluidadi sekitarnya adalah berbanding
lurus
dengan
luas
permukaan
benda
yang
bersentuhan
dengan fluidadan perbedaan suhu antara benda dengan fluida. Konveksi adalah pengangkutan kalor oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan kalor secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseirnbangan termodinamik di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu sekelilingnya.
Matahari merupakan sumber energi panas terbesar di muka bumi. Bumi menjadi hangat karena adanya energi panas matahari. Suhu udara pada atmosfer bumi merupakan suhu yang sesuai untuk kelangsungan hidup semua makhluk hidup di bumi. Perputaran air atau siklus air di bumi karena adanya panas matahari. Perubahan musim yang terjadi dibelahan bumi utara dan
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
12
selatan juga dipengaruhi oleh matahari. Panas matahari juga dimanfaatkan untuk mengeringkan pakaian, makanan, dan lain-lain. Sehingga panas mata hari merupakan salah satu bentuk energi panas yang penting bagi mahluk hidup. Energi panas adalah segala kemampuan yang terjadi akibat adanya pengaruh panas. Energi panas sering disebut kalor (Holman, 1987).
Kalor sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, misal nya untuk memasak air. Ketika air dingin dipanaskan di atas kompor, temperatur air akan naik. Kalor akan mengalir dari kompor ke air yang dingin. Ketika dua benda temperaturnya berbeda diletakkan saling bersentuhan, kalor akan mengalir seketika dari yang panas ke yang dingin. Aliran kalor yang mengalir seketika ini selalu dalam arah yang cenderung menyamakan temperatur. Jika kedua benda tersebut disentuhkan lama sehingga temperatur keduanya sama, dalam keadaan setimbang termal dan tidak ada lagi kalor yang mengalir ddiantaranya. Istilah kalor pertama kali diperkenalkan oleh Antoine Laurent Lavoisier (17431794), seorang ahli kimia berkembangsaan Prancis. Berpendapatbahwa kalor merupakan semacam zat alir, yaitu zat yang mengalir dari suatu benda ke benda yang lain. Kalor akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah, jika kedua benda itu bercampur atau bersentuhan. Akan tetapi, gaya dorong untuk aliran ini adalah perbedaan suhu. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimiliki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula halnya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin. Perpindahan suhu tersebut disebut driving force yang memungkinkan panas berpindah. Satuan kalor pada
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
13
masa itu dinyatakan dalam satuan kalori. Satuan kalori di definisikan sebagai banyaknya kalor yang di perlukan untuk memanaskan satu gram air sehingga suhunya naik sebesar satu derajat celcius.
Kalor merupakan bentuk energi yang tidak dapat dilihat maupun terlihat, tetapi dapat dirasakan manfaatnya. Kalor yang diberikan dalam sebuah benda dapat digunakan untuk dua cara, yaitu untuk merubah wujud benda atau untuk menaikkan suhu benda itu. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Mengingat manfaat perpindahan panas konveksi itu sangat erat hubungannya dengan kegiatan manusia sehari-hari. Oleh karena itu, setidaknya manusia mampu mengetahui konsep kerja perpindahan panas konveksi serta manfaatnya bagi kehidupan dan mampu menerapkan manfaat tersebut untuk membantu memudahkan kegiatan manusia itu sendiri. Seperti pada radiator, pengering rambut (hair dryer ), dan lain-lain. Sehingga terjadi kesadaran bahwa terdapat ilmu fisika dalam kehidupan manusia. Jadi, kegiatan sehari-hari yang pada umumnya hanya untuk memenuhi kebutuhan hidup dapat juga dijadikan sebagai media pembelajaran.
Bila sebuah fluida lewat di atas sebuah permukaan padat panas, maka energi dipindahkan kepada fluida dari dinding oleh hantaran panas. Energi ini kemudian diangkut atau dikonveksikan ( convected ), ke hilir oleh fluida, dan
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
14
didifusikan melalui fluida oleh hantaran di dalam fluida tersebut. Jenis proses perpindahan energi ini dinamakan perpindahan panas konveksi (convection heat transfer ). Jika proses aliran fluida tersebut diinduksikan oleh sebuah pompa atau sistem pengedar (circulating system) yang lain, maka digunakan istilah konveksi yang dipaksakan ( forced convection). Bertentangan dengan itu, jika aliran fluida timbul karena gaya apung fluida yang disebabkan oleh pemanasan, maka proses tersebut dinamakan konveksi bebas ( free) atau konveksi alami (natural ). Persamaan dasar untuk menghitung laju perpindahan panas konveksi yaitu:
=ℎ..∆……………………………..(4) Dimana: q = Laju perpindahan panas (W) h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2.0C) A = Luas permukaan (m 2) ∆T = Perbedaan temperatur (0C)
Banyak parameter yang mempengaruhi perpindahan kalor konveksi di dalam sebuah geometri khusus. Parameter-parameter ini termasuk luas permukaan (A), konduktivitas termal fluida (k), biasanya kecepatan fluida (V), kerapatan ( , viskositas ( , panas jenis (C p), dan kadang-kadang faktor lain yang berhubungan dengan cara-cara pemanasan (temperatur dinding seragam atau temperatur dinding berubah-ubah). Fluks kalor dari permukaan padat akan
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
15
bergantung juga pada temperatur permukaan (T s) dan temperatur fluida (Tf ), tetapi biasanya dianggap bahwa (ΔT = T s – Tf ) yang penting. Akan tetapi, jika sifat-sifat fluida berubah dengan nyata pada daerah pengkonveksi (convection region), maka temperaturtemperatur absolute T s dan Tf dapat juga merupakan faktor-faktor penting didalam korelasi. Jelaslah bahwa dengan sedemikian banyak variablevariabel penting, maka korelasi spesifik akan sulit dipakai, dan sebagai konsekuensinya maka korelasi-korelasi biasanya disajikan dalam pengelompokkan-pengelompokkan tak berdimensi (dimensionless groupings) yang mengizinkan representasi-representasi yang jauh lebih sederhana. Juga faktor-faktor dengan pengaruh yang kurang penting, seperti variasi sifat fluida dan
distribusi
temperatur
dinding,
seringkali
diabaikan
untuk
menyederhanakan korelasi-korelasi tersebut. (Sholeh, 2009). Aliran zat atau fluida, dapat berlangsung sendiri sebagai akibat perbedaan massa jenis karena perbedaan temperatur, dan dapat juga sebagai akibat paksaan melalui pompa kompresor, sehingga dikelompokan sebagai aliran zat atau fluida bebas dan paksaan. Konveksi panas pada aliran bebas disebut konveksi bebas dan pada aliran paksaan disebut konveksi paksaan. Pada konveksi paksaan, sifat konveksi tentu bergantung kepada bentuk dan cara paksaan itu.
Bergantung kepada kecepatan aliran dan bentuk saluran, aliran yang disebut aliran laminar atau streamline dan aliran turbulen. Aliran larminar terjadi pada arus berkecepatan kecil sehingga partikel zat bergerak menurut garis yang kirakira sejajar, berbentuk lengkungan kontinu yang mengikuti bentuk saluran. Hal ini dapat diselidiki dengan membubuhi zat warna pada aliran itu. Pada
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
16
kecepatan aliran yang besar partikel zat bergerak secara bergolak dan diperoleh aliran turbulen. Batas kedua jenis aliran ini tidak tajam dan jelas dan penentu jenis aliran dilakukan menurut rumus empiris. Konveksi panas pada kedua jenis aliran ini berbeda.
Konveksi panas pada aliran massa ini dapat juga dipandang sebagai ar us panas yang selain bergantung kepada aliran, juga pada luas penampang A, dan pada beda temperatur t , yakni:
= ℎ ………………………………...(5) Dimana: h = koefisien konveksi panas A = Luas permukaan (m 2)
Da1am hal ini akan hanya menyinggung sedikit tentang konveksi bebas. Konveksi bebas terjadi pada aliran bebas. Untuk mudahnya, hanya menyinggung sedikit tentang konveksi bebas bagi aliran udara laminer yang terjadi pada tekanan atmosfir. Koefisien konveksi h dapat ditentukan secara empiris. Temyata bahwa letak keping yang ada oleh temperaturnya terjadi konveksi panas berarah tegak lurus kepadanya, berhubungan dengan pengaruh gravitasi, akan berpengaruhjuga pada harga koefisien. konveksi ini. Secara empiris diperoleh beberapa hasil koefisien konveksi pada syarat diatas tersebut untuk temperatur yang berbeda-beda t sebagai berikut:
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
17
1. Keping horizontal dengan konveksi panas menghadap ke atas
ℎ = 0,595 .10− (∆)/
……...……(6)
2. Keping horizontal dengan konveksi panas menghadap ke bawah
ℎ = 0,314 .10− (∆)/
……….......(7)
3. Keping vertikal
ℎ = 0,424 .10− (∆)/
…………...(8)
4. Pipa horizontal atau vertikal dengan diameter D cm
/ ∆ − ℎ = 1,000 .10 …………...(9)
Dimana: h = koefisien konveksi
∆ = perbedaan waktu Dengan mengetahui koefisien konveksi panas ini, arus panas dapat ditentukan untuk penampang dan beda temperatur yang tertentu pada syarat tersebut di atas. Temyata bahwa letak keping yang ada oleh temperaturnya terjadi konveksi panas berarah tegak lurus kepadanya, berhubungan dengan pengaruh gravitasi, akan berpengaruhjuga pada harga koefisien. konveksi ini. Konveksi ada dua macam yaitu sebagai berikut: Dewa Anom Pasmadi
1515021027
18
2.3.1 Konveksi alami
Konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas (free convection), terjadi karena fluida yang karena proses pemanasan berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Radiator panas yang digunakan untuk memanaskan ruang merupakan suatu contoh piranti praktis yang memindahkan kalor dengan konveksi bebas. Gerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida itu gas maupun zat cair terjadi karena gaya apung (bouyancy force) yang dialaminya apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan. Gaya apung itu tidak akan terjadi apabila fluida itu tidak mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi (gaya berat), walaupun gravitasi
bukanlah
satu-satunya
medan
gaya
luar
yang
dapat
menghasilkan arus konveksi bebas. Fluida yang terkurung dalam mesin rotasi mengalami medan gaya sentrifugal, dan karena itu mengalami arus konveksi bebas bila salah satu atau beberapa permukaannya yang dalam kontak dengan fluida itu dipanaskan.
Gambar 2.1 Aliran konveksi bebas di atas plat rata vertikal Dewa Anom Pasmadi
1515021027
19
2.3.2 Konveksi paksa
Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang mana dialirannya tersebut berasal dari luar, seperti dari blower atau kran dan pompa. Konveksi paksa dalam pipa merupakan persolaan perpindahan konveksi untuk aliran dalam atau yang disebut dengan internal flow. Adapun aliran yang terjadi dalam pipa adalah fluida yang dibatasi oleh suatu permukaan. Sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada aliran luar. Sebagai gambaran adalah fenomena perpindahan panas aliran di dalam pipa yang dinyatakan sebagai:
Gambar 2.2 Perpindahan kalor dinyatakan dengan perpindahan suhu limbak
2.4 Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran
Adapun beberapa cara perhitungan perpindahan panas dan laju aliran sebagai berikut: 2.4.1 Kesetimbangan Energi
Aliran di dalam celah adalah tertutup sempurna, maka kesetimbangannya Dewa Anom Pasmadi
1515021027
20
energi dapat digunakan untuk menentukan temperatur fluida yang bervariasi dan nilai total transfer panas konveksi Qconv tergantung dari laju aliran massa. Jika perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan, maka pengaruh yang signifikan adalah perubahan energi thermal dan fluida kerja. Sehingga kesetimbangan energi tergantung pada 3 variabel, yang dapat dirumuskan sebagi berikut.
= ., . ∆ = . , .∆……………...(10) Dimana: Q= laju perpindahan panas (W) mc= aliran massa yang melalui tube (kg/s) mh= aliran massa yang melalui shell (kg/s) Cp= koefisien pepindahan panas (Kj/kg.K) Tc= beda temperatur fluida dingin yang melalui tube (oC)
2.4.2 Bilangan Reynold
Setiap aliran fluida mempunyai nilai bilangan Reynolds yang merupakan pengelompokan aliran yang mengalir, pada plat datar dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 2.3 Daerah aliran lapisan batas plat rata
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
21
Pengelompokan aliran yang mengalir tersebut dapat diketahui dengan bilangan Reynold, sebagai berikut:
= = ………………….….(11) Dimana: Re = Bilangan Reynold
∞ = Kecepatan aliran bebas (m/s) X = Jarak dari tepi depan (m)
Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi bila Re >5.105, untuk aliransepanjang plat rata, lapisan batas selalu turbulen untuk Re 4.10 6. Untuk aliran dalam tabung dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.4 Diagram aliran dalam tabung
Pada aliran dalam tabung, aliran turbulen biasanya pada:
= = Dewa Anom Pasmadi
≥2300 …………………(12)
1515021027
22
Dimana: Re = Bilangan Reynold Um = Kecepatan aliran (m/s) D = diameter (m) (McDonald, 1976).
2.4.3 Bilangan Nusselt dan Bilangan Prandtl Parameter yang menghubungkan ketebalan relative antara lapisan batas hidronamik dan lapisan batas termal adalah maksud dari bilangan Prandtl, bilangan ini dapat ditentukan dengan menggunakan tabel, maupun dengan menggunakan persamaan, seperti berikut ini:
Pr= =
=
…………………..(13)
Dimana: Cp = Panas spesifik (Kj/kg.K) µ = Viskositas fluida (kg/m.s) k = Konduktivitas termal (W/m.K)
Viskositas kinematik fluida memberikan informasi tentang laju difusi momentum dalam fluida karena gerakan molekul. Difusivitas termal memberi petunjuk tentang hal yang serupa mengenai difusi panas dalam fluida. Jadi perbandingan antara kedua kuantitas tersebut menunjukan besaran relatif antara difusi momentum dan difusi panas di dalam fluida. Kedua difusi inilah yang menentukan berapa tebal lapisan batas pada
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
23
suatu medan aliran tertentu. Difusivitas yang besar menunjukan bahwa pengaruh viskos atau pengaruh suhu terasa pada jarak yang lebih jauh dalam medan aliran. Jadi, angka Prandtl merupakan penghubung antara medan kecepatan dan medan suhu. Bilangan Nuselt dirumuskan sebagai berikut:
= P 3 =
………………..(14)
Dimana: Pr = Angka Prandtl Nu = Bilangan Nusselt h = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m 2oC k = Konduktivitas Termal Fluida (W/m oC
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
24
III. METODOLOGI PRAKTIKUM
3.1 Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan pada praktikum radial heat conduction ini adalah sebagai berikut: 1. Unit dasar
Gambar 3.1 Unit dasar
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
25
Tabel 3.1 Spesifikasi unit dasar Barang Dimensi nett Berat bersih Persediaan listrik
Sekering
Suplai air dingin dan limbah yang dibutuhkan
Masukan termokopel Output pemanas dan tampilan
Rincian 650 mm panjang x 480 mm depan ke belakang x 590 mm tinggi 24 kg Fasa tunggal 50 Hz hingga 60 Hz, 100 VAC hingga 120 VAC pada 5 A atau 220 VAC hingga 240 VAC pada 5 A Socket Masuk Utama: 20 mm 6.3 Gerai Tipe F. Keramik untuk Antarmuka VDAS-F: 20 mm 3.15 A Jenis Keramik T Bersihkan pasokan air dingin di antara 5 °C dan 15 °C. Sampah air minum standar. Eksperimen opsional TD1002 Eksperimen transfer panas. Catatan: Jika pasokan air utama Anda hangat (di atas sekitar 15 °C), pertimbangkan untuk menggunakan chiller air untuk memasok air dingin untuk peralatan ini. Jika Anda menggunakan air di atas suhu kamar, Anda mungkin tidak mencapai kesetimbangan termal dalam pengujian Anda. 7 off tipe K dengan resolusi 0,1 °C. Akurasi:+/- 0,3 °C Daya maksimum sekitar 100 W. Resolusi 0.1 W
Tabel 3.2 Eksperimen opsional percobaan konduksi panas radial (TD1002B)
Dimensi netto: 390 mm lebar x 280 mm depan ke belakang x 170 mm tinggi dan 5,3 kg. Bahan disk: Kuningan (tipe CZ121). Diameter 176 mm x 5 mm tebal. Termokopel Posisi: 10 mm radius dengan jarak yang sama
2. Eksperimen konduksi panas radial
Gambar 3.2 Eksperimen konduksi panas radial Dewa Anom Pasmadi
1515021027
26
3. Perangkat keras VDAS
Gambar 3.3 Perangkat keras VDAS
4. Perangkat lunak VDAS
Gambar 3.4 Perangkat lunak VDAS
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
27
5. Menyambungkan ke VDAS
Gambar 3.5 Menyambungkan ke VDAS
3.2 Prosedur Praktikum
Adapun prosedur praktikum yang dilakukan pada praktikum radial heat transfer ini adalah sebagai berikut: 1. Mematikan unit dasar dan saklar pemanasnya. 2. Menempatkan eksperimen ke bagian depan unit dasar. menggunakan sekrup jari untuk menahannya di posisinya. 3. Menghubungkan
pipa
pasokan
air
(jika
eksperimen
Anda
membutuhkannya), kemudian pastikan Anda menghubungkannya dengan cara yang benar, karena ini akan memengaruhi hasil Anda. 4. Menghidupkan pasokan air Anda dan biarkan air melewati eksperimen selama beberapa menit sambil memeriksa kebocoran. 5. Menghubungkan termokopel dari percobaan ke soket pada unit dasar (mencocokkan nomor yang benar), kemudian menyambungkan kabel pemanas dari percobaan ke soket pada unit dasar.
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
28
6. Mengakktifkan unit dasar, kemudian memutar kontrol pemanas ke minimum dan menyalakan pemanas. 7. Buat tabel hasil kosong, mirip dengan Tabel 3.3. Jika Anda memil iki VDAS, pilih eksperimen yang benar. Perangkat lunak ini akan membuat tabel untuk Anda secara otomatis saat Anda mulai membaca. Tabel 3.3 Tabel hasil kosong Percobaan: suhu lingkungan: Daya(W)
Jarak dari (m)
(°K) (°K) (°K) (°K) (°K) 6(°K) 7(°K)
8. Megunakan termometer yang akurat untuk memeriksa suhu udara lokal untuk referensi. 9. Membuka katup saluran keluar air untuk memulai aliran air, kemudian nyalakan pemanas dan setel ke daya. 10. Tunggu hingga suhu stabil dan kemudian catat
sampai 7.
11. Sebagai perbandingan, ulangi pengujian pada satu atau lebih kekuatan pemanas lebih besar dari 30 W. 12. Matikan pemanas dan suplai air.
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
29
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Praktikum
Adapun data hasil percobaan yang diperoleh setelah melakukan praktikum radial heat conduction ini dapat dilihat pada tabel dibawah ini: Tabel 4.1 Hasil percobaan radial heat conduction Time (s)
Ambient
Heater
Temperature Power
T
T
T
T
T
T6
T7
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(W)
0.0
20.0
29.9
41.0
39.0
36.6
34.7
33.4
33.2
31.0
5.0
20.0
29.9
41.1
39.1
36.7
34.8
33.4
33.2
31.0
10.0
20.0
29.9
41.1
39.1
36.7
34.8
33.5
33.2
31.0
15.0
20.0
29.9
41.2
39.2
36.8
34.9
33.5
32.3
31.0
20.0
20.0
29.9
41.3
39.3
36.8
34.9
33.5
32.3
31.1
25.0
20.0
29.9
41.3
39.3
36.9
35.0
33.6
32.3
31.1
30.0
20.0
29.9
41.4
39.4
37.0
35.0
33.6
32.4
31.1
35.0
20.0
29.9
41.5
39.5
37.0
35.1
33.6
32.4
31.2
40.0
20.0
29.9
41.6
39.6
37.1
35.1
33.7
32.4
31.2
45.0
20.0
30.0
41.6
39.6
37.1
35.2
33.7
32.4
31.2
Tabel tersebut didapatkan setelah melakukan percobaan dengan interval waktu 5 s dan dilakukan dengan 10 kali pembacaan. Kemudian dari data diatas, dipilih
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
30
data pembacaan ke-6 sebagai sampel untuk perhitungan karena dianggap data yang paling steady atau stabil diantara yang data pembacaan lainnya, berikut ini merupakan tabel data dari hasil perhitungan:
Tabel 4.2 Data hasil perhitungan Titik No
1
2
3
4
5
6
7
Konduktivitas 192,95 149,93 138,42 135,79 132,479 129,35 T teoritis (°C) 41,1
38,46
36,59
35,14
33,96
32,96
32,09
Kemudian dari tabel data hasil perhitungan tersebut dibuat grafik pengaruh jarak terhadap temperatur eksperimental terhadap temperatur seperti berikut. Pengaruh jarak terhadap temperatur eksperimental ) C ° ( l a t n e m i r e p s k e r u t a r e p m e T
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
20
40
60
80
100
Jarak dari pusat cakram (mm)
Gambar 4.1 Grafik pengaruh jarak terhadap temperatur eksperimental
Setelah didapatkan grafik pengaruh temperatur eksperimental terhadap jarak kemudian selanjutnya dibuat grafik pengaruh jarak terhadap temperatur teoritis
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
31
terhadap temperatur seperti berikut. Pengaruh jarak terhadap temperatur teoritis 45
) C 40 ° ( 35 s i t i r 30 o 25 e t r 20 u t a r 15 e p 10 m e 5 T 0 0
20
40
60
80
100
Jarak dari pusat cakram (mm)
Gambar 4.2 Grafik pengaruh jarak terhadap temperatur teoritis
Dari kedua grafik pengaruh jarak terhadap temperatur eksperimental dan teoritis tersebut tidak terlihat perbedaan yang signifikan diantara keduanya.
4.2 Pembahasan
Praktikum dilakukan dengan aplikasi VDAS dengan menggunakan power atau daya 30 watt dengan 10 kali pembacaan data setiap 5 detik. Terdapat tujuh t itik
7) dimana pada setiap titik tersebut diberi termokopel untuk mengukur temperatur permukaan dari cakram. Jarak antara tujuh titik ( -7 ) berturut( -
turut adalah 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm dan 80 mm. Dari data perhitungan yang dilakukan pada hasil pembacaan data ke-6 yang steady,
− = 192,95 W/mK, − = 149,93 W/mK, − = 138,42 W/mK, − = 135,79 W/mK, −6 = 132,479 W/mK, diperoleh nilai konduktivitas termal yaitu
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
32
6−7 = 129,35 W/mK. Dari hasil tersebut dapat kita lihat perbedaan nilai konduktivitas termal cakram, cakram yang memiliki material dan ketebalan yang sama harusnya memiliki konduktivitas termal yang sama. Oleh sebab itu, untuk
menghitung
temperatur
teoritis
yang
memerlukan
satu
nilai
konduktivitas termal, maka dilakukan pengambilan nilai rata-rata dari keenam nilai tersebut dan diperoleh hasil
− = 146,48 W/mK.
Setelah didapatkan nilai konduktivitas rata-rata kemudian nilai tersebut digunakan untuk mencari temperatur teoritis permukaan cakram pada tujuh
7). Untuk nilai digunakan nilai eksperimental sebagai patokan
titik ( -
untuk menghitung nilai temperatur teoritis di titik yang lainnya. Setelah
= 38,46°C, 7 = 32,09°C.
dilakukan perhitungan didapatkan hasil temperatur teoritis yaitu
= 36,59°C, = 35,14°C, = 33,96°C, 6 = 32,96°C,
Kemudian nilai tersebut dibuat grafik seperti yang terlihat pada gambar 4.1 dan gambar 4.2 yang menunjukan hubungan antara pengaruh jarak terhadap temperatur teoritis dan eksperimental. Pengaruh jarak terhadap temperatur 45 40
) 35 C ° ( 30 r u 25 t a r 20 e p m15 e T10
5 0 0
20
40
60
80
100
Jarak dari usat cakram mm Gambar 4.3 Grafik hubungan jarak dan temperatur Dewa Anom Pasmadi
1515021027
33
Grafik diatas merupakan gabungan dari garfik pengaruh jarak terhadap temperatur eksperimental dan temperatur teoritis. Dari grafik diatas dapat dilihat hubungan temperatur dengan jarak titik ukur temperatur dari pusat sumber panas yang menunjukan bahwa jarak berbanding terbalik dengan temperatur. Semakin jauh jarak titik dari sumber panas maka temperatur titik tersebut akan lebih kecil dibandingkan dengan temperatur titik yang lebih dekat. Hal tersebut terjadi karena panas akan membutuhkan waktu yang lebih untuk mencapai titik tersebut. Selain itu dari grafik juga tidak menunjukkan bentuk garis linear, hal itu terjadi karena konduksi panas pada bidang radial berbeda dengan konduksi pada batang lurus pada umumnya. Panas yang mengalir pada permukaan radial juga lebih sulit dan membutuhkan waktu yang lama untuk mencapai titik terjauh.
Dewa Anom Pasmadi
1515021027
