Review singkat perpindahan kalor (Heat Transfer)

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 6^th Edition, Douglas C Giancoli, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2005, pp 355.