Perpindahan Kalor

PERPINDAHAN KALOR  

A. Tujuan Pembelajaran

Adapun tujuan setelah mempelajari materi ini yaitu :

1. Siswa dapat memahami konsep perpindahan kalor dan menerapkannya untuk menyelesaikan masalah yang berhubungan dengan konsep perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari.

 

B. Pembahasan Materi

Pernahkah kalian menanak nasi? Menurut pendapatmu, peristiwa apa yang menyebabkan beras yang bertekstur keras dapat berubah menjadi nasi yang lunak dan lembut? Tentu hal ini terjadi karena adanya perpindahan kalor dari  api kompor ke beras dan air yang berada dalam wadah pemasak itu. Bagaimanakah cara kalor berpindah? Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu  konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Konduksi 

Proses perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa diikuti perpindahan bagian-bagian zat itu disebut konduksi  atau hantaran. Misalnya, salah satu ujung batang besi kita panaskan. Akibatnya, ujung besi yang lain akan terasa panas. 

Coba perhatikan gambar berikut:

 

Pada batang besi yang dipanaskan, kalor berpindah dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Jadi, syarat terjadinya konduksi kalor pada suatu zat adalah adanya perbedaan suhu. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor adalah zat yang mudah menghantarkan kalor (penghantar yang baik). Isolator adalah zat yang sulit menghantarkan kalor (penghantar yang buruk).

Secara sederhana laju perpindahan kalor bisa dirumuskan sebagai kalor yang mengalir persatuan waktu. Laju perpidahan kalor secara koduksi dirumuskan sebagai perkalian antara konduktivitas kalor (k) dengan luas penampang (A) dan selisih suhu kedua titik ( T2-T1) dibagi dengan jarak kedua titik (x). Rumus laju perpindahan kalor nya:

Contoh Soal
Sebuah lempeng baja mempunyai luas penampang 20 cm² panjang 50 cm. Jika perubahan suhu yang terjadi antara 2 titik yang jaraknya 1 m pada lempeng baja tersebut adalah 50^o C dan Konduktivitas kalor dari lempeng baja tersebut adalah 0,16 W/mK. Berapa laju perpindahan kalor?
Jawab

                      = 0,16 x 20 x (10^-4 50) /1
                       = 1,6. 10^-3  W/m²
2. Konveksi
            Proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan  perpindahan bagian-bagian yang dilaluinya disebut konveksi atau aliran.  Konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas.
a. Konveksi pada Zat Cair
Syarat terjadinya konveksi padaz at cair adalah adanya  pemanasan. Hal ini disebabkan partikel-partikel zat cair ikut berpindah  tempat.
b. Konveksi pada Gas
Konveksi terjadi pula pada gas, misalnya udara.  Seperti halnya pada air, rambatan (aliran) kalor dalam gas (udara)  terjadi dengan cara konveksi. Beberapa peristiwa yang terjadi akibat adanya konveksi udara adalah sebagai berikut:
1) Adanya angin laut. Angin laut terjadi pada siang hari. Pada siang  hari, daratan lebih cepat menjadi panas daripada lautan sehingga  udara di daratan naik dan digantikan oleh udara dari lautan.
2). Adanya angin darat, Angin darat terjadi pada malam hari.  Pada malam hari, daratan lebih cepat menjadi dingin daripada lautan.  Dengan demikian, udara di atas lautan naik dan digantikan oleh udara dari daratan.

 

3) Adanya sirkulasi udara pada ruang kamar di rurnah
4) Adanya cerobong asap pabrik.

Besar kecilnya kalor yang merambat secara konveksi dapat dihitung menggunakan persamaan :

Q : kalor (Joule)
t: selang waktu yang diperlukan (s)
H = koefisien konvekssi
A : luas penampang(m2)
ΔT : perbedaan temperatur (K)

3. Radiasi

Proses perpindahan kalor tanpa zat perantara disebut radiasi atau  pancaran. Kalor diradiasikan dalam bentuk gelombang elektromagnetik,  gelombang radio, atau gelombang cahaya. Misalnya, radiasi panas dari api  Apabila kita berdiam di dekat api unggun, kita merasa hangat.  Kemudian, jika kita memasang selembar tirai di antara api dan kita, radiasi  kalor akan lerhalang oleh tirai itu. Dengan demikian, kita dapat mengatakan  bahwa:

Kalor dari api unggun atau matahari dapat dihalangi oleh tabir sehingga kalor tidak dapat merambat.  Ada beberapa benda yang dapat menyerap radiasi kalor atau menghalanginya. Alat yang digunakan untuk mengetahui atau  menyelidiki adanya radiasi disebut termoskop, seperti yang tampak  pada gambar berikut:

 

Dari hasil penyelidikan dengan menggunakan termoskop, kita  dapat mengetahui bahwa: 

1)      Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap atau  permancar radiasi kalor yang baik.

2)      Permukaan yang putih dan mengkilap adalah penyerap atau  pemancar radiasi yang buruk.

            Laju penyerapan kalor yang dipancarkan secara radiasi dirumuskan:

 

Dengan e adalah emisivitas benda, dimana jika benda hitam mempunyai nilai e = 1 jka benda berwarna hitam dan e bernilai 0 (nol) jika benda berwarna putih. σ adalah konstanta Setfan-Boltzman σ = 5,67 x10 ^-8C. A adalah luas permukaan benda dan T adalah suhu dalam kelvin.

Contoh:

1. Benda hitam sempurna luas permukaannya 1 m² dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b.. energi total yang dipancarkan selama 1 jam

Jawab:

Dik : Benda hitam, maka e = 1

T₁ = 300 K

T₂ = 350 K

σ = 5,67.10^-8 watt m^-2K^-4

Dit: a. Q

       b. R

Jawab:

a.       Kalor yang diserap per satuan waktu 

Q = e σ ( T₂⁴ – T₁⁴)

= 1x 5,67.10^-8 x (350⁴ – 300⁴)

= 391,72 watt/m²

b.      Energi total yang dipancarkan selama 1 jam

             R = Q/A.t

= 391,72 / 1 x 3600

= 1.410.120 Joule