Insulasi termal

Insulasi termal, insulasi panas, atau isolasi termal adalah metode atau proses yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas/kalor. Panas atau energi panas (kalor) bisa dipindahkan dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi atau ketika terjadi perubahan wujud. Mengenai insulasi termal, hanya dibicarakan perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Aliran panas dapat dikendalikan dengan proses ini, tergantung pada sifat material yang dipergunakan. Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut atau insulator atau isolator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya, tetapi insulator mengurangi panas yang lolos tersebut.

Insulasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah hasil akhirnya, yaitu masuknya dingin dan keluarnya panas. Insulator juga dapat bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin lebih lama dari biasanya. Insulator digunakan untuk memperkecil perpindahan energi panas.

Kemampuan insulasi suatu bahan diukur dengan konduktivitas termal (k). Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi (resistansi termal atau nilai R) yang tinggi. Dalam teknik termal, sifat-sifat lain suatu bahan insulator adalah densitas (ρ) dan kapasitas panas spesifik (c).

Definisi

Insulasi

Knalpot mobil membutuhkan penahan panas tertentu, terutama knalpot berdaya tinggi di mana sering digunakan pelapis keramik.

Bahan dengan konduktivitas termal (k) rendah menurunkan laju aliran panas. Jika nilai k lebih kecil, value, maka nilai resistansi termal yang berkaitan (R) akan lebih besar. Konduktivitas termal diukur dengan satuan watt-per-meter per Kelvin (W·m⁻¹·K⁻¹), dilambangkan dengan k. Semakin tebal bahan insulator, semakin tinggi pula resistansi termal atau nilai R bahan itu.

Untuk suatu tabung, resistansi termal konvektif berbanding terbalik dengan luas permukaan dan karenanya juga berbanding terbalik dengan jari-jari (radius) tabung, sedangkan resistansi termal kulit tabung (lapisan insulasi) tergantung dari rasio jari-jari luar dan dalam, bukan pada jari-jari itu sendiri. Misalnya jari-jari luar tabung dilipat gandakan dengan menambah lapisan insulator, berarti ditambahkan sejumlah tertentu resistansi konduktif (sama dengan ln(2)/(2πkL)) tetapi pada saat yang sama resistansi konvektif dikurangi setengahnya. Karena resistansi konvektif cenderung mendekati nilai tak terhingga jika jari-jari mendekati nol, maka pada jari-jari yang kecil, penurunan resistansi konventif akan lebih besar daripada penambahan resistansi konduktif, sehingga menghasilkan total resistansi yang lebih rendah.
Dengan demikian tersirat bahwa ada nilai jari-jari kritikal (r critical; critical radius) di mana transfer kalor mencapai maksimum. Di atas jari-jari kritikal ini, penambahan insulasi menurunkan transfer kalor. Untuk tabung terinsulasi, jari-jari kritikal dihitung dengan persamaan berikut:^[1]

{r_{critical}}={k \over h}

Persamaan ini menunjukkan bahwa jari-jari kritikal tergantung hanya pada koefisien transfer panas dan konduktivitas termal dari insulasi. Jika jari-jari tabung yang tidak terinsulasi lebih besar dari jari-jari kritikal insulator, penambahan insulator dalam jumlah apapun akan menurutnkan transfer panas.

Aliran panas dapat dikurangi dengan menangani satu atau lebih dari tiga mekanisme transfer panas (perpindahan kalor) dan tergantung pada sifat fisik bahan yang digunakan untuk melakukan hal ini.

Insulasi "mineral wool", 1600 dpi scan

Jenis aliran panas

Radiasi termal dan pelindung radiasi

Radiasi termal terdiri dari seluruh jenis panjang gelombang cahaya, tetapi sebagian besar energi yang diradiasikan pada suhu ruangan berbentuk gelombang inframerah. Radiasi tidak membutuhkan medium untuk mengalirkan kalor karena panas diradiasikan dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Besarnya energi yang diradiasikan berbanding lurus dengan luas permukaan dan emisivitas. Setiap objek bersuhu di atas nol mutlak pasti meradiasikan energi.
Pelindung radiasi menunjuk pada sifat emisivitas dan penyerapan yang rendah, dan reflektivitas yang tinggi. Pada jenis benda tersebut, energi yang diserap jauh lebih kecil daripada energi yang dipantulkan. Logam yang disemir dengan sangat baik memiliki sifat pelindung radiasi yang baik. Kebalikannya, benda gelap akan memiliki emisivitas dan penyerapan yang tinggi, serta reflektivitas yang rendah. Pada material jenis ini, energi yang diserap akan lebih tinggi daripada yang dipantulkan (lihat benda hitam).

Konduksi termal dan pelindung konduktif

Konduksi termal terjadi jika panas mengalir melalui medium dan tidak disertai perpindahan molekul penyusun material tersebut. Laju kalor yang mengalir berbanding lurus dengan ketebalan, perbedaan temperatur, dan konduktivitas termal.
Sebagian besar gas, termasuk udara, adalah konduktor yang buruk, insulator yang baik. Pelindung konduktif pada umumnya adalah lapisan material yang mampu menahan laju transfer panas. Sebagai contoh, styrofoam yang memiliki banyak rongga yang diisi udara.

Konveksi termal dan pelindung konvektif

Konveksi termal terjadi ketika panas mengalir melalui medium dan disertai perpindahan molekul penyusun material tersebut. Perpindahan molekul tersebut terjadi karena perbedaan massa jenis akibat pemuaian akibat panas sehingga terjadi suatu aliran. Konveksi bisa diredam dengan cara membagi medium konvektif menjadi beberapa bagian untuk mencegah terbentuknya aliran.

Aplikasi

Pakaian

Pakaian dipergunakan untuk mempertahankan temperatur tubuh manusia.
Untuk memungkinkan dipergunakannya pakaian di lingkungan yang panas, bahan pakaian harus memungkinkan bagi keringat untuk menguap. Antisipasi yang baik ketika cuaca panas adalah dengan menyediakan aliran udara dalam pakaian sehingga udara dapat masuk dan pendinginan oleh keringat dapat terjadi. Keringat menguap karena menyerap panas tubuh, sehingga jika uap jenuh di dalam pakaian, tubuh akan semakin panas. Untuk melawan dingin, mengaplikasikan beberapa lapis pakaian mungkin berguna untuk mempertahankan panas tubuh. Dalam cuaca yang dingin, panas tubuh dapat menghilang dari pakaian karena angin, perbedaan temperatur, dan radiasi. Hal ini juga berlaku untuk aksesoris pakaian lainnya (sepatu, topi, dan sebagainya).

Bangunan

Mempertahankan temperatur bangunan pada tingkat kenyamanan umumnya menggunakan banyak energi karena konsumsi energi dipakai untuk pendinginan atau pemanasan ruangan. Beberapa bangunan yang sering dipakaikan peredam panas yaitu rumah, pabrik, gedung olahraga, gedung pertemuan. Ketika bangunan diinsulasi dengan baik, manfaat yang dapat diambil diantaranya:

Lebih efisien dalam penggunaan energi.
Menyediakan temperatur yang cenderung seragam di dalam ruang. Perbedaan temperatur secara horisontal maupun vertikal sangat kecil, menciptakan lingkungan yang nyaman untuk ditinggali meski temperatur udara di luar sedang dalam keadaan panas ataupun dingin.
Tidak seperti alat pemanas atau pendingin, insulasi cenderung permanen dan hampir tidak membutuhkan perawatan, penyimpanan ataupun pengaturan.

Beberapa jenis insulasi termal juga menyerap kebisingan dan getaran yang datang dari dalam dan luar ruangan sehingga menciptakan kenyamanan dalam bertempat tinggal. Insulasi pipa juga bermanfaat dalam bangunan untuk pipa yang menyalurkan fluida panas ataupun dingin.

Sistem mekanik

Insulasi termal diaplikasikan pada komponen pembuangan gas (exhaust) dengan cara penyemprotan plasma (plasma spraying).

Sistem pemanasan dan pendinginan ruangan menyalurkan panas ke seluruh bangunan melalui jaringan pipa atau saluran. Insulasi pipa dapat mengurangi pemborosan energi ke ruangan yang tidak perlu dipanasi dan mencegah pengembunan atau kondensasi pada jaringan pipa yang beku atau terekspos pada suhu rendah. Insulasi pipa juga digunakan pada jaringan pipa air minum untuk menghindari pembekuan pipa untuk periode yang diinginkan.^[2]

Otomotif

Mesin pembakaran internal menghasilkan panas dalam jumlah besar selama siklus pembakaran (combustion). Hal ini memberi efek negatif bila mencapa sejumlah komponen yang peka terhadap panas, seperti sensor, aki, dan motor starter. Akibatnya, insulasi termal sangat diperlukan untuk mencegah panas dari exhaust mencapai komponen-komponen ini.^[3]

Perjalanan luar angkasa

Insulasi termal pada wahana antariksa Huygens.

Wahana antariksa memiliki banyak kebutuhan insulasi. Insulasi yang dibutuhkan harus ringan, karena penambahan massa berarti penambahan biaya peluncuran. Di luar angkasa tidak ada atmosfer yang melindungi dari sinar matahari sehingga setiap objek akan dipanaskan oleh matahari dalam sekejap. Di luar angkasa, panas tidak bisa dikonveksikan ataupun dikonduksikan ke objek lain. Insulasi berlapis, lempengan emas, umumnya menutupi satelit dan kendaraan luar angkasa, yang berguna untuk mengontrol radiasi termal. Peluncuran dan kembalinya wahana antariksa ke bumi mengakibatkan tekanan pada wahana antariksa, sehingga ketahanan insulator sangat dibutuhkan (lihat kasus Pesawat Ulang Alik Columbia). Proses kembalinya wahana antariksa ke bumi menghasilkan panas yang tinggi ketika menyentuh atmosfer sehingga membutuhkan insulator dengan sifat termal yang sangat baik, seperti karbon komposit di bagian hidung dan lapisan silika pada badan pesawat ulang alik.

Lihat pula

Referensi

^ Bergman, Lavine, Incropera and DeWitt, Introduction to Heat Transfer (sixth edition), Wiley, 2011.
^ http://www.firoflex.co.uk/KnowHow/FAQ-PipeFreezing.html^{[pranala nonaktif permanen]}
^ "Salinan arsip". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-01-26. Diakses tanggal 2015-01-06.

Pranala luar

(Inggris) Performance Termal: Memahami cara kerja insulasi termal Diarsipkan 2013-03-23 di Wayback Machine.

[1] Bergman, Lavine, Incropera and DeWitt, Introduction to Heat Transfer (sixth edition), Wiley, 2011.

[2] ttp://www.firoflex.co.uk/KnowHow/FAQ-PipeFreezing.html^{[pranala nonaktif permanen]}

[3] "Salinan arsip". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-01-26. Diakses tanggal 2015-01-06.

[1]

[2]

[3]