Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu di antara dua tempat yang berbeda. Bahasan utama dalam perpindahan panas ialah cara energi di dalam panas dapat berpindah tempat dan laju perpindahannya dalam kondisi tertentu.[1] Perpindahan panas meliputi proses pemasukan dan pengeluaran panas. Dalam proses industri, perpindahan panas digunakan untuk mencapai suhu yang diperlukan dalam proses industri dan mempertahankan suhu yang dibutuhkan selama proses berlangsung.[2] Perpindahan panas dari suatu benda ke benda lainnya dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Penentu terjadinya perpindahan panas ialah adanya perbedaan suhu. Arah perpindahan panas dimulai dari media dengan suhu tinggi menuju ke media dengan suhu yang lebih rendah. Perpindahan panas dapat terjadi dengan satu proses tunggal maupun proses ganda.[3]

Besi panas memindahkan panas ke lingkungannya melalui radiasi termal

MekanismeSunting

 
Simulasi konveksi termal di mantel bumi. Warna berkisar dari merah dan hijau ke biru dengan penurunan suhu. Lapisan batas bawah yang panas dan kurang padat mengirimkan gumpalan material panas ke atas, dan material dingin dari atas bergerak ke bawah.
 
Intensitas radiasi termal gelombang panjang bumi dari awan, atmosfer, dan litosfer.

Bentuk-bentuk dasar perpindahan massa adalah:

Konduksi atau difusi
Perpindahan energi antara objek yang mengalami kontak fisik dengan sumber panas. Konduksi termal adalah pertukaran mikroskopis langsung dari energi kinetik partikel melalui batas antara dua sistem. Ketika suatu objek memiliki temperatur yang berbeda dari benda atau lingkungan di sekitarnya, panas mengalir sehingga keduanya memiliki temperatur yang sama pada suatu titik kesetimbangan termal. Perpindahan panas secara spontan terjadi dari tempat bertemperatur tinggi ke tempat bertemperatur rendah, seperti yang dijelaskan oleh hukum kedua termodinamika.
Konveksi
Perpindahan energi antara sebuah objek dengan lingkungannya karena adanya pergerakan fluida yang berasal dari sumber panas. Konveksi terjadi ketika aliran bahan curah atau fluida (gas atau cairan) membawa panas bersama dengan aliran materi. Aliran fluida dapat terjadi karena proses eksternal, seperti gravitasi atau gaya apung akibat energi panas mengembangkan volume fluida. Konveksi paksa terjadi ketika fluida dipaksa mengalir menggunakan pompa, kipas, atau cara mekanis lainnya.
Adveksi
Perpindahan energi dari satu lokasi ke lokasi lain sebagai efek samping dari objek berenergi yang bergerak.
Radiasi
Radiasi termal terjadi melalui ruang vakum atau medium transparan. Energi ditransfer melalui foton dalam gelombang elektromagnetik.[4] Perpindahan energi dari atau ke objek akibat pelepasan atau penyerapan radiasi elektromagnetik serta tidak harus melakukan kontak fisik dengan sumber panas.

KonduksiSunting

Pada skala mikroskopik, konduksi panas muncul sebagai "rasa panas", atom yang bergetar atau berpindah sedemikian cepat berinteraksi dengan atom dan molekul sekelilingnya sehingga memindahkan sejumlah energi mereka ke partikel di sekelilingnya. Dengan kata lain, panas dipindahkan dengan konduksi ketika atom yang saling berdampingan menggetarkan satu sama lain, atau ketika elektron berpindah dari satu atom ke atom lain. Konduksi adalah bentuk perpindahan panas paling umum pada benda padat pada kontak termal. Fluida-terutama gas-kurang konduktif. Konduktansi kontak termal adalah studi konduksi panas antara benda padat yang saling bersentuhan.[5]

Konduksi steady state (lihat hukum Fourier) adalah bentuk konduksi yang terjadi ketika perbedaan temperatur yang terjadi pada konduksi berlangsung spontan, maka setelah waktu kesetimbangan, distribusi spasial temperatur pada benda terkonduksi tidak berubah-ubah lagi.[6] Pada konduksi steady state, jumlah panas yang memasuki suatu bagian sama dengan jumlah panas yang keluar.[5]

Konduksi transient (lihat persamaan panas) muncul ketika temperatur objek berubah sebagai fungsi waktu. Analisis pada sistem transient lebih kompeks dan sering dipakai untuk aplikasi dari analisis numerik oleh komputer.[5]

KonveksiSunting

Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida.[7] Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas.

Konveksi bebas muncul ketika gerak fluida disebabkan oleh gaya apung yang berasal dari perbedaan massa jenis akibat perbedaan temperatur di dalam fluida. Konveksi tak bebas adalah istilah yang digunakan ketika aliran di dalam fluida diinduksi oleh benda eksternal, seperti kipas, pengaduk, dan pompa, sehingga menyebabkan konveksi induksi buatan.[8]

Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada lapisan fluida di sekitar permukaan padatan. Persamaan hukum Newton dapat diterapkan pada perhitungan. Prinsip yang berlaku ialah bahwa perpindahan panas konveksi berbanding lurus dengan perbedaan suhu.[9] Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya. Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi ("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku.

RadiasiSunting

Radiasi termal adalah energi yang dilepaskan oleh benda sebagai gelombang elektromagnetik, karena adanya tumpukan energi termal pada semua benda dengan suhu di atas nol mutlak.[10] Perpindahan panas radiasi dapat berlangsung dalam ruang hampa udara tanpa media apapun. Panas dipindahkan dari sebuah benda dengan suhu yang relatif tinggi ke benda lain dengan suhu yang lebih rendah dengan melintasi ruang. Perpindahan panas secara radiasi tidak memerlukan kontak molekuler. Besarnya energi panas yang berpindah ditentukan oleh besarnya perbedaan suhu antara kedua benda dan karakteristik permukaan masing-masing benda.[11]

Radiasi dari matahari dapat digunakan untuk panas dan tenaga listrik.[12] Tidak seperti konduksi dan konveksi, radiasi termal dapat dikumpulkan di sebuah titik kecil menggunakan kaca pemantul, kemudian dimanfaatkan untuk pembangkit listrik solar.[13]

Radiasi termal muncul sebagai akibat perpindahan acak dari atom dan molekul benda. Karena atom dan molekul ini terdiri dari partikel bermuatan (proton dan elektron), pergerakan mereka menghasilkan pelepasan radiasi elektromagnetik yang membawa energi.

KegunaanSunting

Pengawetan dalam suhu tinggiSunting

Ilmu tentang perpindahan panas digunakan pada pengolahan pangan yang menggunakan suhu tinggi. Pengolahan pangan memanfaatkan panas dengan suhu lebih tinggi dari suhu kamar (20–30 oC). Pada pengolahan pangan, perrpindahan panas dapat terjadi di dalam bahan pangan atau di bagian luar yang menuju ke bahan pangan. Perpindahan panas diperlukan di sebagian besar proses pengolahan pangan. Bentuk perpindahan panas pada bahan pangan meiputi pemberian panas ke dalam bahan maupun pengambilan panas dari dalam bahan. Pengolahan pangan dengan menggunakan suhu tinggi bertujuan untuk memperpanjang masa simpan satu jenis pangan. Pada pangan yang disimpan secara beraneka ragam, perpindahan panas bertujuan untuk mengawetkan bahan pangan.[14]

Kerja manometerSunting

Manometer dapat bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas yang kemudian menghasikan tekanan atau kondisi vakum. Di dalam ruang vakum ada tiga daerah yang mempengaruhi perpindahan panas. Daerah pertama merupakan daerah dengan tekanan udara yang sangat rendah atau vakum tinggi maupun sangat tinggi. Daerah kedua merupakan daerah vakum sedang. Sedangkan daerah ketiga adalah daerah tekanan tinggi, vakum rendah, maupun sangat rendah atau menyerupai tekanan atmosfer. Daerah kedua sangat dipengaruhi oleh tekanan dari perpindahan panas. Daerah kedua merupakan daerah kerja manometer yang prinsip kerjanya didasarkan pada perpindahan panas, yaitu manometer termokopel, manometer pirani dan manometer konvektron. Pada daerah pertama, sebagian besar laju perpindahan energi terjadi secara radiasi. Pancaran energi berasal dari permukaan panas dari sensor ke permukaan dingin dari dinding bagian dalam rumah manometer. Hai ini karena pada vakum tinggi, kerapatan molekul/atom sangat rendah dan jumlah molekul/atom yang bergerak secara molekular sangat rendah.[15]

Perpindahan energi melalui molekul/atom yang bergerak secara molekular mengalami benturan pada permukaan sensor dan menghantarkan panas ke permukaan dingin dengan jumlah yang sangat sedikit. Benturan ini mengakibatkan laju perpindahan panas mengalami konduksi dan radiasi dengan kecepatan yang sangat rendah, Pada daerah kedua, molekul/atom molekul mengalami perubahan bentuk dan perubahan struktur molekul. Molekul berubah dari kondisi kental ke kondisi molekular, sehingga kerapatan molekul/atom cukup tinggi dan jumlah molekul/atom yang memindahkan energi dari permukaan sensor ke permukaan dingin melalui gerakan molekular yang cukup tinggi. Laju perpindahan panas pun meningkat cukup besar secara konduksi.[16] Pada daerah ketiga, kondisi tekanan tinggi atau vakum sangat rendah. Gas berada pada kondisi kental dengan gerakan molekul/atom berpola laminer atau turbulen. Perpindahan panas terjadi secara konveksi. Prinsip kerja perpindahan panas membuat manometer mempunyai kepekaan pada daerah kedua. Melalui perpindahan panas, rentang pengukuran dengan nilai yang baik dapat diperoleh. Nilai kevakuman ini berkisar antara 1 Torr hingga mencapai orde 10-4 Torr.[17]

Lihat pulaSunting

ReferensiSunting

  1. ^ Jamaluddin 2018, hlm. 5.
  2. ^ Jamaluddin 2018, hlm. 5-6.
  3. ^ Jamaluddin 2018, hlm. 6.
  4. ^ Geankoplis, Christie John (2003). Transport processes and separation process principles: (includes unit operations) (edisi ke-4th ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall Professional Technical Reference. ISBN 0-13-101367-X. 
  5. ^ a b c Abbott, J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. (2005). Introduction to chemical engineering thermodynamics (edisi ke-7th ed.). Boston ; Montreal: McGraw-Hill. ISBN 0-07-310445-0. 
  6. ^ "Thermal-FluidsPedia | Heat conduction".
  7. ^ Çengel, Yunus (2003). Heat Transfer: a practical approach. McGraw-Hill series in mechanical engineering. (edisi ke-2nd). Boston: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-245893-0. OCLC 300472921. Diakses tanggal 2009-04-20. 
  8. ^ "Convection — Heat Transfer". Engineers Edge. Engineers Edge. Diakses tanggal 2009-04-20. 
  9. ^ Utami dan Azhar 2017, hlm. 59.
  10. ^ "Thermal-FluidsPedia | Radiation"
  11. ^ Utami dan Azhar 2017, hlm. 62.
  12. ^ Mojiri, A., Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 28, December 2013, Pages 654–663
  13. ^ Taylor, R.A., Applicability of Nanofluids in High Flux Solar Collectors JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY 3, 023104, 2011
  14. ^ Sobari, E., dan Tim Agrotekuin13 (2019). Dasar-dasar Proses Pengolahan Bahan Pangan (PDF). Subang: Polsub Press. hlm. 45. ISBN 978-602-527-654-5. 
  15. ^ Suprapto dan Widodo 2017, hlm. 62.
  16. ^ Suprapto dan Widodo 2017, hlm. 62-63.
  17. ^ Suprapto dan Widodo 2017, hlm. 63.

Daftar pustakaSunting

  1. Jamaluddin (2018). Perpindahan Panas dan Massa pada Penyangraian dan Penggorengan Bahan Pangan (PDF). Makassar: Badan Penerbit Universitas Negeri Makassar. ISBN 978-602-5554-54-4. 
  2. Suprapto dan Widodo, S. (2017). Pengenalan Teknologi Vakum (PDF). Yogyakarta: Pustaka Pelajar. ISBN 978-602-229-765-9. 
  3. Utami, H., dan Azhar (2017). Transfer Massa dan Panas (PDF). Bandar Lampung: Tekkim Publishing. ISBN 978-979-9809-55-1. 

Bahan bacaan terkaitSunting

Pranala luarSunting