konduksi teori

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

I.

Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum (Reynold dan Perkins, 1983)

Gambar . Perpindahan Kalor Konduksi J.P. Heat Transfer Transfer 10th Edition) (Sumber: Holman, J.P. Heat Perpindahan kalor konduksi satu dimensi melalui padatan diatur oleh Hukum Fourier, yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

= −  

Di mana q adalah laju perpindahan kalor dan T/x merupakan T/x merupakan gradien suhu ke arah  perpindahan kalor. Konstanta positif k   disebut konduktivitas atau thermal conductivity benda conductivity benda itu, sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu. (Holman, 2009) II.

Konduktivitas Termal  Nilai kondukitivitas termal (k) suatu k) suatu bahan menunjukkan laju perpindahan panas yang mengalir dalam suatu bahan. Konduktivitas termal kebanyakan bahan merupakan fungsi dari suhu dan bertambah sedikit jika suhu naik, akan tetapi variasinya kecil dan sering kali diabaikan. Jika nilai konduktivitas thermal suatu  bahan makin besar, maka makin besar juga panas yang mengalir melalui benda tersebut. Sehingga, bahan yang yang memiliki konduktivitas termal yang besar biasanya dikategorikan sebagai penghantar panas yang baik dan begitu sebaliknya. Konduktivitas termal mempunyai satuan Watt/m◦C atau BTU/jam.ft◦F.

∆  = ∆ =  ∆∆    =  ∆ ∆

Jika perubahan nilai k merupakan fungsi linear terhadap perubahan suhu, maka hubungan tersebut dapat dituliskan:

 = +

III.

Tahanan Kontak Termal Tahanan kontak termal terjadi saat dua permukaan padatan disambungkan. Adanya faktor kekasaran permukaan menyebabkan terbentuknya celah udara yang sempit. Dua sisi batang yang diisolasi menyebabkan aliran kalor hanya terjadi pada arah aksial (searah sejajar poros), yang membuat terjadinya penurunan suhu secara tiba-tiba. Terdapat dua hal yang berkontribusi pada timbulnya tahanan kontak termal, yaitu (1) konduksi padat padat pada titik kontak, serta (2) konduksi oleh gas yang terperangkap pada ruang kosong akibat kontak antarmaterial.

Gambar . Tahanan Kontak Termal antara Dua Padatan (Sumber: Holman, J.P. Heat Transfer 10th Edition) Aliran kalor yang melintasi sambungan dapat dinyatakan sebagai berikut

 =  −  +    −  = 1/ℎ−  2  + 2  sehingga didapatkan h , koefisien kontak sebesar: ℎ = 1 (   2+ +     ) c

Dimana:  Ac = bidang kontak  Av = bidang kosong  L g  = tebal ruang kosong k  f  = konduktivitas termal fluida yang mengisi ruang kosong A = Luas penampang total batangan IV.

Konduksi Tunak ( Steady State) Konduksi dalam keadaan tunak atau  steady state digambarkan sebagai konduksi ketika suhu yang dihantarkan tidak berubah atau distribusi suhu kosntan terhadap waktu. temperatur tidak bergantung pada waktu. Persamaan dasar dari konsep  perpindahan kalor konduksi tunak satu dimensi adalah hukum Fourier.

= − ∆− 

Dengan mengaplikasikan persamaan Fourier tersebut, pada dinding datar berlaku  persamaan:

  − ]   = −  [ −  +   ∆ 2

Jika suatu aliran kalor dilewatkan pada bidang datar yang disusun berlapis secara seri dengan bahan yang memiliki harga konduktivitas termal berbeda-beda, maka  persamaan dapat dituliskan sebagai berikut:

 = ∆ ∆−4 ∆   +   +  

Gambar . Perpindahan kalor konduksi satu dimensi pada dinding berlapis (Sumber: Holman, J.P. Heat Transfer 10th Edition)

V.

Konduksi Tak Tunak (Unsteady State) Perpindahan kalor konduksi tak tunak memiliki perbedaan dengan konduksi tunak di mana terdapat perubahan energi internal. Contoh aplikasi dari konduksi tak tunak adalah proses pemanasan dan pendinginan makanan. Hal ini disebabkan  benda mengalami perubahan lingkungan dan terjadi aliran kalor yang tidak langsung setimbang secara termal. Sehingga, pada perpindahan konduksi tak tunak, temperatur merupakan fungsi dari waktu dan jarak. Perpindahan konduksi tak tunak terjadi saat suhu berubah terhadap waktu, yang mengakibatkan pada persamaan konduksi tak tunak

mengandung suku

.  Persamaan 

dituliskan secara umum:

perpindahan kalor konduksi tak tunak dapat

 = 1    ∝ 

Di mana pada konduksi tidak tunak terdapat sumber kalor pada benda sehingga diperlukan adanya neraca energi. Persamaan konduksi tak tunak satu dimensi dapat dituliskan sebagai berikut:

 ( ) +  =      