Perpindahan panas
Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sisteM fisik. Persamaan energi yang terjadi pada proses perpindahan panas biasanya diturunkan dengan jalan pembuatan neraca panas pada suatu elemen volume yang kecil, dengan mengikuti kaidah di bawah ini
[ Panas yang masuk elemen selama Δt] = [ panas yang keluar elemen selama Δt] + [ perubahan energi dalam elemen selama Δt] -
[ energi yang dibangkitkan di dalam elemen selama Δt]
[Peubahan energi dalam di dalam elemen selama Δt] = [ panas netto yang ditransfer ke dalam elemen selama Δt] + [ energi yang dibangkitkan di dalam elemen selama Δt]
Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui perubahan fasa.
Konduksi termal adalah pertukaran mikroskopis langsung dari energi kinetik partikel melalui batas antara dua sistem. Ketika suatu objek memiliki temperatur yang berbeda dari benda atau lingkungan di sekitarnya, panas mengalir sehingga keduanya memiliki temperatur yang sama pada suatu titik kesetimbangan termal. Perpindahan panas secara spontan terjadi dari tempat bertemperatur tinggi ke tempat bertemperatur rendah, seperti yang dijelaskan oleh hukum kedua termodinamika.
Konveksi terjadi ketika aliran bahan curah atau fluida (gas atau cairan) membawa panas bersama dengan aliran materi. Aliran fluida dapat terjadi karena proses eksternal, seperti gravitasi atau gaya apung akibat energi panas mengembangkan volume fluida. Konveksi paksa terjadi ketika fluida dipaksa mengalir menggunakan pompa, kipas, atau cara mekanis lainnya.
Radiasi termal terjadi melalui ruang vakum atau medium transparan. Energi ditransfer melalui foton dalam gelombang elektromagnetik.[1]
Mekanisme
Bentuk-bentuk dasar perpindahan panas adalah:
- Konduksi atau difusi
- Perpindahan energi antara objek-objek yang mengalami kontak fisik.
- Konveksi
- Perpindahan energi antara sebuah objek dengan lingkungannya karena adanya pergerakan fluida.
- Adveksi
- Perpindahan energi dari satu lokasi ke lokasi lain sebagai efek samping dari objek berenergi yang bergerak.
- Radiasi
- Perpindahan energi dari atau ke tubuh akibat pelepasan atau penyerapan radiasi elektromagnetik.
Konduksi
Pada skala mikroskopik, konduksi panas muncul sebagai "rasa panas", atom yang bergetar atau berpindah sedemikian cepat berinteraksi dengan atom dan molekul sekelilingnya sehingga memindahkan sejumlah energi mereka ke partikel di sekelilingnya. Dengan kata lain, panas dipindahkan dengan konduksi ketika atom yang saling berdampingan menggetarkan satu sama lain, atau ketika elektron berpindah dari satu atom ke atom lain. Konduksi adalah bentuk perpindahan panas paling umum pada benda padat pada kontak termal. Fluida-terutama gas-kurang konduktif. Konduktansi kontak termal adalah studi konduksi panas antara benda padat yang saling bersentuhan.[2]
Konduksi steady state (lihat hukum Fourier) adalah bentuk konduksi yang terjadi ketika perbedaan temperatur yang terjadi pada konduksi berlangsung spontan, maka setelah waktu kesetimbangan, distribusi spasial temperatur pada benda terkonduksi tidak berubah-ubah lagi.[3] Pada konduksi steady state, jumlah panas yang memasuki suatu bagian sama dengan jumlah panas yang keluar.[2]
Konduksi transient (lihat persamaan panas) muncul ketika temperatur objek berubah sebagai fungsi waktu. Analisis pada sistem transient lebih kompeks dan sering dipakai untuk aplikasi dari analisis numerik oleh komputer.[2]
Konveksi
Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida.[4] Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas.
Konveksi bebas muncul ketika gerak fluida disebabkan oleh gaya apung yang berasal dari perbedaan massa jenis akibat perbedaan temperatur di dalam fluida. Konveksi tak bebas adalah istilah yang digunakan ketika aliran di dalam fluida diinduksi oleh benda eksternal, seperti kipas, pengaduk, dan pompa, sehingga menyebabkan konveksi induksi buatan.[5]
Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya." Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi ("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku.
Lihat juga: Bilangan Nusselt
Radiasi
Radiasi termal adalah energi yang dilepaskan oleh benda sebagai gelombang elektromagnetik, karena adanya tumpukan energi termal pada semua benda dengan suhu di atas nol mutlak.[6]
Radiasi termal muncul sebagai akibat perpindahan acak dari atom dan molekul benda. Karena atom dan molekul ini terdiri dari partikel bermuatan (proton dan elektron), pergerakan mereka menghasilkan pelepasan radiasi elektromagnetik yang membawa energi.
Radiasi dari matahari dapat digunakan untuk panas dan tenaga listrik.[7] Tidak seperti konduksi dan konveksi, radiasi termal dapat dikumpulkan di sebuah titik kecil menggunakan kaca pemantul, kemudian dimanfaatkan untuk pembangkit listrik solar.[8]
Lihat pula
Referensi
- ^ Geankoplis, Christie John (2003). Transport processes and separation process principles: (includes unit operations) (edisi ke-4th ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall Professional Technical Reference. ISBN 0-13-101367-X.
- ^ a b c Abbott, J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. (2005). Introduction to chemical engineering thermodynamics (edisi ke-7th ed.). Boston ; Montreal: McGraw-Hill. ISBN 0-07-310445-0.
- ^ "Thermal-FluidsPedia | Heat conduction".
- ^ Çengel, Yunus (2003). Heat Transfer: a practical approach. McGraw-Hill series in mechanical engineering. (edisi ke-2nd). Boston: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-245893-0. OCLC 300472921. Diakses tanggal 2009-04-20.
- ^ "Convection — Heat Transfer". Engineers Edge. Engineers Edge. Diakses tanggal 2009-04-20.
- ^ "Thermal-FluidsPedia | Radiation"
- ^ Mojiri, A., Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 28, December 2013, Pages 654–663
- ^ Taylor, R.A., Applicability of Nanofluids in High Flux Solar Collectors JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY 3, 023104, 2011
Bahan bacaan terkait
- Frontiers in Heat and Mass Transfer
- Heat Transfer Engineering
- Experimental Heat Transfer
- International Journal of Heat and Mass Transfer
- ASME Journal of Heat Transfer
- Numerical Heat Transfer Part A
- Numerical Heat Transfer Part B
- Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering
- Journal of Enhanced Heat Transfer
Pranala luar
- Thermal-FluidsPedia - An online thermal fluids encyclopedia.
- Hyperphysics Article on Heat Transfer - Overview
- Interseasonal Heat Transfer - a practical example of how heat transfer is used to heat buildings without burning fossil fuels.
- Aspects of Heat Transfer, Cambridge University
- Thermal-Fluids Central
- Energy2D: Interactive Heat Transfer Simulations for Everyone
- Heat and Mass Transport Equation Sheet