Usaha dan Bentuk-bentuk Mekanis Usaha
Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi terjadi tanpa adanya media yang menghubungkan antara pengirim radiasi (benda panas) ke penerima radiasi (benda tidak panas). Sebenarnya, semua benda yang suhunya di atas 0 K akan melepaskan panasnya secara radiasi ke benda di sekelilingnya, tinggal tergantung, benda mana yang paling panas, itulah yang akan menjadi pemberi radiasi panas, sementara yang lebih dingin akan menjadi penerima.
Karena semua benda diatas suhu o K meradiasikan panas, maka basis untuk melakukan penghitungan perpindahan panas secara radiasi adalah menggunakan suhu mutlak ( Kelvin).
Besarnya panas yang diradiasikan oleh suatu benda dirumuskan melalui hukum Stefan-Boltzmann.
dimana A adalah luas permukaan radiasi, Ts adalah suhu mutlak permukaan benda yang mengemisikan panas secara radiasi. Konstanta Stefan-Boltzmann dinyatakan dengan huruf yunani sigma dan besarnya adalah:
adalah emisivitas permukaan (emissivity) yang nilai nya bervariasi antara 0 hingga 1. Benda dengan emisivitas 1 disebut dengan black body. Sementara emisivitas dari beberapa material pada suhu 300 K dapat dilihat pada tabel berikut.
Selisih antara laju perpindahan panas radiasi antara dua benda adalah menjadi ukuran untuk menentukan laju perpindahan panas radiasi dari kedua benda tersebut. Namun, harus kita ketahui, bahwa dari seluruh energi panas yang diradiasikan oleh suatu benda, tidak seluruhnya akan diterima oleh benda peneria radiasi. Ini tergantung pada nilai absorsivitas dari benda penerima tersebut. Benda blackbody, tidak hanya dapat mengirimkan seluruhnya energi panas yang diradiasikan, namun juga dapat menerima seluruh energi yang dipancarkan kepadanya.
Pada kasus khusus, dimana sebuah benda (surface, s) dengan luas permukaan yang relatif kecil dibandingkan permukaan benda yang mengelilinginya (surrounding, surr), laju perpindahan panas radiasi dapat dirumuskan dengan:
Perpindahan Panas Konveksi
Bila ada fluida yang bergerak terhadap suatu permukaan, dan kedua suhunya tidak sama, maka akan terjadi mekanisme perpindahan panas secara konveksi. Semakin cepat gerakan fluida tersebut, maka semakin besar laju perpindahan panas konveksinya. Bila fluida tidak bergerak, maka mekanisme perpindahan panas akan menjadi mekanisme perpindahan konduksi kembali.
Karena konveksi terjadi akibat adanya gerakan fluida, maka dikenal istilah konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami (konveksi bebas) terjadi karena fluida bergerak secara alamiah dimana pergerakan fluida tersebut lebih disebabkan oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut. Logikanya, kalau suhu fluida tinggi, tentunya dia akan menjadi lebih ringan dan mulai bergerak keatas.
Sementara konveksi paksa trjadi karena bergeraknya fluida bukan karena faktor alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower dan sebagainya.
Laju perpindahan panas konveksi dirumuskan melalui hukum pendinginan Newton (Newton’s Law of Cooling) yang dinyatakan dengan:
h adalah koefisien konveksi, A luas permukaan konveksi, Ts adalah suhu permukaan sementara Tf adalah suhu fluida. Satuan untuk koefisien konveksi h adalah W/(m2.K).
Koefisien konveksi bukan merupakan properti dari suatu fluida. Ia merupakan parameter yang diperoleh berdasarkan experimen yang mana nilainya bergantung kepada semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida.
Perpindahan Panas Konduksi
KONDUKSI
Laju perpindahan panas konduksi melalui suatu lapisan material dengan ketebalan tetap adalah berbanding lurus dengan beda suhu di pangkal dan ujung lapisan tersebut, berbandung lurus dengan luas permukaan tegak lurus arah perpindahan panas dan berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan. Ini dinyatakan dengan:
dimana k adalah koefisien perpindahan panas konduksi atau konduktivitas panas (thermal conductivity) dari material tersebut.
Persamaan ini dikenal dengan hukum Fourier untuk laju perpindahan panas konduksi.
Untuk tebal lapisan mendekati 0, persamaan diatas dapat ditulis kembali menjadi:
Panas dikonduksikan dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah. Sebagai akibatnya gradien suhu (dT/dx) kearah x positif menjadi negatif. Dengan adanya tanda negatif pada persamaan diatas akan menyebabkan nilai laju perpindahan panas dari suhu tinggi ke suhu rendah ini akan menjadi positif.
Sebagai contoh, bila suhu bervariasi secara linear pada suatu benda dengan ketebalan L, dimana suhu T1 > T2, maka akan terjadi perpindahan panas dari permukaan dengan suhu T1 ke arah permukaan dengan suhu T2.
Gradien suhu menjadi :
Laju perpindahan panas dalam arah x positif menjadi:
Nilai konduktivitas panas dari beberapa material pada suhu ruang dapat dilihat pada tabel berikut:
Perpindahan Panas – Pengantar
Dalam terminologi keteknikan, panas (heat) dimaksudkan sebagai salah satu bentuk energi. Ini tentunya berbeda dengan terminologi secara umum, yakni panas adalah sesuatu yang suhunya diatas suhu normal, sebagai contoh pada kalimat “badannya panas”, “airnya panas” dll.
Misalkan, bila dua benda saling bersentuhan, benda pertama suhunya( -5°C) dan benda kedua suhunya (-30°C). Bila kita menggunakan terminologi umum, maka antara keduanya tidak akan terjadi perpindahan panas karena kedua benda tersebut berada dalam keadaan dingin!. Tetapi karena kita menggunakan terminologi keteknikan, maka sudah pasti akan terjadi perpindahan panas dari benda pertama ke benda kedua. Mengapa ?, karena kedua benda tersebut suhunya berbeda, maka pasti akan terjadi perpindahan panas.
Materi perpindahan panas secara mendalam diajarkan di mata kuliah Perpindahan Panas. Dalam bahasan ini hanya akan membicarakan secara ringkas tentang berbagai mode perpindahan panas yang ada.
Dalam proses perpindahan panas dikenal istilah isotermal (isothermal) dan adiabatis (adiabatic).
Proses isotermal adalah proses yang terjadi pada keadaan suhu yang tidak berubah selama berlangsungnya proses tersebut. Untuk menggambarkannya saya ambil contoh proses anda menyetrika pakaian anda. Pasti anda sepakat bila sedang menyeterika pakaian anda, anda harus mempertahankan suhu setrika agar selalu tetap menggunakan pengatur suhu. Bagaimana kalau anda membiarkan suhu ini terus bertambah tinggi selama proses anda menyetrika…saya kira, anda perlu membeli pakaian baru untuk mengganti pakaian yang anda setrika tersebut. Inilah penyebab kenapa kita perlu yang namanya proses isotermal.
Bagaimana dengan proses adiabatis.
Proses adiabatis adalah proses dimana tidak terjadi interaksi panas antara sistem dengan lingkungan. Untuk menggambarkannya bayangkanlah ketika anda tidur didaerah yang dingin katakanlah di gunung. Sudah pasti anda akan menggunakan selimut, semakin tebal selimutnya maka semakin nyaman anda tidur. Kenapa menggunakan selimut?, agar suhu lingkungan yang dingin tidak bersentuhan dengan tubuh anda. Sekarang, apakah tubuh anda bisa menjadi hangat dengan menggunakan selimut tersebut?. Jawabannya pasti ya. Mengapa?, karena tubuh anda sendiri mengeluarkan panas, dan panas ini tidak dapat melewati selimut anda. Akibatnya, panas yang terus menerus dikeluarkan oleh tubuh akan semakin meningkatkan suhu didalam selimut anda hingga tercapai suatu saat anda akan merasa suhu tersebut sudah terlalu panas dan menyebabkan anda bahkan berkeringat.
Demikian pula dengan proses adiabatis secara engineering. Dalam proses adiabatis, walaupun tidak ada panas yang dapat melintasi batas sistem, tetapi suhu sistem tetap dapat berubah akibat adanya aktivitas interaksi energi didalam sistem itu sendiri.
Sebagai energi, panas memiliki satuan kJ (SI) atau Btu (British Thermal Unit). Besarnya Energi yang berpindah selama proses perpindahan panas disimbolkan dengan : Q. Bila besarnya energi ini dihitung atas dasar per satuan massa maka simbolnya ditulis dengan : q
Sementara laju perpindahan panas merupakan besarnya energi panas yang berpindah persatuan waktu yang satuannya adalah kJ/detik atau kW. Dalam selang waktu tertentu (dari t1 hingga t2), besarnya energi panas yang berpindah merupakan integral dari laju perpindahan panas pada selang waktu tersebut.
Bila laju perpindahan panas sepanjang selang waktu tersebut adalah konstan, maka rumusan diatas dapat disederhanakan menjadi:
Panas dapat berpindah melalui tiga mekanisme yakni: konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi akibat adanya interaksi partikel zat dari yang lebih berenergi ke yang kurang berenergi. Terjadi pada umumnya melalui media padat. Pada media cair yang diam, perpindahan panas konduksi juga dapat terjadi, tetapi bila media cair tersebut mulai bergerak, maka analisis yang digunakan adalah analisis konveksi.
Konveksi adalah perpindahan panas dari permukaan media padat ke fluida yang bergerak diatas permukaan media padat tersebut. Sementara radiasi adalah perpindahan panas sebagai akibat terjadinya emisi dari gelombang elektromagnetis.
Pengenalan Hukum Termodinamika Pertama
Pada bahasan ini kita akan membahas secara ringkas jenis energi yang saling berinteraksi dan penggunaan rumusan dasar yang menghubungkan interaksi tersebut. Jenis energi yang dibahas antara lain adalah kalor (heat) dan usaha (work). Hal ini disebabkan jenis energi tersebut dapat melintasi batas dari suatu sistem. Penjelasan yang lebih mendalam mengenai mekanisme dan rumusan dasar ini dibahas dalam matakuliah lain di program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu.
Terjadinya interaksi antara kalor dan usaha pastilah akan mempengaruhi kandungan energi yang dimiliki oleh sistem. Sebagaimana bila ada interaksi antara anda makan dan bekerja, anda pasti tahu yang namanya bertambah kuat ataupun menjadi letih. Kandungan energi yang dimiliki oleh sistem ini dikenal dengan nama energi internal (internal energy).
Untuk menganalisis energi internal ini kita perlu juga memahami tentang panas jenis (specific heat) dan enthalpy.
Pengetahuan terhadap jenis energi inilah yang akan kita gunakan untuk memahami lebih dalam tentang bagaimana energi tersebut saling berinteraksi dalam suatu neraca kesetimbangan yang disebut dengan Hukum Termodinamika Pertama.
Persamaan Keadaan Gas Ideal
Persamaan keadaan (Equation of State) adalah persamaan yang menghubungkan antara tekanan, suhu dan volum jenis (spesific volume) dari suatu zat. Pada tulisan sebelum ini, kita telah melihat bagaimana hubungan dari ketiga properti ini melalui tabel yang berlaku untuk air.
Ada banyak jenis persamaan keadaan, namun yang paling sederhana diantaranya adalah persamaan gas ideal.
Nilai untuk Universal Gas Constant, Ru dalam berbagai jenis satuan adalah sebagai berikut:
- Persamaan Van der Waals (salah satu persamaan keadaan yang terdahulu)
- Persamaan Beattie-Bridgeman (terkenal dan cukup akurat)
- Persamaan Benedict-Webb-Rubin (terbaru dan sangat akurat)
Tabel Properti Untuk Compressed Liquid dan Superheated Vapor
Properti untuk compressed liquid dan Superheated Vapor relatif lebih mudah untuk dipahami, karena pada kawasan ini hanya ada satu nilai untuk masing-masing properti. Ini berbeda dari properti pada uap yang memiliki dua nilai untuk tiap properti, yakni nilai pada keadaan cair (ditandai subscript f) dan nilai pada keadaan uap (ditandai subscript g).
Tabel Properti Untuk Compressed Liquid
Untuk compressed liquid (fasa cair) contoh tabel propertinya adalah sebagai berikut:
Pada bagian yang dilingkari di atas tertulis P=5MPa(263.94 °C). Angka P=5Mpa adalah nilai tekanan yang ditentukan untuk semua suhu pada tabel P=5MPa tersebut. Sementara angka suhu (263.94 °C) adalah suhu saturasi pada tekanan 5 Mpa. Suhu saturasi ini ditulis sebagai Sat di baris ke-4 dari tabel tersebut dari merupakan baris pertama data. Artinya baris pertama data berisi informasi tentang properti pada tekanan dan Tsat nya. Baris berikutnya baru dimulai dengan suhu 0 °C dan seterusnya.
Pada tabel data untuk compressed liquid, data tabel tekanan ini dimulai dari tabel data untuk tekanan 5MPa (50 Bar). Tentunya akan timbul pertanyaan, bagaimana menentukan nilai data properti compressed liquid untuk tekanan yang nilainya dibawah 5 MPa karena tabel datanya tidak tersedia.
Untuk tekanan di bawah 5 MPa, anda dapat menggunakan data dari tabel uap (steam tabel) yang telah kita gunakan pada artikel terdahulu. Namun karena pada steam tabel ada 2 jenis keadaan yakni keadaan cair (subscript f) dan keadaan uap (subscript g), maka anda harus memilih data untuk keadaan cairnya saja. Logikanya, tidak mungkin anda menggunakan data keadaan uap untuk cairan compressed liquid. Walaupun ini merupakan nilai pendekatan (aproksimasi) namun pendekatan ini diterima untuk perhitungan engineering pada tekanan dibawah 5 MPa tersebut.
Cara Mudah Untuk Menentukan Nilai Properti Uap
Menggunakan tool yang disediakan secara online oleh NIST (National Institute of Standards and Technology) Amerika menjadikan penentuan properti dari uap air (steam property) jauh lebih mudah dan tanpa perlu melakukan interpolasi.
Caranya, anda cukup membuka link NIST di http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/ kemudian ikuti langkah langkah berikut:
1. Menentukan parameter dan jenis data yang akan di generate
- Pada point 1, anda pastikan bahwa yang di pilih adalah WATER
- Pada point 2, klik pada bulatan untuk memilih unit yang dipakai
- Pada point 3 pilih :
- Saturation Properties – temperature increments : untuk menggenerate tabel suhu
- Saturation Properties – pressure increments : untuk menggenerate tabel tekanan
- Pada point 4 pastikan default
- Pada point lima klik untuk melanjutkan
3. Tabel output. Perlu ditekankan disini, data yang dihasilkan terdiri dari 2 tabel, tabel cair dan tabel uap. artinya properti seperti uf, hf, vf mengacu pada tabel pertama, sementara properti seperti ug, hg, vg, sg dll mengacu pada tabel kedua.