MM 091351 FENOMENA TRANSPORT KREDIT 3 SKS SEMESTER

MM 091351 FENOMENA TRANSPORT KREDIT: 3 SKS SEMESTER: 5 Dr. Eng. Hosta Ardhyananta, S. T. , M. Sc. BAHAN AJAR ON-LINE 5 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER (ITS) SURABAYA

• Perpindahan momentum terjadi karena adanya perbedaan kecepatan • Perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan temperatur

PENGARUH TEMPERATUR DAN TEKANAN PADA KONDUKTIVITAS TERMAL GAS DAN CAIRAN • Data konduktivitas panas terbatas. Pendekatan k diperoleh dari data lain • Konduktivitas panas berubah tergantung tekanan dan temperatur • Perhatikan gambar konduktivitas panas

• Analisis dilakukan pada konduktivitas panas material satu atom • Konduktivitas panas gas mendekati fungsi batas pada tekanan rendah. Batasnya adalah tekanan 1 atm • Konduktivitas panas gas meningkat dengan meningkatnya temperatur • Konduktivitas panas cairan menurun dengan meningkatnya temperatur • Daerah cairan, polar memiliki hubungan tersendiri

• Untuk PEMAHAMAN : Perkirakan konduktivitas panas etana pada 153 o. F dan 191. 9 atm dari harga atmosphere k 0 = 0. 0159 Btu hr-1 ft-1 o. F-1 pada temperatur ini

• Solusi: …

TEORI KONDUKTIVITAS TERMAL GAS DENSITAS RENDAH • Mekanisme transport konduktivitas thermal dilihat secara molekular • Perhitungan berdasarkan satu-atom gas pada densitas rendah • Molekul pada keadaan kaku, bulat/lingkaran, tidak ada tarikan, massa m dan diameter d. Gas keseluruhan dalam istirahat (v=0), tetapi gerakan molekul diperhitungkan. • Teori kinetik gas • Ū = kecepatan molekuler rata-rata • Z = frekuensi tabrakan dinding setiap satuan luas • λ= jarak bebas rata-rata • a = jarak tabrakan

• Bentuk energi yang ditukar dalam tabrakan adalah energi translasional (berpindah posisi) • Kita gunakan kapasitas panas setiap mol pada volume yang konstan (Cv)

• Penentuan konduktivitas panas dilakukan dengan mengamati kelakuan gas pada gradien temperatur d. T/dy • Rata-rata energi kinetik ketika tabrakan pada daerah temperatur T • Fluks panas qy yang melintasi bidang adalah jumlah energi kinetik

• Hukum Fourier untuk konduksi panas dengan konduktivitas panas • K tak-bergantung pada tekanan; hingga 10 atm; mirip dengan viskositas

• Teori Chapman-Enskog yang lebih teliti menyatakan bahwa konduktivitas thermal • Ωk serupa dengan fungsi tabrakan Ω • Nilai Ωk dan Ω diberikan untuk model potensial antarmolekul Lennard-Jones di Appendix B tabel B. 2. Serupa dengan penggunaan nilai numerik σ dan ε yang digunakan pada perhitungan viskositas (lihat Tabel B. 1)

• Kesesuaian antara k dan l l l Pembahasan konduktivitas panas yang sebelumnya membahas gas satu-atom dengan menggunakan banyak pendekatan dalam bentuk sederhana Pendekatan umum gas banyak-atom Generalisasi diperlukan karena molekul atombanyak memiliki energi rotasi dan vibrasi selain energi translasi

• Persamaan Eucken untuk konduktivitas thermal atom-banyak densitas rendah • Kapasitas panas , Cp = 5/2 (R/M) • Persamaan Hirschfelder • Perkiraan angka Prandtl (perbandingan viskositas dan konduktivitas), Pr ; untuk nonpolar • Metode empirik untuk memprediksi k gas atombanyak juga diformulasikan oleh Bromley • Teori kinetik atom-banyak dan polar gas

• Konduktivitas panas campuran gas densitas rendah dapat diprediksi dengan metode analog serupa dengan viskositas sesuai dengan fraksi mol setiap gas

Komputasi / perhitungan konduktivitas panas gas satu-atom pada densitas rendah • Untuk PEMAHAMAN perhitungan konduktivitas panas gas: Hitung konduktivitas panas neon pada 1 atm dan 373. 2 o. K

• Jawaban :

Perkiraan konduktivitas panas gas banyak-atom pada densitas rendah • Untuk PEMAHAMAN konduktivitas gas: Perkirakan konduktivitas panas molekular oksigen pada 300 o. K dan tekanan rendah

• Jawaban :

Prediksi konduktivitas panas campuran gas pada densitas rendah • Untuk PEMAHAMAN konduktivitas panas campuran gas: Perkirakan konduktivitas panas campuran gas (CO 2: O 2 : N 2 = 0. 133 : 0. 039 : 0. 828) pada 1 atm dan 293 o. K

• Jawaban :

TEORI KONDUKTIVITAS TERMAL CAIRAN • Teori perpindahan energi untuk cairan murni diusulkan oleh Bridgmann pada tahun 1923 • Molekul disusun dalam kisi kubik

• Energi dipindahkan dari satu bidang kisi ke sebelahnya dengan kecepatan suara vs • Formula dikembangkan berdasarkan teori gas l Persamaan Bridgman l Persamaan lainnya

• Asumsi berdasarkan setiap molekul bergetar dalam kisi/kandang yang dibentuk oleh tetangga terdekatnya • Kecepatan suara frekuensi rendah diberikan l Kuantiti turunan diperoleh dari kemampuantekan isothermal

Prediksi konduktivitas panas cairan • Untuk PEMAHAMAN konduktivitas panas cairan: Densitas cairan CCl 4 pada 20 o. C dan 1 atm adalah 1. 595 g cm-3, dan kompresibilitas 90. 7 x 10 -6 atm-1. Berapakah konduktivitas panasnya?

• Jawaban :

TEORI KONDUKTIVITAS TERMAL PADATAN • Bergantung banyak faktor yang sulit untuk diukur atau diprediksi. • Pada padatan pori, konduktivitas panas bergantung pada fraksi pori, ukuran dan fluida dalam pori • Pada material kristal, ukuran fasa dan kristal berpengaruh • Pada padatan amorphous, derajat orientasi molekul memiliki efek penting • Konduktivitas panas padatan didiskusikan oleh Jakob • Logam lebih menghantarkan panas dibanding nonlogam

• Material kristal menghantarkan panas lebih baik daripada amorphous material • Padatan berpori kering lebih rendah menghantarkan panas sehingga baik untuk insulasi panas

• Konduktivitas logam murni berkurang dengan meningkatnya temperatur, sementara non-logam meningkat • Konduktivitas panas dan elektrik bersamaan l l l Persamaan Wiedemann, Franz dan Lorenz Angka Lorenz, L Pada temperatur yang sangat rendah, logam menjadi superkonduktor elektrik, tetapi bukan untuk panas

l l l Persamaan diatas terbatas untuk paduan karena L bervariasi tergantung komposisi dan temperatur Untuk logam murni, elektron bebas adalah pembawa panas utama Persamaan tidak cocok untuk non-logam karena elektron bebas yang rendah. Energi berpindah oleh utamanya gerakan molekul