Kalor
adalah sebuah bentuk energi yang secara spontan berpindah dari temperatur yang
lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Sampai saat ini dikenal tiga
macam cara kalor berpindah yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
Konduksi
Jika salah satu ujung sebuah
batang logam dipanaskan sedangkan ujung lainnya dibiarkan maka lambat laun
ujung yang tidak dipanaskan akan menjadi panas juga. Pada kejadian ini terjadi
perpindahan kalor dari ujung yang dipanaskan (temperature tinggi) ke ujung yang
tidak dipanaskan (temperature rendah). Perpindahan kalor seperti ini dikenal
dengan nama konduksi.
Gambar 1. Perpindahan kalor konduksi (sumber gambar: https://commons.wikimedia.org/)
Pada perpindahan konduks, tidak
terjadi perpindahan molekul dan terjadi jika ada medium (dalam kasus ini adalah
batang logam). Perpindahan kalor secara konduksi dapat dimodelkan secara
matematis sebagai berikut.
Dimensi pada perpindahan kalor secara
konduksi
Konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi
terjadi disertai dengan pergerakan molekul dan biasanya terjadi pada fluida
(zat alir). Sebagai contoh adalah jika secangkir air panas diletakkan di
ruangan yang sejuk. Pada kasus ini terdapat perbedaan temperatur antara
secangkir air panas dengan udara (fluida) ruangan yang sejuk. Udara yang sangat
dekat dengan cangkir mengalami kenaikan temperatur karena menempel dengan permukaan
cangkir yang panas. Udara yang memiliki temperatur lebih tinggi akan menjadi
lebih ringan sehingga udara panas ini naik ke atas. Ruang kosong yang
ditinggalkan oleh udara panas ini digantikan oleh udara dingin dari bawah
sehingga terjadi aliran udara di dekat permukaan cangkir. Fenomena perpindahan
kalor seperti ini dinamakan konveksi.
Konveksi pada secangkir air panas (sumber gambar: commons.wikimedia.org)
Ditinjau dari cara bergeraknya
molekul, konveksi dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu konveksi alami (natural convection) dan konveksi paksa (forced convection). Pada konveksi
alami, aliran fluida terjadi karena gaya buoyancy
(archimides) seperti yag terjadi pada kasus secangkir kopi panas. Sedangkan
fluida pada konveksi paksa bergerak karena ada gaya yang sengaja diberikan
seperti fan atau pompa.
Perpindahan kalor secara konveksi
disederhanakan menjadi:
Dalam perpindahan kalor, konveksi
merupakan perpindahan kalor yang cukup rumit karena melibatkan mekanika fluida.
Oleh karenanya perhitungan perpindahan kalor secara konveksi lebih sering
dengan menggunakan persamaan empiris. Penentuan nilai koefisien konveksi
merupakan hal masalah utama dalam perhitungan perpindahan kalor secara
konveksi.
Radiasi
Radiasi merupakan suatu fenomena
yang cukup baru diobservasi jika dibandingkan dengan konveksi dan konduksi.
Sejatinya perpindahan kalor secara radiasi adalah pemancaran gelombang elektromagnetik
dari sebuah benda. Secara teori setiap zat yang memiliki temperatur lebih besar
dari 0 K akan memancarkan radiasi. Semakin tinggi temperature suatu zat maka
semakin besar radiasi yang dipancarakan.
Perpindahan kalor secara radiasi
tidak membutuhkan medium. Salah satu contohnya adalah pancaran radiasi matahari
sehingga sampai di bumi. Antara bumi dan matahari sebagian besarnya adalah
ruang hampa, namun demikian panas matahari tetap dapat sampai ke bumi.
Ilustrasi radiasi (sumber gambar: https://www.shutterstock.com/)
Secara matematis, radiasi kalor
dituliskan sebagai berikut:
(Tri Ayodha Ajiwiguna)
Referensi:
[1]
Physics Principles with Applications 6th Edition, Douglas C
Giancoli, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2005, pp 355.