PERPINDAHAN KALOR

Kalor adalah energi yang merambat karena adanya perbedaan suhu. Media perambatan kalor dapat berupa zat pada, zat cair maupun gas. Selain itu, kalor juga dapat dipancarkan dan ditangkap tanpa media perambatan. Berikut ini 3 macam peristiwa perpindahan kalor

1. Konduksi.

Jika jari kita langsung menyentuh api, maka jari kita akan langsung merasakan panas. Jika kita memegang suatu batang logam yang salah satu ujungnya kita sentuhkan ke api, jari kita mula-mula dingin, setelah beberapa waktu akhirnya juga merasakan panas. Hal ini berarti panas merambat melalui batang logam. Partikel-partikel batang logam tidak ikut mengalir/berpindah. Perpindahan kalor dengan dengan cara tersebut diatas disebut dengan konduksi.
Laju kanduksi didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang mengalir tiap satuan waktu

Besarnya laju konduktifitas tergantung pada :

- Sebanding dengan luas penampang (A) dalam satuan m²
- Sebanding dengan perbedaan suhu (ΔT) dalam satuan ^oC atau K

- Berbanding terbalik dengan panjang (L) dalam satuan m

- Sebanding dengan konduktifitas termal zat (k) dalam satuan J/s.m. ^oC atau J/s.m.K

Rumus matematik, laju konduksi sebagai berikut :

Q/t  =  (kAΔT)/L

Keterangan:
Q = kalor (joule)
k = koefisien konduski (konduktivitas termal)
t = waktu (s)
A = luas penampang (m ²)
L = panjang logam (m)
T = Suhu (Kelvin)

Konduktifitas termal merupakan karakteristik suatu zat. Zat yang memiliki konduktivitas termal besar disebut konduktor panas yang baik.

Lihat tabel berikut :

Sebuah ruangan memiliki 4 buah jendela yang masing-masing memiliki luas 2 m² dan tebal 3 mm. Suhu Bagian luar ruangan 28 ^oC dan dalam ruangan 27^oC. Hitung laju kalor konduksi yang melalui jendela tersebut!

Jawab

Q/t  =  (kAΔT)/L  =  (0,84 . 8 . 1)/10^-3 = 2240 W

2. Konveksi

Ketika air dalam panci dipanaskan, mula-mula air bagian bawah akan mengalami panas terlebih dahulu dibandingkan air bagian atas. Akibatnya, volume air bagian bawah lebih besar sehingga massa jenisnya mengecil. Ciri-ciri zat yang memiliki massa jenis kecil yaitu zat tersebut bersifat ringan. Demikian juga pada percobaan ini, sehingga air bagian bawah akan naik. Kemudian air yang lebih dingin (massa jenis lebih besar) akan turun mengisi tempat yang ditinggalkan air yang telah menjadi panas. Aliran kalor seperti ini disebut konveksi alamiah.

Contoh konveksi alamiah lainnya yaitu :

- cerobong asap

- arus laut panas/dingin

- aliran udara (angin)

Selain konveksi alamiah, juga ada konveksi paksa. Konveksi ini terjadi jika zat cair atau gas dipaksa mengalir, seperi pada hair dryer dan AC.
Berdasarkan contoh diatas, kita dapat mengetahui perbedaan konveksi dan konduksi. Pada konveksi, partikel-partikel zat mengalami perpindahan dalam menghantarkan kalor, sedangkan pada konduksi tidak. Selain itu konveksi hanya terjadi pada fluida, yaitu zat cair dan gas, sedangkan konduksi hanya terjadi pada zat padat.

Banyaknya kalor yang dipindahkan ke fluida setiap satuan waktu disebut kaor konveksi yang besarnya:

- Sebanding dengan luas penampang (A) dalam satuan m²
- Sebanding dengan perbedaan suhu (ΔT) dalam satuan ^oC atau K

- Sebanding dengan koeffisien konveksi zat (h) dalam satuan W/m²K

Laju kalor konveksi dirumuskan sebagai berikut :

  Q/t   = hAΔT

Besarnya nilai koeffisien konveksi (h) bergantung dari viskositas fluida, kecepatan fluida, perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida, kapasitas panas fluida, rapat massa fluida, dan bentuk permukaan kontak. Nilai ini diperoleh dari percobaan.

Contoh Soal

Sebuah panci berisi air bersuhu 10 ^oC diletakkan di atas kompor gas bersuhu 70 ^oC. Jika luas permukaan panci yang dikenai panas (3,14 x 10 ^-2) m², tentukan banyaknyakalor yang dilepaskan ke air untuk konveksi selama 1 menit. Diketahui h = 7,0 J/m²K dan system dianggap tidak dipengaruhi perpindahan panas secara konduksi pada panci.

Jawab :

Q/t   = hAΔT

Q   = hAΔT. T = 7,0 . (3,14 x 10 ^-2 ) . 60. (1.60) = 791,28 J

3. Radiasi
Konveksi atau konduksi memerlukan media, tetapi kalor dari matahari mencapai bumi melalui ruang hampa. Transfer kalor tanpa tanpa melalui media perantara disebut radiasi. Contoh lain radiasi adalah panas dari perapian yang sampai ketubuh kita.

Bagaimanakah proses radiasinya? matahari adalah sumber cahaya di bumi, sinarnya masuk ke bumi melewati filter yang disebut atmosfer, sehingga cahaya yang masuk ke bumi adalah cahaya yang tidak berbahaya. Cahaya yang masuk ke bumi melalui lapisan atmosfer itu dikenal dengan gelombang elektromagnetik yang terbagi ke dalam gelombang pendek dan gelombang panjang. Seperti Radio, TV, Radar, Inframerah, Cahaya Tampak, Ultraviolet, Sinar X dan Sinar Gamma.

Sinar Gelombang Elektromagnetik tersebut dibedakan berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya. Semakin besar panjang gelombang semakin kecil frekuensinya. Energi radiasinya tergantung dari besarnya frekuensi dalam arti semakin besar frekuensi semakin besar energi radiasinya. Sinar Gamma adalah gelombang elektromagnetik dan sinar radioaktif dengan energi radiasi terbesar.
Dalam kasus ini, terdapat hal yang disebut radiasi benda hitam, yang memaparkan bahwa semakin hitam benda tersebut maka energi radiasi yang dikenainya juga makin besar. Hal ini adalah fakta sehari-hari. Saat kita menjemur pakaian hitam dan putih dibawah sinar matahari berwarna dengan jenis dan tebal yang sama, maka pakaian warna hitam akan lebih cepat kering dibandingkan dengan pakaian berwarna putih.
Oleh karena itu, warna hitam dikatakan sempurna menyerap panas, sedangkan warna putih mampu memantulkan panas atau cahaya dengan sempurna. Sehingga emisivitas bahan (kemampuan menyerap panas) untuk warna hitam e = 1 sedangkan warna putih e = 0. Untuk warna lainnya berkisar antara 0 dan 1.
Besarnya energi radiasi benda hitam tergantung pula pada tingkat derajat suhunya. Seperti yang terlihat dari rumus energi radiasi berikut:

P = Q/t = e σ A T⁴

Keterangan:
P = Daya Radiasi/Energi Radiasi setiap Waktu (watt)
Q = Kalor (joule)
t = waktu (s)
e = emisivitas bahan
A = luas penampang (m ²)
T = suhu (kelvin)
o = konstanta stefan boltzmann (5,67 x 10 ^{- 8})

Sumber : http://www.gomuda.com/2013/04/perpindahan-kalor-konduksi-konveksi-dan.html
Jika benda bersuhu T2 berada dalam lingkungan bersuhu T1 maka laju kalor radiasi neto adalah sebagai berikut : 
P = Q/t = e σ A (T1⁴ – T2⁴)
Salah satu contoh pemanfatan konsep konduksi, konveksi dan radiasi adalah termos. Termos digunakan untuk menyimpan air panas dalam waktu yang relatif lama. Karena suhu air lebih tinggi daripada suhu lingkungan maka air panas dalam termos mempunyai kecenderungan melepaskan kalor ke lingkungan dengan tiga cara yaitu konveksi, konduksi dan radiasi. Untuk mengatasi aliran kalor secara konduksi dinding dan tutup termos di buat dari bahan isolator, seperti gelas atau gabus. Untuk mengatasi aliran secara konveksi maka dinding termos dibuat rangkap dengan penyekat hampa. Untuk mengatasi aliran kalor secara radiasi, dinding termos dibuat putih mengkilap,

Sumber :

Sumber : http://rumushitung.com/2013/03/14/asas-black-kalor/

FISIKA untuk SMS/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo. 2007

Materi Suhu dan Kalor lainnya :

1. KALOR ATAU PANAS
2. PEMUAIAN
3. PERUBAHAN WUJUD DAN ASAS BLACK 
4. SUHU DAN SKALA PADA TERMOMETER
5. soal suhu dan kalor