PERPINDAHAN PANAS Heat and Mass Transfer A Practical

PERPINDAHAN PANAS Heat and Mass Transfer: A Practical Approach Third Edition Yunus A. Cengel Mc. Graw-Hill Chapter 1 PENGANTAR DAN KONSEP DASAR

Tujuan • Mengetahui bagaimana kaitan antara ilmu termodinamika dan perpindahan panas. • Membedakan energi termal dari berbagai bentuk-bentuk energi, dan perpindahan panas dari berbagai bentuk-bentuk perpindahan energi. • Mengetahui kesetimbangan energi umum dan kesetimbangan energi permukaan. • Mengetahui mekanisme dasar dari perpindahan panas konduksi konveksi dan radiasi, Fourier's law of heat conduction, Newton's law of cooling, dan the Stefan–Boltzmann law of radiation. • Mengidentifikasi mekanisme perpindahan panas yang terjadi secara simultan dalam aplikasinya. • Menyelesaikan berbagai permasalahan perpindahan panas yang ada di lapangan. 2

TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS • Panas: bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu sistem ke sistem lainnya sebagai hasil dari perbedaan temperatur. • Termodinamika: berkaitan dengan jumlah perpindahan panas (the amount of heat transfer) pada suatu sistem yang mengalami suatu tingkat keadaan (kesetimbangan) ke tingkat keadaan (kesetimbangan) lainnya. • Perpindahan panas: berkaitan dengan penentuan laju perpindahan energi (the rates of energy transfers) dan variasi temperatur. 3

TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS (Cont) • Perpindahan energi dalam bentuk panas selalu dari media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur rendah. • Perpindahan panas berhenti ketika dua media telah mencapai temperatur yang sama. • Panas dapat dipindahkan dalam tiga bentuk: konduksi, konveksi, dan radiasi 4

5

Aplikasi perpindahan panas 6 6

Latar belakang (sejarah) Teori Kinetik : memperlakukan molekul seperti bola-bola kecil yang bergerak dan memiliki energi kinetik. Panas: energi yang berkaitan dengan gerakan random dari atom dan molekul. Teori Kalori : panas adalah sebuah substansi/bahan fluida yang disebut caloric tanpa/sedikit massa, warna, bau dan rasa yang mengalir dari satu benda ke benda lain (awal abad 19). Percobaan cermat dari James P. Joule yang dipublish 1843 menghilangkan keraguan bahwa panas bukanlah substansi/bahan sama sekali, sehingga membatalkan caloric theory. 7

8

PERPINDAHAN PANAS-ENGINEERING Peralatan perpindahan panas seperti heat exchangers, boilers, condensers, radiators, heaters, furnaces, refrigerators, and solar collectors didesain berdasarkan analisa perpindahan panas. Problems/permasalahan-permasalahan perpindahan panas yang terjadi di lapangan dapat diselesaikan secara: (1) rating dan (2) sizing problems. The rating problems berkaitan dengan penentuan laju perpindahan panas suatu sistem pada kondisi perbedaan temperatur tertentu. The sizing problems berkaitan dengan penentuan ukuran dari sebuah sistem untuk memindahkan panas pada laju dan perbedaan temperatur tertentu. 9

PERPINDAHAN PANAS-ENGINEERING(Cont) Suatu peralatan dan proses rekayasa (engineering) dapat dipelajari secara eksperimen (testing and taking measurements) atau bersifat analisis ( analysis or calculations). Pendekatan eksperimen mempunyai keuntungan berkaitan dengan sistem fisik yang aktual, jumlah yang dibutuhkan ditentukan melalui pengukuran dalam batas-batas kesalahan (experimental error). Namun, pendekatan ini mahal, waktu yang lama dan sering tidak praktis. Pendekatan analisis (termasuk pendekatan numerik) mempunyai keuntungan cepat dan murah, tetapi hasil yang didapat tergantung kepada keakuratan, asumsi, pendekatan dan idealisasi yang dibuat dalam analisis. 10

Pemodelan dalam Engineering 11

PANAS DAN BENTUK - BENTUK LAIN DARI ENERGI • Energi dapat berada dalam bentuk-bentuk: ü Termal, ü Mekanikal, ü Kinetik, ü Potensial, ü Listrik, ü Magnetic, ü Kimia, ü Nuklir. • Jumlah keseluruhan disebut energi total E (atau e pada satuan massa) dari suatu sistem. • Jumlah keseluruhan dari bentuk-bentuk microscopic energi disebut energi dalam (internal energy) dari suatu sistem. 12

PANAS DAN BENTUK - BENTUK LAIN DARI ENERGI (Cont) • Energi dalam : jumlah dari energi kinetik dan potensial dari molekul-molekul. • Panas sensibel: energi kinetik dari molekul-molekul. • Panas laten: energi dalam berkaitan dengan fasa dari suatu sistem. • Energi kimia (ikatan): energi dalam berkaitan dengan ikatan atom dalam sebuah molekul. • Energi nuklir: energi dalam berkaitan dengan ikatan-ikatan di dalam inti atom itu sendiri. 13

Energi Dalam dan Entalpi • Dalam analisa dari suatu sistem aliran fluida, kita sering menemukan gabungan sifat-sifat u dan Pv. • Gabungan tersebut dikenal dengan entalpi (h = u + Pv). • Istilah Pv mewakili aliran energi fluida (juga dikenal kerja aliran). 14

Panas Spesifik dari Gas, Liquid, dan Solid • Panas spesifik: energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan temperatur dari suatu satuan massa zat hingga satu derajat (degree). • Dua jenis panas spesifik: ü panas spesifik pada volume konstan cv ü panas spesifik pada tekanan konstan cp • Panas spesifik suatu zat, secara umum, tergantung kepada dua sifat-sifat bebas temperatur dan tekanan. • Pada tekanan rendah semua gas nyata (real gas) mendekati sifat gas ideal, sehingga panas spesifiknya hanya bergantung pada temperatur saja. 15

• Zat Incompressible : suatu zat yang memiliki volume spesifik (atau density) yang tidak berubah dengan temperatur atau tekanan. • Panas spesifik masing-masing pada volume dan tekanan konstan adalah sama/identik untuk zat incompressible. • Panas spesifik dari zat incompressibel bergantung hanya kepada temperatur saja. 16

Perpindahan Energi dapat dipindahkan ke atau dari suatu massa yang diberikan melalui dua mekanisme: Ketika konstan: perpindahan panas dan kerja Laju perpindahan panas: sejumlah panas yang dipindahkan per satuan waktu. Heat flux: laju perpindahan panas per satuan luas tegak lurus terhadap perpindahan panas. Power: kerja yang dilakukan per satuan waktu. 17

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA Hukum pertama termodinamika (prinsip kelestarian energi) menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dihancurkan dalam/selama suatu proses, akan tetapi hanya dapat diubah bentuknya. Selisih (naik atau turun) energi total dari suatu sistem selama proses berlangsung akan sama dengan perbedaan antara total energi masuk dan yang meninggalkan sistem tersebut selama proses berlangsung. Kesetimbangan energi dalam bentuk laju (rate) 18

Didalam problems perpindahan panas, tepat untuk menuliskan kesetimbangan panas ( heat balance ) dan memberlakukan konversi dari energi nuklir, kimia, mekanikal, dan listrik ke dalam energi termal sebagai pembangkitan panas (heat generation). 19

Kesetimbangan Energi untuk Sistem Tertutup (Massa Tetap) Sebuah sistem tertutup mempunyai massa tetap. Energi total E untuk kebanyakan sistem yang ditemui di lapangan terdiri dari energi dalam U. Kasus khusus ini adalah untuk sistem statis jika tidak ada perubahan pada kecepatan atau ketinggian dalam suatu proses. 20

Kesetimbangan Energi Untuk Sistem Aliran Stedi Banyak peralatan-peralatan seperti pemanas air dan radiator mobil termasuk kedalam aliran massa pada sistem ( in and out of a system), dan dimodelkan sebagai control volumes. Banyak control volumes dianalisa pada kondisi operasi steadi. Istilah steadi berarti tidak berubah terhadap waktu pada lokasi yang ditentukan. Laju aliran massa: sejumlah massa yang mengalir melalui cross section dari sebuah flow device per satuan waktu. Laju aliran massa: volume fluida yang mengalir melewati sebuah pipa atau saluran per satuan waktu. 21

Kesetimbangan Energi Permukaan Sebuah permukaan tanpa volume atau massa, dan selanjutnya tanpa energi. Sehingga, sebuah permukaan dapat dipandang sebagai suatu a sistem khayal (fictitious). Hubungan ini valid untuk kedua kondisi steady dan transient, dan kesetimbangan energi permukaan tidak memasukkan pembangkitan panas (heat generation) karena permukaan tersebut tidak mempunyai volume. 22

MEKANISME PERPINDAHAN PANAS • Panas dapat dipindahkan melalui tiga bentuk (mode): üKonduksi üKonveksi üRadiasi • Seluruh bentuk perpindahan panas membutuhkan keberadaan perbedaan temperatur. 23

KONDUKSI Konduksi: perpindahan energi dari partikel zat yang lebih energetic ke bagian partikel terdekat yang kurang energetic sebagai hasil interaksi diantara partikel-partikel tersebut. Pada gas dan liquid, konduksi disebabkan oleh tabrakan (collisions) dan penyebaran (diffusion) dari molekul selama pergerakan random. Pada solids, konduksi disebabkan oleh gabungan getaran molekul (vibrations ) dalam sebauah lattice dengan penjalaran energi melalui elektron bebas ( free electrons ). Laju konduksi panas melewati sebuah lapisan bidang datar sebanding terhadap beda temperatur dan berbanding terbalik dengan ketebalan. Konduksi panas melewati dinding datar ketebalan x dan luas A. 24

Ketika x → 0 Fourier’s law of heat conduction Konduktivitas termal, k: suatu ukuran kemampuan material untuk menghantarkan panas. Gradien temperatur d. T/dx: kemiringan kurva temperatur pada sebuah diagram T-x. Panas dikonduksikan searah dengan penurunan temperatur, dan gradien temperatur menjadi negatif ketika temperatur turun terhadap peningkatan x. Tanda negatif didalam persamaan untuk menjamin bahwa perpindahan panas dalam arah x positif adalah sebuah nilai positif. Pada analisis konduksi panas, A merupakan luas (area) yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas. Laju konduksi panas melewati sebuah benda solid sebanding dengan konduktivitas termal. 25

26

Konduktivitas Termal Konduksi termal material : sebuah ukuran kemampuan material menghantarkan panas. Nilai yang tinggi dari konduktivitas termal bahan mengindikasikan material tersebut merupakan konduktor yang baik, dan sebaliknya nilai yang rendah merupakan konduktor yang jelek (isolator). Sebuah experimental setup untuk menentukan konduktivitas termal material. 27

Batasan konduktivitas termal dari berbagai material pada kondisi temperatur lingkungan. 28

Kristal murni dan logam mempunyai konduktivitas termal tertinggi, dan material gas dan isolator yang terendah. Mekanisme konduksi panas pada fase-fase yang berbeda dari material. 29

Variasi dari berbagai konduktivitas termal bahan terhadap temperatur ( solid, liquid, and gas). 30

Difusivitas termal Panas spesifik cp, J/kg · °C: panas spesifik per satuan massa Kapasitas panas cp, J/m 3·°C: kapasitas panas per satuan volume Difusivitas termal , m 2/s: seberapa cepat panas menyebar dalam sebuah material Sebuah material yang mempunyai konduktivitas termal yang tinggi atau kapasitas termal yang rendah akan mempunyai difusitas termal yang tinggi. Difusivitas termal yang lebih tinggi, maka akan semakin cepat penjalaran panas ke dalam media. Nilai yang kecil dari difusitas termal berarti panas secara umum diserap oleh material dan hanya sebagian kecil yang dikonduksikan. 31

KONVEKSI Konveksi: bentuk perpindahan energi diantara permukaan benda padat dan fluida sekitar yang bergerak dan melibatkan pengaruh kombinasi konduksi dan pergerakan fluida. Aliran fluida yang lebih cepat, maka perpindahan panas konveksinya akan menjadi lebih tinggi. Tanpa adanya pergerakan fluida (bulk fluid motion), perpindahan panas diantara permukaan benda solid dan fluida sekitar merupakan konduksi murni. Perpindahan panas dari sebuah permukaan panas ke udara sekitar melalui konveksi. 32

Konveksi paksa: jika fluida dipaksa untuk mengalir diatas permukaan benda padat menggunakan fan, pompa, dll. Alami (atau konveksi bebas ): jika pergerakan fluida disebabkan oleh gaya-gaya apung (buoyancy forces) yang dipengaruhi oleh perbedaan densitas dan variasi temperatur pada fluida tersebut. Pendinginan sebuah telur panas yang telah direbus melalui proses konveksi paksa dan alami. Proses perpindahan panas yang melibatkan perubahan fase dari fluida juga dianggap sebagai konveksi karena pengaruh pergerakan fluida selama proses. Contoh : peningkatan gelembung-gelembung uap selama proses pendidihan atau terbentuknya tetesan-tetesan cairan 33 selama proses kondensasi.

Newton’s law of cooling h As Ts T koefisien perpindahan panas konveksi, W/m 2 · °C luas permukaan perpindahan panas konveksi temperatur permukaan temperatur fluida sekitar permukaan Koefisien perpindahan panas konveksi h bukan merupakan sifat dari fluida. Nilai parameter ini ditentukan secara eksperimen tergantung kepada pengaruh nilai-nilai varibel konveksi seperti - geometri permukaan - sifat pergerakan fluida - sifat-sifat fluida - kecepatan fluida 34

35

RADIASI • Radiasi: energi yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk gelombang electromagnetic (atau photons) sebagai hasil dari susunan elektron atom dan molekul. • Tidak seperti konduksi dan konveksi, perpindahan panas radiasi tidak membutuhkan media perantara. • Perpindahan panas radiasi adalah yang tercepat (pada kecepatan cahaya) dan terjadi tanpa halangan pada kondisi vakum. • Radiasi termal yang merupakan bentuk radiasi akan dipancarkan oleh semua benda karena temperatur dari benda tersebut. • Semua benda pada temperatur diatas nol absolut mengemisi radiasi termal. • Radiasi merupakan volumetric phenomenon, dan semua benda solid, liquid, dan gas akan mengemisi, menyerap, atau mentransmisikan radiasi dalam tingkatan yang bervariasi. • Namun radiasi biasanya dianggap dengan surface phenomenon untuk benda padat. 36

Stefan–Boltzmann law = 5. 670 10 8 W/m 2 · K 4 Stefan–Boltzmann constant Blackbody: permukaan ideal yang mengemisi radiasi pada laju maksimum. Radiasi yang diemisi oleh permukaan nyata Emissivity : ukuran emisi benda seberapa dekat dengan permukaan benda hitam ( = 1). 0 1. Radiasi benda hitam dalam jumlah maksimum yang dipancarkan (emisi) dari sebuah permukaan pada temperatur tertentu. 37

Absorptivity : fraksi radiasi datang yang diserap oleh sebuah permukaan. 0 1 Benda hitam keseluruhan radiasi datang ( = 1). Kirchhoff’s law : emissivity dan absorptivity dari sebuah permukaan pada temperatur dan panjang gelombang tertentu adalah sama. Penyerapan radiasi datang pada sebuah permukaan buram. 38

Net radiation heat transfer: Perbedaan antara laju radiasi (perpindahan panas) yang dipancarkan permukaan dan yang diserap. Penentuan dari net rate of heat transfer (radiasi) diantara dua permukaan tergantung: • sifat-sifat permukaan • arah diantara kedua permukaan • interaksi dari media diantara permukaan Ketika sebuah permukaan yang tertutup sempurna oleh sebuah permukaan yang sangat luas pada temperatur lingkungan Tsurr yang dipisahkan oleh gas (seperti udara), perpindahan panas (net rate of radiation) diantara dua permukaan ini diberikan oleh : Radiasi biasanya significant bersamaan dengan konduksi atau konveksi alami, tetapi diabaikan dengan konveksi paksa. Perpindahan panas radiasi diantara sebuah permukaan dan permukaan sekitarnya. 39

Ketika radiasi dan konveksi terjadi secara simultan antara sebuah permukaan dan gas: Koefisien perpindahan panas gabungan hgabungan Memasukkan pengaruh keduanya konveksi dan radiasi 40

MEKANISME PERPINDAHAN PANAS SIMULTAN Perpindahan panas terjadi hanya melalui konduksi pada benda buram, tetapi melalui konduksi dan radiasi dalam benda padat semitransparent. Pada sebuah benda padat dapat mengalami konduksi dan radiasi tetapi bukan konveksi. Benda padat dapat mengalami konveksi dan/atau radiasi pada permukaannya yang diekpose ke fluida atau permukaan-permukaan lain. Perpindahan panas melalui konduksi dan kemungkinan radiasi pada suatu fluida (tidak ada pergerakan fluida) dan melalui konveksi dan radiasi pada fluida yang bergerak. Konveksi = konduksi + pergerakan fluida Perpindahan panas melalui ruang vakum adalah melalui radiasi. Walaupun ada tiga mekanisme perpindahan panas, sebuah media Umumnya gas diantara dua permukaan benda hanya mengalami dua dari padat tidak menghalangi proses radiasi. mekanisme tersebut secara simultan. Cairan biasanya merupakan absorber yang 41 kuat dari proses radiasi.

TEKNIK PENYELESAIAN MASALAH • Step 1: Pernyataan Masalah (Problem Statement) • Step 2: Skema (Schematic) • Step 3: Asumsi dan Pendekatan (Assumptions and Approximations) • Step 4: Rumus (Physical Laws) • Step 5: Sifat (Properties) • Step 6: Perhitungan/Analisis (Calculations) • Step 7: Komentar (Reasoning, Verification, and Discussion) 42

43

44

EES (Engineering Equation Solver) EES adalah suatu program yang menyelesaikan sistem linear atau nonlinear pada persamaan aljabar atau differential secara numerik. EES mempunyai pustaka lengkap terhadap fungsi sifat termodinamika dan fungsi matematika. EES tidak menyelesaikan engineering problem; hanya menyelesaikan persamaan yang diinput oleh pengguna. 45

Summary • Termodinamika dan Perpindahan Panas ü Aplikasi perpindahan panas ü Latar belakang (sejarah) • Perpindahan Panas (Engineering) ü Pemodelan dalam engineering • Panas dan Bentuk-Bentuk Lain Energi ü Panas spesifik dari gases, liquids, and solids ü Transfer Energi • Hukum Pertama Termodinamika ü Kesetimbangan energi sistem tertutup (Massa Tetap) ü Kesetimbangan energi untuk berbagai sistem aliran steady ü Kesetimbangan energi permukaan 46

• Mekanisme Perpindahan Panas • Konduksi ü Fourier’s law of heat conduction ü Konduktivitas Termal ü Difusitas Termal • Konveksi ü Newton’s law of cooling • Radiasi ü Stefan–Boltzmann law • Mekanisme Perpindahan Panas Simultan • Teknik Penyelesaian Masalah ü Engineering Equation Solver (EES) 47