Contoh Soal Perpindahan Kalor Secara Konduksi, konveksi dan Radiasi
Pada kesempatan kali ini kita akan belajar tentang perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi. Energi dalam bentuk kalor berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Perpindahan kalor ada yang membutuhkan medium dan ada juga yang tidak membutuhkan medium. Baik untuk mempersingkat waktu langsung saja kita mulai.
 |
| Sumber : www.machinedesign.com |
A. Perpindahan Kalor Secara Konduksi
Konduksi adalah perpindahan energi berupa kalor melalui suatu medium penghantar tanpa disertai dengan perpindahan materi dari medium penghantar tersebut.
Contohnya adalah ketika Anda membakar salah satu ujung besi maka ujung besi lain pada awalnya tidak panas, lama kelamaan akan terasa panas. Besi merupakan medium perambatan energi berupa kalor. Kalor akan berpindah dari suhu yang tinggi ke suhu yang renda. Contoh lain adalah ketika Anda mengaduk teh panas menggunakan sendok. Pada awalnya ujung pegangan sendok tidak panas, namun dalam waktu beberapa detik pegangan sendok tersebut akan teras panas. Bukan hanya sendok yang terasa panas akan tetapi gelas tempat teh tersebut juga akan panas. Peristiwa ini disebut dengan peristiwa perpindahan kalor secara konduksi.
Berikut adalah rumus untuk menghitung besarnya laju perpindahan kalor tiap satuan waktu maka
Keterangan:
H adalah Laju perpindahan kalor (J/s atau Watt)
Q adalah kalor (J atau Kal)
t adalah waktu (sekon)
k adalah konduktivitas termal (W/mK)
A adalah luas penampang (m^2)
∆T adalah perubahan suhu (°C atau K)
L adalah panjang logam penghantar (m)
Ingat : ∆T adalah suhu tinggi – suhu rendah
1. Contoh Soal Dan Pembahasan Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada Logam
Dua batang penghantar memiliki panjang dan luas yang identik kemudian disambungkan seperti pada gambar di bawah ini. Jika diketahui koefisien termal batang penghantar pertama adalah 2 kali koefisien konduksi termal batang kedua.
Jika pada ujung batang pertama dipanaskan sehingga suhu pada batang pertama adalah 80 °C dan suhu pada batang kedua adalah 20 °C, maka tentukanlah suhu pada sambungan kedua batang penghantar?
Jawab :
Langka 1 : Gambarkan sistem untuk mengilustrasikan perpindahan kalor pada dua logam penghantar di atas
Penjelasan ∆T
- Karena suhu T1 > Ts artinya T1 suhunya lebih tinggi dari pada Ts; maka ∆T1 = T1 – Ts
- Suhu Ts > T2 artinya Ts suhunya lebih tinggi dari pada T2; maka ∆T1 = Ts – T2
Langkah 2 : Tuliskan apa saja yang diketahui dan yang ditanyakan
Diketahui:
L1 = L2 (Panjangnya sama)
A1 = A2 (Luasnya sama)
K1 = 2 k2
T1 = 80 °C
T2 = 20 °C
Ditanya : tentukanlah suhu pada sambungan kedua batang penghantar?
Langkah 3 : Gunakan Konsep dan Rumus yang sesuai
Rumus Perpindahan Kalor Secara Konduksi pada dua batang logam
Energi yang ditransferkan secara induksi melalui dua logam penghantar yang memiliki suhu berbeda terjadi ketika kedua logam penghantar tersebut mengalami kontak termal. Pada saat kondisi Steady State, laju perpindahan energi melalui logam penghantar satu sama dengan laju perpindahan energi melalui logam penghantar kedua. Maka diperoleh
Langkah terakhir : Substitusikan nilai yang diketahui
A1 = A2 ; L1 = L2 dan K1 = 2 K2 maka kita dapat mencoret nilai yang sama pada kedua ruas
Jadi, suhu pada sambungan kedua batang penghantar adalah 60 °C
Untuk Soal Selanjutnya : Klik Next
B. Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Konveksi adalah perpindahan energi berupa kalor pada suatu medium perantara yang disertai dengan perpindahan partikel perantara.
Contohnya adalah ketika kita memanaskan air menggunakan panci, partikel air yang berada di bawah panci akan terlebih dahulu terkena oleh panas. Ketika suhu partikel air yang berada di bawah naik maka massa jenis partikel air tersebut akan mengecil sehingga air yang massa jenisnya akan bergerak naik ke atas, sedangkan partikel air yang berada di atas memiliki suhu yang lebih rendah maka massa jenisnya akan lebih besar sehingga air yang massa jenisnya besar akan bergerak turun ke bawah. Proses ini terjadi secara terus menerus hingga partikel air mencapai suhu yang sama. Pristiwa ini merupakan proses perpindahan kalor pada medium air yang disertai oleh perpindahan partikel air.
Berikut adalah rumus untuk menghitung besarnya laju perpindahan kalor tiap satuan waktu maka
Keterangan:
H adalah Laju perpindahan kalor (J/s atau Watt)
Q adalah kalor (J atau Kal)
t adalah waktu (sekon)
h adalah koefisien konveksi termal (W/mK)
A adalah luas penampang (m^2)
∆T adalah perubahan suhu (°C atau K)
Ingat : ∆T adalah suhu tinggi – suhu rendah
C. Perpindahan Kalor Secara Radiasi
Radiasi merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada Radiasi, perpindahan energi berupa kalor tanpa membutuhkan medium perantara.
Salah satu contoh adalah radiasi matahari. Energi radiasi matahari ini sangat bermanfaat bagi kehidupan di bumi. Energi ini merambat kebumi dengan kecepatan cahaya melalui radiasi. Radiasi tidak dipancarkan oleh matahari atau benda bercahaya saja. Namun, setiap benda yang memiliki suhu akan memancarkan radiasi, ketika suhu benda tersebut lebih besar dari suhu lingkungan maka benda tersebut akan memancarkan radiasi yang lebih banyak dari pada menyerap energi radiasi dari lingkungan. Sehingga benda akan lebih banyak mengeluarkan energi dan mengakibatkan suhu benda tersebut menurun. Ketika tercapai suhu kesetimbangan, maka radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut akan sama dengan yang diserap dari lingkungan sehingga suhu benda dan lingkungan akan sama. Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh benda dapat dihitung menggunakan rumus berikut ini
Keterangan :
I adalah Intensitas Radiasi (W/m^2)
P adalah Daya Radiasi (W atau J/s)
Q adalah Energi berupa kalor (J)
t adalah waktu (s)
e adalah Emisivitas benda ( e = 1 untuk benda hitam)
σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann
A adalah luas permukaan (m^2)
T adalah Suhu (Kelvin)
1. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi
Sebuah bola memiliki jari-jari R = 4 cm dan suhu 400 K. jika emisivitas benda tersebut adalah 1, maka tentukan besar radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut setiap detiknya?
Jawab
Diketahui:
R = 4 cm = 0,04 m
T = 400 K
e = 1
σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)
Ditanya : tentukan besar radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut setiap detiknya?
Rumus Radiasi Benda yang memiliki suhu T
Perhatikan, Karena benda berbentuk bola maka luas permukaan bola adalah
Substitusikan nilai A ke Rumus Radiasi, Maka diperoleh besarnya radiasi benda tersebut tiap detiknya adalah
Jadi, besar radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut setiap detiknya adalah 29,03 J/s
2. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi
Sebuah bola berjari jari R dan memiliki suhu T. Jika kedua benda terbuat dari jenis yang sama. Tentukanlah suhu bola kedua yang memiliki jari-jari 3R agar radiasi yang dipancarkan oleh bola tersebut sama besar?
Jawab:
Diketahui:
R1 = R
R2 = 2R
T1 = T
e1 = e2 = e (Terbuat dari jenis yang sama)
σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)
Ditanya : Tentukanlah suhu bola kedua (T2) = .... ?
Rumus Radiasi Benda yang memiliki suhu T
Agar radiasi kedua bola tersebut sama, maka
Ingat : Luas permukaan bola adalah
Substitusikan nilai-nilai yang diketahui dan nilai A1 serta A2 pada persamaan (1), maka diperoleh
Jadi, agar radiasi yang dipancarkan oleh bola tersebut sama besar maka suhu bola kedua adalah 0,577 T
3. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi
Sebuah benda memancarkan radiasi sebesar 600 Joule setiap menitnya. Jika diketahui luas permukaan benda tersebut adalah 10 cm^2 dan memiliki suhu sebesar 527 °C. Tentukan emisivitas benda tersebut?
Jawab:
Diketahui:
P = 600 Joule/menit
A = 10 cm^2 = 10^(-3) m^2
T = 527 °C
σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)
Ditanya : Tentukan besar emisivitas benda tersebut (e) ?
Ingat : Suhu benda tersebut harus dinyatakan dalam satuan Kelvin, maka diperoleh
T = (527 + 273) K = 800 K
Energi Radiasi yang dipancarkan tiap menitnya adalah 600 Joule. Karena 1 menit = 60 detik maka energi radiasi yang dipancarkan benda tersebut tiap menitnya adalah
Gunakan Rumus Radiasi benda yang memiliki suhu T
Jadi, besar emisivitas benda tersebut adalah 0,43
4. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi
Jika sebuah bola memiliki jari-jari 20 cm dan memiliki suhu 227 °C kemudian bola tersebut diletakkan di sebuah ruangan yang suhunya 27 °C. Tentukan besar radiasi yang mungkin hilang tiap detiknya dari bola tersebut? (Asumsikan emisivitas bola tersebut adalah 1)
Jawab
Diketahui:
R = 20 cm = 0,2 m
T1 = 227 °C = (227 + 273) K = 500 K (Suhu Bola)
T2 = 27 °C = (27 + 273) K = 300 K (Suhu Lingkungan)
e = 1
σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)
Ditanya : Tentukan besar radiasi yang mungkin hilang tiap detiknya dari bola tersebut?
Setiap benda yang memiliki suhu akan memancarkan radiasi, jika suhu benda lebih tinggi dari suhu lingkungan maka benda akan memancarkan radiasi yang lebih banyak dan menyerap energi radiasi lebih sedikit dari lingkungan. Misalkan radiasi yang dipancarkan oleh bola adalah P1 dan radiasi yang diserap oleh benda dari lingkungan adalah P2, maka besar radiasi yang hilang tiap detiknya adalah
Jadi, besar radiasi yang mungkin hilang tiap detiknya dari bola tersebut adalah 1550,43 J/s
5. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi
Sebuah bola memiliki emisivitas 0,4 dan suhu 300 K. Tentukan intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh bola tersebut (σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4))
Jawab :
Diketahui:
e = 0,4
T = 300 K
σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)
Ditanya : Tentukan intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh bola tersebut?
Gunakan Rumus Intensitas Radiasi (I)
Jadi , intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh bola tersebut adalah 459,27 W/m^2
Untuk Soal Selanjutnya Klik Next
Selamat Belajar
Itulah artikel tentang Contoh Soal Perpindahan Kalor Lengkap dengan Pembahasan Serta Konsep. semoga artikel ini bisa bermanfaat untuk kita semua. terimakasih telah berkunjung, jika Anda suka dengan artikel ini silahkan klik like dan share artikel ini bila perlu. Jika Anda tidak ingin ketinggalan updatetan artikel terbaru silahkan Follow blog ini dan selamat belajar.
Advertisement