KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji dan syukur kepada Allah SWT, kami bisa menyelesaikan makalah mengenai Mekanisme Perpindahan Panas Konduktor untuk menyelesaikan tugas dari mata kuliah fenomena transport dalam teknik material.

Kami mengucapkan terimakasih kepada semua yang telah membantu pembuatan makalah ini, sehingga makalah ini bisa selesai dan insya Allah bisa menjadi pegangan pada pengajaran fenomena transport dalam teknik material. Walaupun makalah ini masih jauh dari kata kesempurnan, maka dari itu kami berharap kepada Bapak dosen untuk memberikan kritik dan saran untuk penyempurnaan makalah ini.

Makalah Mekanisme Perpindahan Panas Konveksi

Kami sebagai penulis dari makalah ini berharap bisa bermanfaat bagi kita semua. Akhirnya kami mengucapkan terimakasih atas perhatian dari semua pihak dan kami juga mengucapkan terimakasih.

Lhokseumawe, 6 November 2021

Penulis

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR.. 2

BAB I. 4

PENDAHULUAN.. 4

1.1 Latar Belakang. 4

1.2 Rumusan Masalah. 5

1.3 Tujuan Makalah. 5

2.3 Perpindahan Panas dan Konduksi Dalam Sumber Panas. 10

2.4 Konduktivitas Thermal 10

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran kalor, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan jalan pemasukan atau pengeluaran kalor. Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Hukum alam menyatakan bahwa kalor adalah suatu bentuk energi.

Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu, atau bila dua sistem yang suhunya berbeda disinggungkan,maka akan terjadi perpindahan energi. Proses ini disebut sebagai perpindahan panas (Heat Transfer). Dari titik pandang teknik (engineering), Analisa perpindahan panas dapat digunakan untuk menaksir biaya, kelayakan, dan besarnya peralatan yang diperlukan untuk memindahkan sejumlah panas tertentu dalam waktu yang ditentukan. Beroperasinya dengan baik komponen-komponen peralatan, seperti misalnya sudu-sudu turbin atau dinding ruang bakar, tergantung pada kemungkinan pendinginan logam-logam tertentu dengan membuang panas secara terus menerus pada laju yang tinggi dari suatu permukaan..

Dalam perpindahan panas, sebagaimana dalam cabang-cabang keteknikan lainnya, penyelesaian yang baik terhadap suatu soal memerlukan asumsi (pengandaian) dan idealisasi. Hampir tidak mungkin menguraikan gejala fisik secara tepat, dan untuk merumuskan suatu soal dalam bentuk persamaan yang dapat diselesaikan kita perlu mengadakan beberapa pengira-iraan (approximation).

Sifat-sifat fisik seperti konduktivitas termal atau viskositas berubah dengan suhu, tetapi jika dipilih suatu harga rata-rata yang tepat , maka penyelesaian soal dapat sangat disederhanakan tanpa memasukan kesalahan yang cukup besar dalam hasil akhirnya. Bila panas berpindah dari suatu fluida ke dinding , seperti misalnya didalam ketel, maka kerak terbentuk pada pengoperasian yang terus menerus dan akan mengurangi laju aliran panas. Untuk menjamin pengoprasian yang memuaskan dalam jangka waktu yang lama, maka harus diterapkan faktor keamanan untuk mengatasi kemungkinan ini. Dalam perpindahan panas ada tiga jenis perpindahan panas yaitu perpindahan panas dengan cara konduksi,konveksi, dan radiasi.

1.2 Rumusan Masalah

1. Apa itu hukum Fourier dan hukum Newton?

2. Bagaimana perpindahan panas konduksi dan konduksi dalam sumber panas?

3. Apa itu konduktivitas thermal?

1.3 Tujuan Makalah

Mengetahui tentang hukum Fourier dan hukum Newton lebih dalam. Mempelajari bagaimana perpindahan panas konduksi dan konduksi dalaam sumber panas dan mengetahui tentang konduktivitas thermal.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Hukum Fourier

Perpindahan panas dalah proses dimana energi (dalam bentuk panas) dipertukarkn diantara benda – benda atau bagian dari benda yang sama karena adanya perbedaan temperatur. Panas akan mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah. Ada 3 mekanisme perpindahan panas :

1. Konduksi

2. Konveksi

3. Radiasi

Konduksi adalah mekanisme perpindahan panas pada zat padat atau fluida stasioner.

a. Ada medium

b. Medium tidak ikut berpindah

c. Driving force : beda temperatur

Jean Baptiste Fourier (21 Maret 1768 – 16 Mei 1830) adalah matematikawan dan fisikawan Perancis yang paling dikenal karena mengawali penyelidikan deret Fourier dan penerapannya pada masalah arus panas. Transformasi Fourier juga dinamai untuk menghormatinya. Persamaan konduksi (Hukum Fourier-1822) (Jean Baptiste Fourier 1769-1830): “Laju perpindahaan panas konduksi pada suatu plat sebanding dengan beda temperature diantara dua sisi plat dan luasab perpindahan panas, tetapi berbanding terbalik dengan tebal plat.”

Perpindahan kalor konduksi atau hantaran adalah perpindahan energi yang terjadi pada medium yang diam (padat atau zat yang dapat mengalir) apabila ada gradien temperatur dalam medium tersebut. Sehingga, besi yang merupakan konduktor lsitrik yang paling baik juga merupakan konduktor panas yang baik juga. Tahun 1822 Fourier menyajikan karyanya pada aliran panas di analytique Theorie de lachaleur (Teori analitik panas), dimana ia berdasarkan penalaran di atas hukum Newton pendingin, yaitu bahwa aliran panas antara dua molekul berdekatan sebanding dengan perbedaan yang sangat kecil dari temperatur mereka.

Hukum Fourier menyatakan bahwa laju perpindahan kalor deengan sistem konduksi dinyatakan dengan :

1. Gradien temperatur dalam arah-x dinyataan dengan, dT/dx.

2. Luas perpindahan kalor arah nirmal pada arah aliran kalor,A.

Berikut contoh gambar perpindahan panas secara konduksi

Gambar 1. Perpindahan panas secara konduksi

Rumus Hukum Fourier :

Qx = -k.A Dt/Dx

Dimana :

Qx = laju perpindahan kalor (Watt),

k = konduktivitas thermal, merupakan sifat material (W/m.C)

A = luas penampang yang tegak lurus dengan arah laju perpindahan kalor (m²)

dT/Dx = Gradien temperatur dalam arah x (C/m)

Konduktivitas atas kterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif beban yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Konduktivitas termal = laju air aliran panas x jarak / (luas x perbedaan suhu). Besaran ini didefinisikan sebagai panas Q, yang dihantarkan selama waktu t melalui keteblan L. denagn arah normal ke permukaan denga luas A yang disebabkan oleh perbedaaan suhu ΔT dalam kondisi tunak dan jika perpindahan panas hanya tergantung dengan perbedaan suhu tersebut. Singkatnya, konduktivitas termal (k) adalah ukran seberapa cepat panas dikonduksikan pada suatu material.

Alasan pemberian tanda minus (-) pada rumus konduksi hukum Fourier, seperti diilustrasikan sebagi berikut:

a) Jika temepratur menurun pada arah-x positif, dT/dx adalah negatif ; kemudian Qᵪmenjadi nilai positif dikarenakan kehadiran dari tanda negatif, sehingga laju kalor berada pada arah-x positif.

Grafik 1. Temperatur vs Jarak

b) Jika temperaur meningkat pada arah x positif, dT/dx adalah psoitif Qᵪ berubah menjadi negatif dan aliran kalor beradaa pada arah-x adalah negatif, sebagaimana diilustrasikan pda gambar berikut Qᵪ merupakan nilai positif, aliran kalor berada pada arah -x positif, dan sebalikya.

Grafik 2. Temeperatur vs Jarak

2.2 Hukum Newton

2.2.1 Hukum Newton I

Benda yang diam akan bergerak jika diberi gaya. Benda yang sudah bergerak dengan kecepatan tertentu, akan tetap bergerak dengan kecepatan itu jika tidak ada gangguan (gaya). Hal di atas merupakan dasar dari hukum 1 Newton yang dapat dituliskan berikut ;

“Jika gaya total yang bekerja pada suatu benda itu sama dengan nol, maka benda yang sedang diam akan tetap diam dan benda yang sedang bergerak lurus akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap”

Secara sederhana hukum 1 Newton mengatakan bahwa percepatan benda nol jika gaya total (gaya resultan) yang bekerja pada benda sam dengan nol. Secara sistematis dapat ƩF = 0..

Sebenarnya pernyataan hukum 1 Newton di atas sudah pernah diucapkan oleh Galileo beberapa tahun sebelum Newton lahir. Galileo mengataan “Kecepatan yang diberikan pada suatu benda akaan tetap dipertahankan jika gaya penghambatnya dihilangkan.”

2.2.2 Hukum Newton II

Hukum Newton II membicarakan keadaan benda jika resultan gaya yang bekerja tidak sama dengan nol. Bayangkan jika kita mendorong sebuah benda dengan gaya F pada lantai yang licin sehingga benda bergerak dengan kecepatan a. Jika gayanya diperbesar 2 kali ternyata percepatannya menjadi 2 kali lebih besar. Demikian juga jika gaya diperbesar 3 kali percepatannya menjadi 3 kali lebih besar. Dari sini kita simpulkan bahwa percepatan sebanding dengan resultan gaya yang bekerja.

Sekarang coba lakukan percobaan lain. Kali ini massa benda yang berubah dan gayanya dipertahankan sama. Jika massa benda diperbesar 2 kali, ternyata perepatannya menjadi ½ kali. Demikian juga jika massa benda diperbesar 4 kali, percepatannya menjadi ¼ kali semula. Dari sini bisa kita simpulkan bahwa percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massa benda itu.

Kedua kesimpulan yang diperoleh dari hasil eksperimen tersebut dapat diringkas dalam hukum Newton II :

“Percepatan suatu benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja pada suatu benda dan sebanding terbauk dengan massa benda”

Secara matematik hukum ini ditulis :

ƩF = m x a

Keterangan :

ƩF : resultan gaya yang bekerja

m : massa benda

a : percepatan yang ditimbulkan

2.2.3 Hukum Newton III

Hukum ketiga menyatakan bahwa tidak ada gaya yang timbul di alam semesta tanpa ada keberadaan gaya lain yang sama besarnya dan berlawanan arah dengan gaya itu. Hukum III Newton berbunyi : “Jika sebuah benda menngerjakan gaya pada benda lain (aksi), maka benda kedua akan mengerjakan gaya yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan (reaksi) kepadaa beenda pertama.”

F aksi = -F reaksi

2.3 Perpindahan Panas dan Konduksi Dalam Sumber Panas

Perpindahan konduksi merupakan perpindahan kalor yang terjadi saat ada kontak fisik. Perpindahan kalor secara konduksi bisanya terjadi pada benda-benda yang padat. Panas yang ada di salah satu area benda padat akan berpindah ke area yang suhunya lebih dingin.

Perpindahan panas konduksi ini Terjadi karena perbedaan suhu antara dua buah objek yang bersentuhan. Prosesnya terjadinya perpindahan yaitu panas berpindah dari satu partikel ke partikel lainnya. Panas akan terus merambat tanpa terjadi pertukaran partikel (zat tetap diam). Contoh perpindahan panas secara konduksi :

1. Sendok yang dipegang akan terasa panas jika salah satu ujungnya di panaskan.

2. Knalpot motor menjadi panas saat mesin dihidupkan.

3. Mentega yang dipanaskan di wajan menjadi meleleh karena pengaruh panas yang diberikan.

4. Es batu yang meleleh akibat suhu pada tangan yang lebih panas

2.4 Konduktivitas Thermal

Konduktivitas atau keterhantaran termal, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untukmenghantarkan panas. Konduksi termal adalah suatu fenomena transport dimana perbedaan temperatur menyebabakan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang di transfer dari satu titik ketitik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.Konduktivitas termal merupakan persamaan laju aliran panas dikali jarak persatuan luas dan perbedaan suhu.

Dimana :

Q = panas

A = luas permukaan

∆T = perbedaan temperatur

∆t = aktu selama panas terjadi

L = ketebalan dari material

k = konduktivitas termal dari material

Besaran ini didefinisikan sebagai panas, Q, yang dihantarkan selama waktu t melalui ketebalan L, dengan arah normal ke permukaan dengan luas A yang disebabkan oleh perbedaan suhu ΔT dalam kondisi tunak dan jika perpindahan panas hanya tergantung dengan perbedaan suhu tersebut.

BAB III

CONTOH SOAL

3.1 Contoh 1

Sebuah batang logam mempunyai panjang 2 m, dan memiliki luas penampang 20 cm2 dan perbedaan suhu kedua ujungnya 500C. Bila koefisien konduksi termalnya 0,2 kal/ms0C, tentukan jumlah kalor yang merambat per satuan luas & per satuan waktu!

Diketahui :

L = 2 m

A = 20 cm2 = 2 x 10-3 m2

k = 0,2 kal/ms⁰C

∆ T = 50⁰C

Ditanya : H ?

Jawaban:

H = k A ∆ T/L

= (0,2 kal/ms⁰C)(2 x 10-3 m2) 50⁰C/2 m

= 0,01 kal/s

3.2 Contoh 2

Suatu batang logam yang salah satu ujungnya dipanasi. Batang logam tersebut memiliki luas penampang 25 cm2 dan konduktifitas termal 4.105 J/smC. Panjang batang logam tersebut 8 m dan perbedaan suhu kedua ujungnya 30º C. Kalor yang merambat dalam batang besi selama 2 detik adalah…

Jawab:

Diketahui:
A = 25 m²k = 4 × 10⁵ J/msC
L = 8 m
ΔT = 30º C
t = 2 s

Ditanya: Q = … ?

Penyelesaian:
Q = (k . A . t) . ΔT/L
Q = (4 × 10⁵. 25 . 2) 30/8
Q = 75 × 10⁶ J

Jadi, kalor yang merambat pada batang besi adalah 75 × 10⁶ J.

3.3 Contoh 3

Mobil-mobilan bermassa 2 Kg diam diatas lantai licin, kemudian diberi gaya tertentu dan bergerak dengan percepatan 10m/s2. Berapakah gaya yang diberikan pada mobil-mobilan? Penyelesaian:

Diketahui:

m = 2 Kg

a = 10 m/s2

Ditanya: F ?

Jawab:

F = m.a

= 2 Kg . 10 m/s2

= 20 N

Jadi, gaya yang diberikan pada mobil-mobilan tersebut adalah sebesar 20 Newton.

BAB IV

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Persamaan konduksi (Hukum Fourier-1822) (Jean Baptiste Fourier 1769-1830): “Laju perpindahaan panas konduksi pada suatu plat sebanding dengan beda temperature diantara dua sisi plat dan luasab perpindahan panas, tetapi berbanding terbalik dengan tebal plat”. Perpindahan kalor konduksi atau hantaran adalah perpindahan energi yang terjadi pada medium yang diam (padat atau zat yang dapat mengalir) apabila ada gradien temperatur dalam medium tersebut.

Hukum gerak Newton adalah tiga hukum fisika yang menjadi dasar mekanika klasik. Hukum ini menggambarkan hubungan antara gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya.