Teman-teman semuanya, mari kita lihat topik pertama dari mata kuliah perpindahan panas ini, yaitu pengenalan perpindahan panas. Ini daftar isi dari topik atau obat pertama, nanti kita akan melihat tentang apa itu perpindahan panas, apa itu panas, kemudian bagaimana mekanisme perpindahan dari panas itu, jadi mekanisme fisik dari perpindahan panas itu. Kemudian kita juga akan lihat hubungan antara perpindahan panas ini dengan hukum pertama termodinamika. Hukum pertama termodinamika itu hukum kelestarian energi. Terus nanti kita akan lihat sepintas tentang satuan dan dimensi yang akan kita gunakan di perpindahan panas ini.
Terus kemudian berikutnya adalah metode analisis. Sama seperti ketika kita membahas cara menyelesaikan soal di termodinamika. Di mata kuliah perpindahan panas ini juga ditunjukkan metode analisis untuk menyelesaikan suatu soal. Terus yang terakhir kita akan melihat apa relevansi dari perpindahan panas itu.
Di pelajaran termodinamika kita telah mempelajari bagaimana suatu sistem berinteraksi dengan lingkungan dan interaksi ini adalah dalam bentuk transfer energi. Dan juga kita pelajari bahwa energi itu lestari tetapi dapat ditransfer dalam bentuk kerja atau panas. Juga kita telah tunjukkan bahwa termodinamika itu berhubungan dengan kondisi awal dan kondisi akhir suatu proses.
Jadi biasanya kita tidak memperdulikan apa yang terjadi antara dua titik awal dan titik akhir ini. Mata kuliah perpindahan panas ini memperluas analisis termodinamika, yaitu melalui studi metode-metode atau tipe-tipe mode-mode perpindahan panas, kemudian juga melakukan pengembangan hubungan-hubungan untuk menghitung laju perpindahan panas. Jadi di perpindahan panas ini akan dipelajari detail proses interaksi antara sistem dengan lingkungan.
khususnya transfer energi dalam bentuk panas. Oke, pertama kita lihat apa itu panas, apa itu heat. Panas itu adalah energi, atau di sini juga bisa disebut energi thermal, yang ditransfer karena adanya perbedaan temperatur antara dua posisi, dua tempat.
Jadi di mana ada perbedaan temperatur di dalam suatu medium yang posisinya berbeda, maka di situ akan terjadi perpindahan panas. Untuk menjelaskan secara sederhana dari perpindahan panas ini, Anda bisa lihat gambar di bawah ini. Bisa kita mulai dari gambar sebelah kiri.
Di sini kita mempunyai sistem. Terus di sebelah kiri dari sistemnya itu mempunyai temperatur T1, di sebelah kanannya mempunyai temperatur T2. Nah, di sini sistemnya ini bisa dalam bentuk solid, jadi zat padat, ataupun fluida yang diam.
Fluida ini bisa gas, bisa liquid, cairan. Ketika ada perbedaan temperatur antara sebelah kiri dengan sebelah kanan. maka akan ada perpindahan panas. Untuk perpindahan panas di dalam suatu medium Z padat atau liquid atau solid yang diam, itu kita menyatakan perpindahan panas ini sebagai perpindahan panas konduksi.
Kemudian bergerak ke sebelah kanan di tengah, ini adalah metode perpindahan panas antara permukaan, jadi permukaan yang mempunyai temperatur Ts ini, Dengan suatu fluida yang bergerak. Fluida di sini sekali lagi bisa liquid, bisa gas. Perpindahan panas yang terjadi antara permukaan dengan fluida yang bergerak.
Bergeraknya bisa kecepatan besar sekali ataupun kecepatan mendekati 0. Perpindahan panas antara permukaan dari Z padat ini. Dengan fluida yang bergerak, itu merupakan bendaan panas jenis konveksi. Di contoh ini, ditunjukkan bahwa Ts, temperatur dari permukaan yang berkontak dengan fluida, itu lebih tinggi dibanding dengan temperatur dari fluidanya.
Ts lebih tinggi dibanding T infinity ini, yang merupakan T dari fluida. Karena Ts itu lebih tinggi dibanding T dari fluida, maka perpindahan panasnya adalah dari permukaan menuju ke fluida. Terlambangkan oleh Q dengan T. Dua tanda peti ini. Dan bergerak lagi ke sebelah kanan, ini adalah metode perpindahan panas jenis radiasi.
Di sini seperti kita ketahui bahwa setiap permukaan yang mempunyai temperatur tertentu, maka dia akan mengemisikan atau memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Di sini, Dua permukaan ini mempunyai temperatur T1 dan T2. Ketika di antara dua permukaan ini tidak ada suatu medium, maka terjadi perpindahan panas dalam bentuk radiasi antara dua permukaan itu.
Sekali lagi, di sini kita ketahui bahwa ada tiga jenis perpindahan panas. Pertama adalah perpindahan panas jenis konduksi. Jenis konduksi ini terjadi di dalam suatu medium, baik itu zat padat, zat cair, maupun gas. Ini penting sekali saya tekankan, karena sering sekali kita misleading tentang perpindahan panas jenis konduksi ini melalui gas. Jadi, beberapa orang atau secara jama'mengatakan bahwa tidak ada perpindahan panas konduksi di dalam gas.
Ini tidak benar. Jadi tetap ada perpindahan panas secara konduksi di dalam gas. Nah kenapa tidak sepopuler konduksi di dalam zat padat maupun zat liquid? Karena perpindahan panas secara konduksi di dalam gas, medium gas itu biasanya kecil sekali dan sering sekali diabaikan. Kemudian perpindahan panas yang kedua adalah perpindahan panas jenis konveksi, yaitu antara permukaan suatu zat padat.
dengan fluida yang mengalir dan bersentuhan dengannya. Kemudian yang ketiga adalah perpindahan panas jenis radiasi antara dua permukaan yang berbeda temperatur, yang diantaranya tidak ada zat atau medium. Berikutnya, mari kita lihat mekanisme fisik.
dan persamaan laju. Sekarang kita lihat lebih dekat tentang perpindahan panas jenis konduksi. Perpindahan panas jenis konduksi ini itu lebih diasosiasikan dengan aktivitas atomik dan molekuler di dalam suatu medium yang bersangkutan. Nah, di sini Konduksi itu dapat dipandang sebagai transfer energi dari partikel yang lebih enerjik ke partikel yang kurang enerjik dari suatu zat karena interaksi di antara partikel-partikel itu.
Sekarang mari kita lihat mekanisme fisik dari perpindahan panas jenis konduksi ini. Anda lihat gambar di bawah ini itu menunjukkan suatu sistem. Dimana dia mengandung suatu medium gas. Kita ambil contoh di sini mediumnya gas.
Terus medium gas ini mendiami suatu ruang yang dibatasi oleh dua batas. Batas atas itu mempunyai temperatur T1 yang lebih besar dibanding batas bawah T2. Nah di sini.
Kita asumsikan bahwa gasnya ini tidak bergerak, jadi tidak ada gerakan gas secara makro, jadi tidak ada kecepatan. Jadi kalau Anda lihat gasnya itu diam. Meskipun secara atomik akan ada gerakan dari molekul-molekul penyusun gas ini, gerakan ini bisa gerakan translasi yang random.
Bisa juga gerakan rotasi maupun gerakan vibrasi. Ketika kita melihat temperatur di suatu tempat, jadi kita bisa ambil any place, sebarang tempat di sini, saya ambil misalnya di titik sini. Itu temperatur di titik yang bersangkutan itu. Berasosiasi dengan energi dari molekul di daerah itu. Semakin tinggi temperatur, itu semakin tinggi pula energi dari molekul di daerah tersebut.
Nah, ketika molekul-molekul itu bergerak, maka akan ada kemungkinan molekul itu bertabrakan dengan molekul-molekul di samping-sampingnya, di sekitarnya. Nah, ketika ada tabrakan itu, maka... akan terjadi transfer energi dari molekul yang lebih energi ke molekul yang kurang energi. Ketika ada temperatur gradient atau ada perbedaan temperatur antar dua posisi, maka akan ada perpindahan panas konduksi dari arah yang temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya lebih rendah.
Dan ini bisa terjadi meskipun jika tidak ada tabrakan antarmolekul itu. Jadi ketika ada perbedaan temperatur, maka akan ada transfer panas dalam bentuk konduksi. Mari kita lihat sekarang garis putus-putus di tengah. Ini bisa dianggap sebagai suatu permukaan atau plane. Suatu permukaan secara hipotesis.
Jadi, tidak sebetulnya ini permukaannya permukaan imajinar, tapi bisa kita pakai di sini untuk menjelaskan lebih detail tentang perpindahan jenis kondisi ini. Di permukaan yang dilampangkan oleh garis putus-putus ini, maka partikel-partikel itu bisa saling melewatinya. Jadi, partikel dari atas bisa bergerak ke bawah melewati. Permukaan X0 ini, seperti kita ketahui, partikel yang di bagian atas ini mempunyai temperatur lebih tinggi sehingga energinya lebih besar. Terus kemudian partikel yang di bawah itu juga bisa bergerak ke atas melewati darah X0 ini.
Karena gerakan partikel yang melewati X0 ini, maka akan ada energi net yang arahnya ke bawah. Karena apa? Karena partikel yang di atas itu mempunyai energi lebih besar. dibanding partikel yang ada di bawah. Sehingga di sini bisa kita lihat bahwa karena adanya perbedaan temperatur antara posisi di atas dengan posisi di bawah, akan ada perpindahan panas sebesar Q tanda ini, dua petik ini, Q ini yang arahnya ke bawah.
Nah, ketika ada Tabrakan dari molekul-molekul ini, maka itu akan bisa memperkuat perpindahan panas jenis konduksi. Nah, sekali lagi, temperatur yang tinggi itu berasosiasi dengan energi molekul yang tinggi pula. Di slide sebelumnya, itu adalah ditunjukkan untuk case di mana mediumnya zat gas.
Jadi fasanya gas. Tapi situasi itu juga berlaku untuk fasa zat yang lain, misalnya fasa cair. Fasa cair pun juga mengalami proses fisik yang sama ketika terjadi perpindahan panas secara konduksi.
Hanya di sini karena zatnya cair, maka molekul penyusun zat cair itu lebih rapat, sehingga mempunyai interaksi molekuler yang lebih kuat dan sering. Mekanisme yang sedikit berbeda itu terjadi pada medium padat. Di sini perpindahan panas konduksi itu dihubungkan dengan aktivitas atomik dalam bentuk getaran kisi atau lattice vibration. Misalnya, kalau zat padatnya itu jenis non-konduktor secara elektrik, maka transfer panasnya atau transfer energinya itu ya hanya karena getaran dari kisinya ini, jadi dari lattice vibration ini. Tetapi untuk kasus serpadatnya itu jenis konduktor secara elektrik, jadi bisa menghantarkan listrik, maka transfer energi dalam bentuk konduksi ini juga karena gerakan dari elektron-elektron bebasnya.
Slide ini menunjukkan berbagai contoh jenis perpindahan panas secara konduksi. Gambar yang atas kiri ini Anda bisa lihat. Seseorang memegang cangkir berisi kopi panas dengan harapan tangannya lebih hangat. Di sini ada perpindahan panas antara kopi yang temperaturnya tinggi itu, kemudian panasnya masuk melewati cangkirnya, cangkirnya mempunyai ketebalan tertentu.
Jadi perpindahan panas di dalam medium cangkir yang padat itu adalah jenis konduksi. Kalau tangannya itu dipegang erat ke dalam cangkir, maka perpindahan panasnya semakin besar di situ. Itu pun juga jenis konduksi, meskipun nanti kita bisa pelajari akan ada tahanan kontak antara cangkir dengan tangan.
Di dalam tangan, itu yang menerima panas pertama kali kan kulit dari tangan. Ketika panas itu masuk ke dalam, itu perpindahan panasnya juga secara konduksi. Kemudian di bagian bawah kiri ini juga contoh perpindahan panas jenis konduksi ketika panas itu melewati zat padat.
Ini adalah alat masaknya ini. Kemudian jenis panas konduksi itu juga bisa kita lihat di dalam suatu tungku. Nanti ada beberapa soal yang berhubungan dengan tungku pemanas.
Jadi perpindahan panas di dalam suatu tungku. terutama di dalam dindingnya, itu terjadi secara konduksi. Kemudian di gambar atas, sebelah kanan, ini menunjukkan skema ada lilin, terus tangannya megang suatu metal, ini logam, terus kalau metal ini ditaruh di dekat api dari lilin ini, suatu saat nanti tangan kita akan terasa panas, karena ada perpindahan panas secara konduksi.
di dalam ini lapisan logam yang dipegang ini terus di tengah ini contoh aplikasi atau contoh perhitungan perpindahan panas yang juga mengaplikasikan jenis konduksi ini tunjukkan temperatur dari suatu intake atau exhaust manifold ini perpindahan panas dari gas ke dalam intake manifold ini secara konveksi nanti kita akan lihat tapi di dalam Dinding manifold sendiri itu adalah jenis konduksi. Dan yang bagian bawah ini menunjukkan temperatur dari suatu engine block. Perpindahan panas di dalam engine block, di dalam mediumnya, di bagian solidnya itu juga terjadi secara konduksi. Jadi banyak sekali contoh-contoh perpindahan panas secara konduksi yang bisa kita jumpai di bidang engineering.
Sekarang mari kita lihat penurunan atau perhitungan perpindahan panas secara konduksi ini. Dalam menghitung perpindahan panas jenis konduksi ini, maka akan digunakan persamaan yang namanya persamaan laju atau rate equation. Untuk perpindahan panas jenis konduksi ini digunakanlah yang namanya ini, persamaan Fourier.
Anda perhatikan gambar di sebelah kiri bawah, ini menunjukkan suatu sistem padatan, terus dia mempunyai ketebalan L, di sebelah kiri dia mempunyai temperatur T1, di sebelah kanan temperaturnya itu T2, lebih rendah dibanding temperatur di sebelah kiri, sehingga secara... Intuitif kita bisa melihat di sini akan ada perpindahan panas yang arahnya dari kiri ke kanan ini. Dari kiri ke kanan ini, Q. Q dengan dua tanda petik ini. Untuk dinding yang satu dimensi, itu artinya kita hanya mempertimbangkan perpindahan panas satu arah.
Jadi dari kiri ke kanan. Kita bisa mengabaikan perpindahan panas yang misalnya masuk ke... screen ke monitor ini, maupun perpindahan panas yang arahnya ke atas.
Sekali lagi, di sini kita hanya mengasumsikan perpindahan panas satu arah, satu dimensi, yaitu horizontal, searah dengan sumbu X ini. Untuk dinding satu dimensi dengan temperatur distribusi TX, temperatur distribusi TX-nya ini diunjukkan di dalam ini, itu perpindahan panasnya. bisa dihitung mengikuti hukum foye atau persamaan foye ini. Ini dengan persamaan 1.1. Di sini bahwa perpindahan panasnya itu sama dengan minus K kali DT per DX.
K ini adalah thermal conductivity dari mediumnya atau konduktivitas thermal dari medium itu. Nanti kita pelajari lebih detail apakah K itu dan bagaimana konsekuensinya dan seterusnya. Jadi Q. Itu sama dengan minus K kali dt per dx.
Dt per dx ini disebut sebagai gradient temperatur terhadap sumbu X. Sekarang mari kita lihat dt per dx ini. Dt per dx, kalau kita asumsikan Tx-nya ini linier, Anda perhatikan gambar sebelah kiri bawah ini ada garis lurus warna merah itu. Itu merupakan...
Temperatur distribusi. Kalau kita asumsikan bahwa distribusi temperatur di dalam medium ini linier, maka gradient temperatur terhadap dx itu bisa dihitung dengan persamaan ini. Jadi dt per dx itu sama dengan T2 minus T1 dibagi dengan dx.
Dx-nya itu ya, ketebalannya itu L. Untuk sederhananya, DT itu kan perbedaan temperatur. Jadi di sini ya perbedaan temperatur antara kanan dengan yang kiri.
Jadi yang akhir dikurangi dengan yang awal. T2 dikurangi T1. Dibagi dengan DX.
DX-nya ya jarak itu yang misalkan antara T1 dengan T2, yaitu L besar ini. Jadi di sini DT per DX itu sama dengan T2 minus T1 dibagi L. Sekarang kalau kita substitusi dt per dx dengan persamaan tadi, saya taruh lagi di bagian atas ini. Kita masukkan ke persamaan Q-nya, maka kita akan mendapatkan persamaan ini.
Q itu sama dengan minus K kali T2 dikurangi T1 dibagi L. Sekarang Anda perhatikan T2 dikurangi T1. dibagi L itu bernilai negatif. Karena sekali lagi T2-nya lebih kecil dibanding T1.
Sementara arah dari perpindahan panas itu selalu bergerak dari temperatur tinggi ke temperatur yang rendah. Inilah kenapa ada tanda negatif di sini. Untuk mengkomensasi gradien temperatur yang negatif itu, karena kita ingin Q-nya itu positif, Q yang arah. yang dari kiri ke kanan ini kita pengennya positif, didapatlah ini persamaan 1.2.
Kalau Anda tukar posisi T1 dengan T2, maka tanda negatifnya akan hilang. Perpindahan panasnya itu diformulasikan dengan persamaan 1.2. Itu sama dengan K kali T1 minus T2 dibagi dengan L, atau K kali delta T dibagi dengan L. Q dengan 2 tanda petik ini merupakan fluke panas, artinya ini adalah laju perpindahan panas persatuan luas.
Untuk menghitung laju perpindahan panas totalnya, itu ya dikalikan dengan A, ketemulah ini QX, 2 tanda petiknya kita hilangkan, QX sama dengan QX, 2 tanda petik dikalikan dengan A. A-nya ini adalah luas penampang yang tegak lurus terhadap arah dari Q. Jadi kalau Anda perhatikan di gambar, itu berarti A-nya itu adalah ini, jarak antara, saya kasih titik ini ya, titik A.
Jarak antara titik A dengan B dikalikan dengan ini. Jarak dari A misalnya menuju ke C di sini. Jadi A di sini.
Itu sama dengan panjang dari AB dikalikan dengan panjang dari AC. Oke, sekarang mari kita lihat contoh sederhana ini. Diketahui suatu dinding dari tungku industri itu terbuat dari Fire clay brick, ini batu bata jenis tanah liat, tapi tahan terhadap temperatur tinggi.
Mempunyai ketebalan 0,15 meter. Jadi suatu tungku mempunyai dinding yang terbuat dari batu bata jenis tanah liat itu mempunyai ketebalan 0,15 meter. Batu bata jenis tanah liat ini mempunyai konduktivitas thermal K-nya itu sebesar ini, 1,7 Watt per meter Kelvin. Dan pengukuran itu dilakukan ketika kondisinya steady atau tuna, terus diketahui bahwa temperatur di bagian dalam dan bagian luar dari dinding tungku itu adalah 1400 dan 1150. Yang bagian dalam tentunya lebih panas karena dia berhubungan langsung dengan ruang kebakarannya. Kemudian intanya adalah berapa laju kehilangan panas yang melewati dinding itu jika Dimensi atau ukuran dari hinding itu adalah 0,5 x 1,2 meter.
Di sini Anda ikutin saja dulu tentang satuan-satuannya, nanti kita akan lihat di topik berikutnya tentang satuan dari parameter-parameter ini. Oke, sekarang kita lihat solusi dari contoh soal sederhana ini. Pertama, Seperti juga di termodinamika, kita sebaiknya mengikuti sistematika metode penyelesaian.
Nanti juga ada topik khusus yang menunjukkan ini. Jadi yang diketahui itu apa? Di sini diketahui suatu tungku pembakaran beroperasi secara steady, terus ketebalan dari dindingnya diketahui, luasnya tentunya juga diketahui karena dimensi-dimensi yang diketahui, terus juga kondukitas thermalnya diketahui. Begitu juga dengan temperatur dari permukaan di bagian dalam maupun bagian luar.
Terus yang ditanyakan, berapa kehilangan panas yang melewati dinding ini. Terus langkah berikutnya adalah membuat skema. Jadi di sini kita bisa membuat skema dinding dari tungku ini sebagai satu dimensi.
Ketebalannya ini 0,15 meter. Terus temperatur di dalam... di bagian dalam itu 1400 Kelvin. Jadi Anda bisa bayangkan di sini proses pembakarannya. Di sini proses pembakaran jadi hot gas.
Terus di temperatur di sisi luar itu 1150. Terus diketahui juga kondukitas thermal dari dinding ini 1,7 Watt per meter Kelvin. Di bagian kanan itu ditunjukkan ukuran sebenarnya dari dindingnya, di mana mempunyai dimensi tingginya setengah meter, terus lebarnya itu 1,2 meter, sementara ketebalannya, ketebalan di sebelah sini, itu 0,15 meter. Terus kita juga perlu tulis asumsi-asumsinya di sini, pertama kondisinya steady, karena nanti juga ada kasus di mana kondisinya transient.
Ini kondisi yang steady, terus kemudian satu dimensi, jadi perbindahan panas yang kita pertimbangkan hanya searah ketebalannya. Kemudian kita juga bisa asumsikan di sini kondifitas thermalnya konstan. Jadi di dalam dinding ini K-nya konstan.
Nah ini analisisnya, karena perbindahan panasnya ini di dalam medium. Wall atau dinding atau set padat, maka perbedaan panasnya adalah perbedaan panas jenis konduksi. Di sini kita bisa gunakan persamaan foyer, yaitu bahwa Q tanda petik ganda itu sama dengan K kali delta T dibagi L.
K-nya tadi ketahui, 1,7, kalikan delta T, jadi ini perbedaan temperatur antara dinding di bagian dalam dengan dinding bagian luar, itu sebesar 250. Jadi 1400 dikurangi dengan 1150. Ketemulah ini 250. Dibagi dengan L, ketebalannya yaitu 0,15 meter. Maka ketemulah bahwa fluk panas atau laju perbindahan panas per satuan luas itu 2833 W per meter persegi. Untuk menghitung laju perbindahan panas total, Itu kita kalikan dengan penampang dari dinding yang tegak lurus dengan arah perpindahan panas ini.
Yaitu, luasnya adalah A, A itu adalah W kali H. Jadi, Q dengan tanda petik ganda ini kita kalikan dengan luasnya, yaitu W kali A, 0,5 kali 1,2. Ketemulah ini, 1700 Watt.
1700 Watt, atau artinya 1700 Joule per detik. Ini artinya ada... transfer energi dalam bentuk panas sebesar 1700 Joule per detik.