PERPINDAHAN KALOR

 

Kalor dapat berpindah dengan tiga cara: konduksi atau hantaran, konveksi atau aliran, dan radiasi atau pancaran.

 

Konduksi

 

Jika sebatang logam, misalnya, panjangya L, kedua ujungnya berbeda temperatur, maka kalor akan mengalir dari ujung bertemperatur tinggi ke ujung yang bertemperatur rendah. Bergantung pada jenis logam dan luas penampang tegak batang itu, arus kalor dapat kita tuliskan sebagai

= arus kalor

A         = luas penampang tegak

= beda temperatur kedua ujung

k          = koefisien konduksi thermal

L          = panjang batang

Jika sepanjang batang itu beda temperature merata, lebih umum dituliskan

Tanda negative dibubuhkan karena kalau temperature menurun dalam arah x positif, kalor mengalir dalam arah x positif pula. Faktor  disebut gradien temperature. Dalam peristiwa konduksi ini tidak ada massa zat yang berpindah.

 

 

Contoh:

Sebatang besi panjang 50cm, berpenampang seluas 2,5 cm², diberi bertangkai kayu yang berpenampang sama tetapi sepanjang 20 cm. Diketahui koefisien konduksi besi 50 Joule/s mK. Jika ujung besi bertemperatur 1000 K sedangkan ujung kayu bertemperatur 300 K. Berapakah temperatur di sambungan? Berapakah kalor yang mengalir tiap sekon?

( Anggaplah aliran kalor telah mencapai harga tetap ).

 

Penyelesaian :

Misalkan temperature di sambungan adalah T. Karena aliran kalor tetap, maka:

(50 joule/sec mK) (2,5 x 10m)

= (0,10 joule/sec mK)(2,5 x 10m)

(50 joule/sec mK)(2,5 x 10m) joule/sec

 

Konveksi

 

Jika perpindahan kalor dihasilkan oleh perpindahan massa zat, perpindahan kalor itu disebut konveksi. Peristiwa konveksi ini sukar dipecahkan secara analitik. Misalkan dua buah permkaan yang berhadapan mempunyai beda temperature T dan luas A. Walaupun dapat dituliskan

Besaran h yang disebut koefisien konveksi, tidak hanya bergantung pada jenis zat alir yang ada di antara kedua buah permukaan, tetapi juga pada kecepatan zat alir dan letak serta bentuk geometri kedua buah permukaan itu.

Kalau ditinjau saja aliran wajar yaitu zat mengalir hanya karena beda rapat massa, bukan karena paksaan pompa, didapatlah h masih bergantung pada , seperti tercantum dalam table berikut, untuk keping yang dikelilingi udara pada tekanan 1 atmosfer.

 

Alat	h (kol/sec.cmK)
Keping mendatar, menghadap ke atas   Keping mendatar, menghadap ke bawah   Keping tegak

 

Jadi, lebih tepat dituliskan , untuk keadaan seperti ini.

 

Contoh Soal

Temperatur dalam suatu ruangan dipertahankan C ; temperatur di luar . Berapakah kalor yang mengalir lewat kaca jendela tegak jika kaca itu seluas 4000 cm², setebal 2 mm dan mempunyai koefisien konduksi 0.002 kal det^-1 cm^-1 K^-1 ?

 

Penyelesaian :

Misalkan dinding dalam kaca bertemperatur T₁, dinding luar bertemperatur T₂.

 

 

Maka,

Akan lebih mudah dipecahkan jika digunakan pendekatan sebagai berikut :

Karena kaca tipis, maka :

dengan demikian = terjamin,

Kita uji pendekatan kita dari hasil ini dengan konduksi kaca :

 

Jadi pendekatan T₁ ≈ T₂ tidaklah terlalu buruk.

 

Radiasi

 

Oleh Stefan dan Boltzmann dikemukakan bahwa ‘benda hitam’ memancarkan energi setiap satuan waktu dan satuan luas, sebesar

Jika temperatur benda T,besaran  mempunyai harga tetap watt/m(K)

Karena benda yang kita jumpai sehari-hari bukan benda hitam, maka setiap satuan luas benda setiap satu satuan waktu menyerap energi sebesar , a disebut absorptivitas permukaan benda itu. Dalam keseimbangan, benda itu memancarkan dan menyerap energi yang sama besarnya, jadi

atau

Jika benda itu bertemperatur T sedangkan lingkungannya bertemperatur T, maka kalau luas permukaan benda itu A, terjadilah arus kalor sebesar:

dari lingkungan ke benda.

Contoh Soal

Sebuah bola berjari-jari 10 cm, bertemperatur 1000 K, permukaannya mempunyai emisivitas 0,75. Benda di sekelilingnya bertemperatur 300 K. Berapakah daya yang harus diberikan pada bola itu agar temperaturnya tetap 100 K?

(Anggaplah perpindahan kalor hanya melalui radiasi saja)

 

Penyelesaian :