BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan Panas Secara Umum

Perpindahan panas merupakan ilmu yang mempelajari tentang laju

perpindahan panas diantara material atau benda dikarenakan adanya perbedaan

suhu (panas dan dingin). Dimana panas akan mengalir dari tempat yang

bertenperatur lebih tinggi ke tempat yang bertemperatur lebih rendah.

Kegunaan dari ilmu transfer panas atau perpindahan panas ini antara lain :

1. Untuk merencanakan alat-alat penukaran panas (heat exchanger).

2. Untuk menghitung kebutuhan media pemanas atau pendingin pada suatu

reboiler ataupun kondensor dalam kolom destilasi

3. Untuk menghitung furnace/dapur dengan mengunakan prinsip radiasi

4. Untuk perancangan ketel uap/boiler

5. Untuk perancangan alat-alat penguap (evaporator)

6. Untuk perancangan reactor kimia

a. Eksotermis butuh pendingin

b. Endotermis butuh pemanas

Terdapat tiga macam cara transfer energy: Konduksi (hantaran), konveksi,

dan radiasi (sinaran). Semua proses transfer panas memerlukan satu atau lebih

dari tiga tipe transfer energy tersebut.

2.1.1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang

bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih rendah di dalam suatu

medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan, tetapi

bersinggungan secara langsung (kontak langsung). Pada kondisi ini perpindahan

panas terjadi akibat kontak langsung antara molekul molekul dalam medium atau

zat tersebut tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Dasar dari

proses Konduksi ini adalah Hukum Fourier.

qx = −k AdTdx

2.1.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi antara permukaan

padat dengan fluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan media

penghantar berupa fluida (cairan/gas). Dasar dari proses Konveksi ini adalah

Hukum Newton.

qc = hc A(TW – TS)

Bila arus atau partikel-partikel makroskopik fluida melintas suatu

permukaan tertentu, seperti umpamanya bidang batas atau volume kendali, arus

itu akan ikut membawa serta sejumlah tertentu entalpi. Aliran entalpi ini disebut

aliran konveksi kalor atau singkatnya konveksi. Oleh karena konveksi itu

merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya

yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan

melawan gaya gesekan.

Konveksi sangat erat kaitannya dengan mekanika fluida. Bahkan secara

termodinamik, konveksi itu dianggap bukan sebagai aliran kalor, tetapi sebagai

fluks entalpi. Contoh konveksi ialah perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran

(eddy) aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir melintas dan

menjauhi radiator (pemanas) biasa.

2.1.3. Radiasi

Radiasi merupakan perpindahan panas yang terjadi karena

pancaran/sinar/radiasi gelombang elektromagnetik, tanpa memerlukan media

perantara(media perantaranya berupa ruang hampa). Dasar dari proses Radiasi ini

adalah Hukum Stefan-Boltzman.

qr = εσAT4

Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui

ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung

melalui ruang kosong, ia tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-

bentuk lain energi, dan ia tidak pula akan terbelok dari lintasannya. Tetapi,

sebaliknya bila terdapat zat pada lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi

(diteruskan), refleksi (dipantulkan), dan absorpsi (diserap). Hanya energi yang

diserap itu saja yang muncul sebagai kalor, dan transformasi itu bersifat

kuantitatif.

Sebagai contoh, kuarsa lebur akan meneruskan hampir semua radiasi yang

menimpanya : permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan sebagian

besar radiasi yang jatuh padanya. Sedangkan permukaan hitam atau yang tidak

mengkilap akan menyerap kebanyakan radiasi yang diterimanya, dan mengubah

energi yang diserapnya itu secara kuantitatif menjadi kalor.

Perpindahan panas pada suatu medium, tidak mungkin terjadi hanya

dengan cara konduksi, tetapi juga terjadi secara konveksi. Hal ini terjadi karena

sifat molekul, atom ataupun elektron bebas yang selalu bergerak. Jadi apabila

suatu bahan dipanasi maka akan terjadi perpindahan panas secara konduksi dan

konveksi dari ujung yang dipanasi ke ujung yang lebih kecil temperaturnya. Profil

perpindahan panas pada medium tersebut akan mengakibatkan adanya fluks

panas.

Termal konduktivitas adalah proses untuk memindahkan energi dari

bagian yang panas kebagian yang dingin dari substansi oleh interaksi molecular.

Dalam fluida, pertukaran energi utamanya dengan tabrakan langsung. Pada solid,

mekanisme utama adalah vibrasi molekular. Konduktor listrik yang baik juga

merupakan konduktor panas yang baik pula.

2.2. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas

Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:

1. Jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya

2. Laju alir fluida

3. Tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)

4. Letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas tersebut.

Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa

dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi potensial,

dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan

neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor

Q= m ( Hb - Ha )

dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut

q =

Qt = laju perpindahan kalor ke dalam arus

Ha & Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.

Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi

salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika

fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekitar dibuat

sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan

terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas

dan udara dingin.

2.3. Indirect Contact

Gambar 2.1 Panas (indirect contact)

Pengertian dari Indirect Contact adalah panas pada dinding menuju fluida,

selain itu juga didalam peristiwa iru timbul pula Energi Difisasi yaitu energi yang

ditambahkan terhadap fluida yang perpindahan panasnya mengalir tergantung

pada median pipanya. Didalam ilmu teknik kimia, median pemanas tersebut

terdiri dari tiga bagian yaitu :

1. Panas Laten (Constan Wall Temperatur) merupakan panas yang ada di pipa

sama secara keseluruhan (konstan dimana-mana), temperatur konstan, tetapi

terjadi perubahan fase.

2. Panas Sensible (Linier Wall Temperatur) dimana yang terjadi adalah

temperatur didalam pipa berbeda/berubah dan tidak terjadi perubahan fase.

3. Energi Listrik (Constan Wall Heat Flux) adalah panas yang ditimbulkan oleh

listrik pada dindingnya (pipa) menimbulkan pipa menjadi panas yang sama.

Persamaan :

P = I2 R

R = ρ L/A

P (1)

Cp

Uap (steam)

60 %, 40 % air steam

L + V

SL (2) SV

Gambar 2.2

Keterangan :

SL = saturated liguid

Sv = saturated vapour

Cp = critical point

(1) = panas sensibel terjadi didaerah gas

(2) = panas laten terjadi didaerah point

2.4. Konduksi

Konduksi adalah suatu perpindahan energi dengan interaksi dari molekul-

molekul suatu substansi di mana terjadinya perpindahan panas dalam bentuk

liquid, gas, padat tanpa adanya perpindahan partikel-partikel dalam bahan tersebut

dalam medium tetap.

Contoh peristiwa konduksi :

1. Ujung sendok logam secara tiba-tiba dicelupkan dalam secangkir kopi panas

sehingga logam tersebut akan panas karena adanya konduksi energi melalui

sendok.

2. Pada medium dingin, terjadi kehilangan energi dari ruangan yang dipanaskan

terhadap udara luar melalui dinding yang memisahkan udara dalam ruangan

dengan udara luar.

Konduksi memindahkan energi dari bagian panas ke bagian dingin dari

substansi oleh interaksi molekul. Dalam fluida, pertukaran energi utamanya

dengan tabrakan langsung. Pada solid, mekanisme yang utama adalah vibrasi

molekuler. Konduktor listrik yang baik juga merupakan konduktor panas yang

baik.

2.5. Persamaan Dasar Perpindahan Panas Konduksi

Persamaan yang berlaku untuk aliran panas konduksi, pertama kali

dinyatakan

sebagai berikut:

aliran panas konduksi = ¿ [ luas permukaan ¿ ]¿¿

¿

¿¿

konstanta kesebandingan dimiliki oleh setiap material. Dalam bentuk

matematik, dengan menganggap bahwa temperatur bervariasi dalam arah-X yang

dinotasikan dengan qx = dQ / dt dalam arah-x.

Persamaan dasar pada perpindahan panas secara konduksi adalah Hukum

Fourier’s (Fourier’s law). Sebagai contoh sebilah bidang (gambar 1), yang memiliki

distribusi temperatur T(x), dapat dinyatakan dengan persamaan:

qx" =−k

dTdX

Gambar 1 Perpindahan panas konduksi satu dimensi

Flux panas qx" (W/ m2) adalah perpindahan panas pada arah x setiap

satuan luas tegak lurus dengan arah perpindahan, dan sebanding dengan gradien

temperatur, dT/ dx, pada arah ini. Konstanta k adalah sebuah sifat transport yang

dikenal dengan nama konduktivitas panas (W/ m.K) yang menyatakan

karakteristik dari bahan dinding. Tanda minus (-) adalah konsekuensi dari

kenyataan bahwa panas dipindahan pada arah temperatur yang menurun. Pada

kondisi steady state, dimana distribusi temperatur adalah linier, gradien

temperatur dapat dinyatakan dengan :

dTdx =

T2−T 1

L

qx" =−k

T2−T 1

L

atau

qx" =k

T1−T 2

L

= k

ΔTL

Persamaan ini adalah persamaan panas flux, yang menyatakan perpindahan

panas setiap satuan luas. Perpindahan pnas konduksi, qx" (W), melalui sebuah

dinding dengan luas A adalah hasil dari flux panas dan luas, qx = qx" ∙ A.

Bila bahan/material adalah isotropis maka konduktivitasnya tidak bervariasi

terhadap arah. Catatan bahwa tanda negatif pada persamaan Fourier di atas

diperoleh dari Hukum II Termodinamika untuk meyakinkan bahwa laju panas

positif dalam arah penurunan temperatur (dari daerah panas ke daerah dingin).

Gradien suhu (temperatur gradien) yang terdapat dalam suatu bahan homogen

akan menyebabkan perpindahan energi di dalam medium itu, yang lajunya dapat

dihitung dengan:

qx = −k A∂ T∂ η

di mana ∂T /∂ η ialah gradien suhu dalam arah normal (tegak lurus)

terhadap bidang A. Konduktivitas termal k ialah suatu konstanta (tetapan) yang

ditentukan dari eksperimen dengan medium itu. Satuan k adalah btu/hr ft oF atau

W/mK.

Jika profil suhu di dalam medium itu bersifat linier, maka gradien suhu itu

(yang merupakan turunan parsial) dapat diganti dengan :

ΔTΔx

=T 2 − T1

x2 − x1

Sifat linier di atas selalu ditemukan pada medium homogen yang

mempunyai k tertentu dalam perpindahan kalor benda itu termasuk titik-titik pada

permukaan benda.

Jika suhu berubah menurut waktu, tentulah ada energi yang menumpuk

atau dikeluakan dari benda itu. Laju penumpukan energi itu adalah:

q menumpuk = m. Cp

∂T∂ x

dimana m adalah hasil kali volume V dan densitas

Pemisahan variabel dan integrasi persamaan Fourier dimana arah gradien

ialah x, menghasilkan:

q ∫x1

x2

dx−kA ∫T1

T 2

dT

atau :

q=−kAT 2−T1

X2−X1

=−kAT2−T 1

Δx

Persamaan ini dapat disusun kembali sehingga menghasilkan,

q=T1−T 2

ΔxkA

=Beda potensial termaltahanan termal

Perhatikan bahwa tahanan terhadap aliran kalor berbanding lurus dengan

tebal bahan. Tetapi berbanding terbalik dengan konduktivitas termal bahan dan

berbanding terbalik dengan tegak lurus terhadap arah perpindahan kalor.

Dalam keadaan steady, laju perpindahan kalor yang masuk melalui

permkaan kiri sama dengan yang keluar dari muka kanan.

Jadi,

q=T1−T 2

ΔxαkαA dan

q=T 1−T3

Δ xbkbA

Kedua persamaan ini memberikan :

q=T 1−T 2

ΔxαkαA

+ Δ xbkαA

Kedua persamaan diatas menggambarkan analogi antara perpindahan kalor

konduksi dan aliran arus listrik. Dan analogi ini berakar pada kesamaan hukum

Fourier dan hukum Ohm.

Hukum Fourier dapat dinyatakan dengan mudah sebagai:

Aliran kalor konduksi

= Beda Suhu menyeluruhJumlah semua tahanan termal

2.6. Perpindahan Panas Konduksi pada Dinding Berlapis

Rangkaian termal dapat digunakan juga pada sistem yang lebih

kompleks, seperti dinding berlapis, yang terdiri dari beberapa rangkaian seri dan

paralel dimana dimana setiap lapisan memiliki material yang berbeda.

Perpindahan panas pada dinding berlapis diperlihatkan pada gambar berikut ini.

Gambar 2 Sebuah rangkaian termal seri pada dinding berlapis

Laju perpindahan panas satu dimensi untuk sistem ini dinyatakan

dengan :

qx =

T∞ ,1−T ∞ ,4

∑ R t

qx =

T ∞ ,1−T ∞ ,4

1h1 A

+LA

k A A+

LB

k B A+

LC

kC A+ 1

h4 A

2.7. Perpindahan Panas Koduksi Pada Sistem Radial

Contoh yamg umum untuk sistem ini adalah silinder, yang memiliki permukaan luar dan permukaan dalam yang diekspos pada fluida yang memilki perbedaan temperatur. Untuk kondisi stedi dimana tidak ada panas yang dibangkitkan maka bentuk persamaan perpindahan panas adalah :

1r⋅ d

dr⋅(kr

dTdr )

= 0

Gambar 3 Perpindahan panas konduksi pada silinder

Laju energi yang dikonduksikan melalui sebuah permukaan silinder

adalah

qr = −k ⋅ A ⋅dT

dr

= - k (2 ⋅π ⋅ r ⋅ L ) dT

dr

Laju perpindahan panas qr adalah konstan pada arah radial. Kita dapat

menghitung distribusi temperatur di dalam silinder dengan memecahkan

persamaan dengan memakai asumsi bahwa k adalah konstan.

Temperatur pada arah r dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

T(r) =

T s,1−T s,2

ln (r1/r2 )ln

rr2

+T s,2

Distribusi temperatur yang dianalogikan dengan konduksi radial pada

sebuah didinding silinder adalah tidak linier. Laju perpindahan panas pada silinder

adalah

qr =

2 ⋅π ⋅ L ⋅ k ⋅ (T s, 1−T s ,2 )

lnr1

r2

Dari persamaan ini bentuk persamaan dari tahanan termal adalah

Rt, cond =

lnr1

r2

2 ⋅π ⋅L ⋅ k (10)