Home Fisika

Analisis Cara Perpindahan Kalor

Updated: • • min read
Table of Contents

Energi

Secara umum energi dapat dibedakan menjadi beberapa jenis diantaranya adalah energi radiasi, energi gravitasi, energi mekanik, energi termal, energi elektrik, energi magnetik, energi molekul, energi atomik, energi nuklir dan energi massa.


Secara umum, energi dapat berubah dari satu jenis energi ke bentuk jenis energi yang lain.


Berikut ini adalah tabel yang menunjukkan bentuk pokok energi.


Bentuk Pokok Energi (Usher, 1989)
Jenis Energi Contoh Energi
Radiasi gelombang radio, cahaya tampak, infra merah, ultra violet, sinar X dan sebagainya
Gravitasi energi interaksi gravitasi
Mekanik gerakan, pergeseran, gaya, dan sebagainya
Termal energi kinetik atom dan molekul
Elektrik medan elektrik, arus elektrik, dan sebagainya
Magnetik medan magnetik
Molekul energi ikat dalam molekul
Atomik gaya antara inti dan elektron
Nuklir energi ikat antara inti
Energi massa energi E = mc2

Kalor merupakan bentuk energi yang berupa energi termal.


Energi termal ini dibentuk dari energi kinetik atom atau molekul dalam suatu bahan.


Kalor dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi atau pancaran.



1. Perpindahan Kalor secara Konduksi

Pada perpindahan kalor secara konduksi, energi termal dipindahkan melalui interaksi antara atom-atom atau molekul walaupun atom-atom atau molekul tersebut tidak berpindah.


Contoh perpindahan kalor secara konduksi seperti sebatang logam salah satu ujungnya dipanasi sedang ujung yang lain dipegang maka makin lama makin panas pada hal ujung ini tidak berhubungan langsung dengan api. Perpindahan panas semacam inilah yang disebut konduksi.


Apa itu Konduksi ?

Konduksi adalah proses perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa diikuti dengan perpindahan partikel-partikel zat tersebut.

Perpindahan kalor secara konduksi melalui suatu bahan tertentu dapat diterangkan dengan getaran atom-atom atau molekul-molekul bahan. Jika kita misalkan suatu batang homogen yang dapat menghantarkan kalor dengan luas penampangnya A dan salah satu ujung batang tersebut dipertahankan pada suatu suhu tinggi seperti, dihubungkan dengan air yang mendidih, dan ujung lain juga dipertahankan pada suhu rendah seperti dihubungkan dengan balok es yang sedang mencair.


Perbedaan suhu kedua ujung batang tersebut menyebabkan energi termal secara terus menerus akan dikonduksikan lewat batang tersebut dari ujung yang panas ke ujung yang dingin.


Dalam keadaan mantap, suhu berubah secara uniform dari ujung yang panas ke ujung yang dingin.


Laju perubahan suhu sepanjang batang ΔT/ΔI dinamakan gradien suhu.


Perhatikan jika bagian kecil dari batang penghantar yang panjangnya Δx dan ΔT adalah beda suhu pada ujung–ujung batang, maka jumlah kalor yang dipindahkan secara konduksi lewat potongan tersebut tiap satu satuan waktu, sering disebut sebagai arus termal I (Tipler, 1991).


I = ΔQ / Δt
I = (kA)(ΔT/Δx)
Keterangan:
I, adalah arus termal dengan satuan watt atau W (J.s-1)
ΔQ, adalah kalor yang dipindahkan secara konduksi (J)
Δt, adalah lama energi termal dikonduksikan lewat batang penghantar (s)
A, adalah luas permukaan batang penghantar (m2)
Δx, adalah panjang batang penghantar (m)
ΔT, adalah beda suhu pada ujung-ujung batang penghantar kelvin (K)
k, adalah konstanta kesebandingan atau yang disebut koefisien konduktivitas termal atau konduktivitas termal (watt per meter kelvin atau W/m.K)

6

Jika arus termal diketahui maka beda suhu ΔT dapat diperoleh dari rumus


ΔT = (Δx/kA)I
ΔT = IR

Dengan R adalah resistensi termal yang sama dengan (Δx/kA') dalam satuan kelvin.sekon per joule (K.s/J).


Nilai-nilai konduktivitas termal beberapa bahan ditunjukkan seperti pada tabel di bawah ini.


Konduktivitas Termal Beberapa Bahan (Tipler, 1991)
Bahan k (W/m.K)
Udara (27°C) 0,026
Es 0,592
Air (27°C) 0,609
Aluminium 273
Tembaga 401
Emas 318
Besi 80,4
Timah 353
Perak 429
Baja 46
Kayu Ek (Oak) 0,15
Cemara Putih 0,11
Beton 0,19-1.3
Gelas 0,7-0,9


Contoh Soal Perpindahan Kalor

Contoh Soal Satu

Suatu pelat besi dengan ketebalan 2 cm dan luas permukaan 5000 cm2. Salah satu permukaannya bersuhu 120°C sedang permukaan yang lain bersuhu 100°C. Besi mempunyai konduktivitas termal sebesar 80,4 W/m.K.
Tentukan jumlah kalor yang melalui pelat besi tersebut tiap sekonnya.
Jawab:
Diketahui:
k = 80,4 W/m.K
Δx = 2 cm = 2 x 10-2 m
A = 5000 cm2 = 0,5 m2
ΔT = (120 – 100)°C = 20°C (perubahan suhu untuk skala Kelvin = skala Celcius).

Ditanya:
Arus termal I = ...
Penyelesaikan
Arus termal dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah
I = ΔQ/Δt
I = (kA)(ΔT/Δx)
I = (80,4 x 0,5)(20/2x10-2)
I = 4,02 W, atau 4,02 J/s

Contoh Soal Dua

Suatu ketel pemanas air mempunyai luas 400 cm2 tebal 0,5 cm. Perbedaan antara permukaan yang kena api langsung dan permukaan dalam yang bersentuhan dengan air adalah 10°C. Apabila kalor dirambatkan sebesar 10 J tiap sekonnya maka hitunglah nilai konduktivitas bahan tersebut.
Jawab:
Diketahui:
Δx = 0,5 cm = 5 x 10-3 m
A = 400 cm2 = 0,04 m2
ΔT = 10°C
I = 10 J/s

Ditanyakan:
Konduktivitas bahan k = ....?
Jawab:
Konduktivitas bahan dapat dihitung dengan mengubah rumus di bawah ini.
k = I (ΔT/AΔT)
k = 10 x (10/(4 x 10-2 x 5 x 10-3))
k = 0,005 W/m.oC, atau 0,005 W/m.K

Materi Terkait