PERPINDAHAN PANAS: HUKUM, BENTUK TRANSMISI, CONTOH - FISIK - 2025

Ada perpindahan panas ketika energi berpindah dari satu benda ke benda lain karena perbedaan suhu di antara keduanya. Proses perpindahan panas berhenti segera setelah suhu benda-benda yang bersentuhan sama atau ketika kontak di antara mereka dihilangkan.

Jumlah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lain dalam periode waktu tertentu disebut panas yang ditransfer. Satu tubuh dapat memberikan panas kepada yang lain, atau dapat menyerapnya, tetapi panas selalu berpindah dari tubuh dengan suhu tertinggi ke tubuh dengan suhu terendah.

Gambar 1. Dalam api unggun ada tiga mekanisme perpindahan panas: konduksi, konveksi dan radiasi. Sumber: Pixabay.

Satuan kalor adalah sama dengan satuan energi dan dalam sistem pengukuran internasional (SI) adalah joule (J). Satuan panas lain yang sering digunakan adalah kalori dan BTU.

Adapun hukum matematika yang mengatur perpindahan panas, bergantung pada mekanisme yang terlibat dalam pertukaran.

Ketika panas dialirkan dari satu benda ke benda lain, laju pertukaran panas sebanding dengan perbedaan suhu. Ini dikenal sebagai hukum konduktivitas termal Fourier, yang mengarah ke hukum pendinginan Newton.

Bentuk / mekanisme transmisi panas

Mereka adalah cara di mana panas dapat dipertukarkan antara dua benda. Tiga mekanisme diakui:

-Menyetir

-Konveksi

-Radiasi

Dalam pot seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, terdapat tiga mekanisme perpindahan panas berikut:

- Logam di dalam panci dipanaskan terutama dengan konduksi.

-Air dan udara dipanaskan dan naik secara konveksi.

-Orang di dekat panci dipanaskan oleh radiasi yang dipancarkan.

Menyetir

Konduksi panas sebagian besar terjadi pada padatan dan khususnya pada logam.

Misalnya, kompor di dapur menyalurkan panas ke makanan di dalam panci melalui mekanisme konduksi melalui logam bagian bawah dan dinding logam wadah. Dalam konduksi termal tidak ada transportasi material, hanya energi.

Konveksi

Mekanisme konveksi adalah tipikal cairan dan gas. Kepadatan ini hampir selalu berkurang pada suhu yang lebih tinggi, karena alasan ini terjadi perpindahan panas dari bagian fluida yang lebih panas ke daerah yang lebih tinggi dengan bagian fluida yang lebih dingin. Dalam mekanisme konveksi terdapat pengangkutan material.

Radiasi

Pada bagiannya, mekanisme radiasi memungkinkan pertukaran panas antara dua benda bahkan ketika mereka tidak bersentuhan. Contoh langsungnya adalah Matahari, yang memanaskan Bumi melalui ruang kosong di antara mereka.

Semua benda memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Jika Anda memiliki dua benda pada suhu yang berbeda, bahkan berada dalam ruang hampa, setelah beberapa saat mereka akan mencapai suhu yang sama karena pertukaran panas oleh radiasi elektromagnetik.

Tingkat perpindahan panas

Dalam sistem termodinamika kesetimbangan, jumlah total panas yang dipertukarkan dengan lingkungan penting, sehingga sistem berpindah dari satu kondisi kesetimbangan ke kondisi lainnya.

Di sisi lain, dalam perpindahan panas, perhatian difokuskan pada fenomena peralihan, ketika sistem belum mencapai kesetimbangan termal. Penting untuk diperhatikan bahwa jumlah panas yang dipertukarkan dalam periode waktu tertentu, yaitu ada kecepatan perpindahan panas.

Contoh

- Contoh konduksi panas

Dalam konduktivitas termal, energi panas ditransmisikan melalui tumbukan antara atom dan molekul material, apakah itu padat, cair atau gas.

Zat padat adalah konduktor panas yang lebih baik daripada gas dan cairan. Dalam logam terdapat elektron bebas yang dapat bergerak melalui logam.

Karena elektron bebas memiliki mobilitas yang tinggi, mereka mampu mentransmisikan energi kinetik melalui tumbukan dengan lebih efisien, itulah sebabnya logam memiliki konduktivitas termal yang tinggi.

Dari sudut pandang makroskopis, konduktivitas termal diukur sebagai jumlah panas yang ditransfer per satuan waktu, atau arus kalori H:

Gambar 2. Konduksi panas melalui bar. Disiapkan oleh Fanny Zapata.

Arus kalori H sebanding dengan luas penampang A dan variasi suhu per satuan jarak longitudinal.

Persamaan ini diterapkan untuk menghitung arus kalori H dari sebuah batang seperti pada gambar 2, yang berada di antara dua reservoir dengan temperatur T ₁ dan T ₂ , dimana T ₁ > T ₂ .

Konduktivitas termal material

Di bawah ini adalah daftar konduktivitas termal dari beberapa bahan dalam watt per meter per kelvin: W / (m. K)

Aluminium -------- 205

Tembaga --------- 385

Perak ---------- 400

Baja ---------– 50

Gabus atau Fiberglass - 0,04

Beton atau kaca ----- 0.8

Kayu ----- 0,05 hingga 0,015

Udara --------– 0,024

- Contoh panas konveksi

Dalam konveksi panas, energi ditransfer karena pergerakan fluida, yang pada suhu berbeda memiliki massa jenis yang berbeda. Misalnya ketika air direbus di dalam panci, air di dekat dasar menaikkan suhunya, sehingga mengembang.

Pemuaian ini membuat air panas naik, sedangkan yang dingin turun menempati ruang yang ditinggalkan oleh air panas yang naik. Hasilnya adalah pergerakan sirkulasi yang berlanjut hingga suhu di semua level seimbang.

Konveksi inilah yang menentukan pergerakan massa udara yang besar di atmosfer bumi dan juga menentukan sirkulasi arus laut.

- Contoh panas radiasi

Dalam mekanisme transmisi panas melalui konduksi dan konveksi, keberadaan material diperlukan agar panas dapat disalurkan. Sebaliknya, dalam mekanisme radiasi, panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lain melalui ruang hampa.

Ini adalah mekanisme di mana Matahari, pada suhu yang lebih tinggi dari Bumi, mengirimkan energi ke planet kita secara langsung melalui ruang hampa udara. Radiasi datang kepada kita melalui gelombang elektromagnetik.

Semua bahan mampu memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Frekuensi maksimum yang dipancarkan atau diserap tergantung pada suhu material dan frekuensi ini meningkat seiring dengan suhu.

Panjang gelombang dominan dalam spektrum emisi atau absorpsi benda hitam mengikuti hukum Wien, yang menyatakan bahwa panjang gelombang dominan sebanding dengan kebalikan dari suhu tubuh.

Di sisi lain, daya (dalam watt) yang digunakan benda untuk memancarkan atau menyerap energi panas melalui radiasi elektromagnetik sebanding dengan pangkat keempat suhu absolut. Ini dikenal sebagai hukum Stefan:

P = εAσT ⁴

Pada ekspresi di atas σ adalah konstanta Stefan dan nilainya adalah 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A adalah luas permukaan benda dan ε adalah emisivitas material, konstanta tak berdimensi yang nilainya antara 0 dan 1, dan bergantung pada material.

Latihan diselesaikan

Perhatikan batang pada Gambar 2. Misalkan batang tersebut memiliki panjang 5 cm, radius 1 cm, dan terbuat dari tembaga.

Bilah ditempatkan di antara dua dinding yang menjaga suhunya tetap konstan. Dinding pertama bersuhu T1 = 100ºC, sedangkan dinding lainnya bersuhu T2 = 20ºC. Menentukan:

a.- Nilai arus termal H

b.- Suhu batang tembaga pada 2 cm, pada 3 cm dan pada 4 cm dari dinding suhu T1.

Solusi untuk

Karena batang tembaga ditempatkan di antara dua dinding yang dindingnya mempertahankan suhu yang sama setiap saat, dapat dikatakan bahwa dalam kondisi stabil. Dengan kata lain, arus termal H memiliki nilai yang sama untuk setiap saat.

Untuk menghitung arus ini kami menerapkan rumus yang menghubungkan arus H dengan perbedaan suhu dan panjang batang.

Luas penampang adalah:

L = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Perbedaan suhu antara ujung bilah adalah

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

Ketinggian = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Arus ini sama di titik mana pun di batang dan kapan saja, karena kondisi mapan telah tercapai.

Solusi b

Pada bagian ini kita diminta menghitung temperatur Tp pada titik P yang terletak pada jarak Xp dari dinding T ₁ .

Pernyataan yang memberikan arus kalori H pada titik P adalah:

Dari ungkapan ini, Tp dapat dihitung dengan:

Mari kita hitung suhu Tp pada posisi 2 cm, 3 cm dan 4 cm masing-masing, dengan mengganti nilai numerik:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; 2 cm dari T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm dari T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm dari T1

Referensi

1. Figueroa, D. 2005. Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Cairan dan Termodinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fisika: Pandangan di Dunia. Edisi ringkasan ke-6. Pembelajaran Cengage.
3. Lay, J. 2004. Fisika Umum untuk Insinyur. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mekanika Fluida. 4th. Edisi. Pendidikan Pearson.
5. Strangeways, I. 2003. Mengukur Lingkungan Alam. 2nd. Edisi. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Konduktivitas termal. Diperoleh dari: es.wikipedia.com