BAB II DASAR TEORI 2.1 Perpindahan Panas

1 5 BAB II DASAR TEORI Perpindahan Panas Perpindahan Panas (heat transfer) adalah proses berpindahnya energi kalor atau Panas (heat) karena adanya perbedaan temperatur. Dimana, energi kalor akan berpindah dari temperatur media yang lebih tinggi ke temperatur media yang lebih rendah. Proses Perpindahan Panas akan terus berlangsung sampai ada kesetimbangan temperatur yang terjadi pada kedua media tersebut. Proses terjadinya Perpindahan Panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpindahan Panas secara konduksi Perpindahan Panas secara konduksi adalah Perpindahan Panas yang terjadi pada suatu media padat, atau pada media fluida yang diam. Konduksi terjadi akibat adanya perbedaan temperatur antara permukaan yang satu dengan permukaan yang lain pada media tersebut. Ilustrasi Perpindahan Panas secara konduksi seperti digambarkan pada Gambar Gambar Proses Perpindahan Panas secara konduksi Sumber : ( ) Konsep yang ada pada konduksi merupakan suatu aktivitas atomik dan molekuler.

2 Sehingga peristiwa yang terjadi pada konduksi adalah Perpindahan energi dari partikel yang lebih energetik (molekul yang lebih berenergi atau bertemperatur tinggi) menuju partikel yang kurang energetik (molekul yang kurang berenergi atau bertemperatur lebih rendah), akibat adanya interaksi antara partikel-partikel tersebut. 6 Proses Perpindahan Panas secara konduksi pada steady state melalui dinding datar suatu dimensi seperti ditunjukkan pada Gambar Gambar Perpindahan Panas konduksi pada bidang datar Sumber: (Incropera dan DeWitt, 3rd ed.) Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum Fourier (Fourier Law of Heat Conduction) tentang konduksi, yang persamaan matematikanya dituliskan sebagai berikut ( kreith , Frank, 1997): = .. ( ) Dimana: = Laju Perpindahan Panas konduksi (W) k = Konduktivitas thermal bahan ( ) A = Luas penampang tegak lurus terhadap arah aliran Panas (m) = Gradien temperatur pada penampang tersebut (K/m) Tanda (-) diselipkan agar memenuhi hukum Thermodinamika II, yang menyebutkan bahwa, Panas dari media bertemperatur lebih tinggi akan bergerak menuju media yang bertemperatur lebih rendah.

3 Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan Panas secara konveksi adalah Perpindahan Panas yang terjadi dari suatu permukaan media padat atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir atau bergerak, begitu pula sebaliknya, yang terjadi akibat adanya perbedaan temperatur. Ilustrasi Perpindahan Panas secara konveksi digambarkan seperti Gambar 7 Gambar Proses Perpindahan Panas secara konveksi Sumber: ( ) Suatu fluida memiliki temperatur (T) yang bergerak dengan kecepatan (V), diatas permukaan benda padat (Gambar ). Temperatur media padat lebih tinggi dari temperatur fluida, maka akan terjadi Perpindahan Panas secara konveksi dari benda padat ke fluida yang mengalir. Gambar Perpindahan Panas konveksi dari permukaan media padat ke fluida yang mengalir Sumber: (Incropera dan DeWitt, 3rd ed.) Laju Perpindahan Panas konveksi mengacu pada Hukum Newton tentang pendinginan (Newton s Law of Cooling) (Incopera and De Witt), dimana: =.

4 ( ).. ( ) Dimana: = Laju Perpindahan Panas konveksi (W) = Koefisien Perpindahan Panas konveksi ( / . ) = Luas permukaan Perpindahan Panas ( ) 8 = Temperatur permukaan (K) = Temperatur fluida (K) Menurut Perpindahan Panas konveksi, aliran fluida dapat diklasifikasikan menjadi: a. Konveksi paksa (forced convection). Terjadi bila aliran fluida disebabkan oleh gaya luar. Seperti: blower, pompa, dan kipas angin. b. Konveksi alamiah (natural convection). Terjadi bila aliran fluida disebabkan oleh efek gaya apungnya (bouyancy forced effect). Pada fluida, temperatur berbanding terbalik dengan massa jenis (density). Dimana, semakin tinggi temperatur suatu fluida maka massa jenisnya akan semakin rendah, begitu pula sebaliknya. Perpindahan Panas Radiasi Perpindahan Panas radiasi dapat dikatakan sebagai proses Perpindahan Panas dari satu media ke media lain akibat perbedaan temperatur tanpa memerlukan media perantara.

5 Peristiwa radiasi akan lebih efektif terjadi pada ruang hampa, berbeda dari Perpindahan Panas konduksi dan konveksi yang mengharuskan adanya media Perpindahan Panas . Ilustrasi Perpindahan Panas secara radiasi digambarkan seperti gambar Gambar Proses Perpindahan Panas secara radiasi Sumber : ( ) Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda nyata (real)( . ), adalah: . = .. ( ) 9 Sedangkan, untuk benda hitam sempurna (black body), dengan nilai emisivitas ( = 1) memancarkan radiasi ( . ), sebesar: . = .. ( ) Untuk laju pertukaran Panas radiasi keseluruhan, antara permukaan dengan sekelilingnya (surrounding) dengan temperatur sekeliling ( ), adalah: = .. ( ) Dimana: = laju pertukaran Panas radiasi (W) = Nilai emisivitas suatu benda (0 1) = Konstanta proporsionalitas, disebut juga konstanta Stefan Boltzmann.

6 Dengan nilai 5,67 10 ( / ) = Luas bidang permukaan ( ) = Temperatur benda (K) Dalam hal ini semua analisis tentang temperatur dalam pertukaran Panas radiasi adalah dalam temperatur mutlak (absolut) yaitu Kelvin (K). Konstanta Matahari Lapisan fotosfer memancarkan suatu spectrum radiasi yang terus menerus (continous), yang sekiranya cukup dapat dikatakan sebagai sebuah radiator sempurna pada temperatur 5762 K. Skema letak bumi terhadap matahari ditunjukkan pada gambar berikut. Gambar Bola matahari Sumber : (Arismunandar, Wiranto., 1995) 10 Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari ( ), adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan Boltzmann ( ), pangkat empat temperatur absolut ( ), dan luas . (Arismunandar. Wiranto., 1995): = .. ( ) Dimana: = Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari (W) = Temperatur permukaan matahari (K) = diameter matahari (m) Pada Gambar dijelaskan radiasi kesemua arah dimana energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik tengahnya.

7 Jari-jari (R) adalah sama dengan jarak antara matahari dan bumi. Luas permukaan bumi dapat dihitung dengan persamaan 4.. , dan fluks radiasi (G) ( / ). Pada satu satuan luas dari permukaan bumi tersebut dinamakan iradiasi. Dari penjelasan tersebut diperoleh persamaan (Arismunandar. Wiranto., 1995): = .. ( ) Dengan garis tengah matahari ( ) 1,39 10 m, temperatur permukaan matahari ( ) 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar (R) 1,5 10 m, maka fluks radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat atmosfer bumi adalah (Arismunandar. Wiranto., 1995): = , . ( ). , ..( , . ) =1353 Faktor konveksi satuan untuk fluks radiasi yaitu 1,940 ;429 ( ) ;4,871 ( . ) . Radiasi Matahari Energi radiasi yang menimpa permukaan suatu benda, maka sebagian energi radiasi tersebut akan dipantulkan (reflection), sebagian akan diserap (absorbtion), dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisition), seperti tergambar pada Gambar 11 Gambar Bagan pengaruh radiasi datang Sumber: (Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, 2013) Bagian yang dipantulkan (refleksivitas( )), bagian yang diserap (absorbsivitas( )), dan bagian yang diteruskan (transmisivitas( )).

8 Pada benda bening seperti kaca atau benda transparan lainnya (Holman , 1985), maka: + + = ( ) Sedangkan untuk benda padat lainnya yang tidak meneruskan radiasi thermal, nilai transmisivitas dianggap nol (Holman , 1988), sehingga: + = ( ) Ada dua fenomena yang dapat diamati bila radiasi menimpa permukaan suatu benda. Jika sudut jatuh sama dengan sudut refleksi, maka dikatakan refleksi tersebut spektakular (spectaculer). Jika berkas jatuh radiasi tersebar merata ke segala arah sesudah refleksi, maka dikatakan refleksi tersebut sebagai refleksi baur (difuse). Kedua jenis refleksi tersebut tergambar seperti Gambar Gambar Fenomena refleksi spektakular (a) dan refleksi baur (b) Sumber : (Holman , 1985) Radiasi datang Refleksivitas ( ) Absorbsivitas ( ) Transmisivitas ( ) 12 Intensitas radiasi matahari akan berkurang penyerapan dan pemantulan yang dilakukan oleh atmosfer, sebelum intensitas matahari mencapai permukaan bumi.

9 Ozon pada lapisan atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet). Sedangkan, karbon dioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (infrared). Selain pengurangan radiasi bumi langsung (radiasi sorotan) oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air di atmosfer. Dimana radiasi yang dipancarkan tersebut mencapai bumi sebagai radiasi sebaran, seperti yang ditunjukkan Gambar Gambar Radiasi sorotan dan radiasi sebaran Sumber: (Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, 2013) Penjumlahan radiasi sorotan (beam) ( ), dan radiasi sebaran (difuse) ( ), merupakan radiasi total (I) pada permukaan horizontal per jam. Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut: = + .. ( ) Nilai radiasi total (I) dapat juga dihitung dengan menggunakan bantuan alat solarymeter.

10 Faktor yang Mempengaruhi Penerimaan Radiasi Matahari di Bumi Faktor-faktor yang mempengaruhi penerimaan radiasi matahari pada suatu permukaan di bumi antara lain: Radiasi sorotan awan Radiasi sebaran 13 a. Posisi matahari b. Lokasi dan kemiringan permukaan c. Waktu matahari d. Keadaan cuaca a. Posisi Matahari Sepanjang bumi mengelilingi matahari pada suatu lintasan yang berbentuk elips, yang disebut sebagai bidang ekliptika. Bidang ini membentuk sudut 23,5 terhadap bidang equator. Akibat peredaran bumi mengelilingi matahari, menimbulkan dampak perubahan musim pada permukaan bumi. Di Indonesia sendiri, ada dua musim, yaitu musim hujan dan musim kemarau. Musim hujan terjadi pada saat posisi matahari berada paling jauh diselatan bagi belahan bumi bagian utara (pada umumnya terjadi pada bulan Desember). Sedangkan musim kemarau terjadi pada saat posisi matahari berada pada titik paling utara bagian bumi (pada umumnya terjadi pada bulan Juni).