Prinsip Dasar Perpindahan Kalor

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Perpindahan kalor adalah suatu fenomena perpindahan energi yang dapat dengan mudah diamati dalam kehidupan sehari-hari. Sinar matahari mencapai ke bumi, memasak air dengan menggunakan panci, mendinginkan udara dengan AC adalah contoh fenomena perpindahan kalor. Artikel ini membahas istilah-istilah yang berhubungan dengan kalor dan prinsip dasar dari fenomena perpidahan kalor yang terdiri dari konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Temperatur

Panas atau dingin adalah ukuran kualitatif yang sangat relatif. Air mendidih merupakan zat yang panas jika dibandingkan dengan sebuah es batu. Namun, air yang mendidih merupakan suatu hal dingin jika dibandingkan dengan api biru. Agar panas atau dingin sebuah objek dapat ditentukan secara kuantitatif maka dibutuhkan sebuah besaran yang dinamakan temperatur (Suhu).

Temperatur dapat didefinisikan sebagai suatu besaran fisis yang menunjukkan seberapa panas atau dingin sebuah benda/objek. Dengan adanya besaran temperatur maka panas atau dingin dapat ditentukan dengan mudah. Sebagai contoh: jika ada tiga buah objek yaitu api bertemperatur 300 ^oC, air bertemperatur 100 ^oC, dan es batu bertemperatur 0 ^oC. Manakah yang paling panas? Dengan adanya besaran temperatur maka dapat dengan mudah dikatakan bahwa api biru adalah yang paling panas.

Temperatur dapat dinyatakan dalam beberapa satuan. Setidaknya ada empat macam satuan temperature yang dikenal luas yaitu: Kelvin, Celsius, Reaumur, dan Fahrenheit. Kelvin adalah satuan temperatur absolut dan merupakan satuan internasional dari temperatur. Satuan Kelvin dapat langsung dihubungkan dengan tingkat energi molekul zat. Celsius adalah satuan yang paling banyak digunakan karena disesuaikan dengan air membeku dan mendidih sehingga mudah dibayangkan fisisnya. Pada tekanan 1 atm, air akan membeku di temperature 0 ^oC dan mendidih pada temperature 100 ^oC. Reaumur adalah satuan temperature yang dulu pernah populer di eropa khususnya perancis. Fahrenheit adalah satuan temperatur yang sampai saat ini banyak digunakan di Amerika Serikat dan Inggris. Hubungan antara keempat satuan tersebut diatas dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana C adalah temperatur dalam satuan Celsius, F adalah temperatur dalam satuan Fahrenheit, R adalah temperatur dalam satuan Reaumur, K adalah temperatur dalam satuan Kelvin

2. Kalor, kalor jenis, dan kalor laten

Heat dalam bahasa inggris sering diterjemahkan menjadi “panas”. Sebenarnya kata “panas” kurang tepat dalam menerjemahkannya. “Panas” lebih tepat untuk menerjemahkan hotkarena panas adalah kata sifat. Sedangkan untuk menerjemahkan kata heatlebih baik menggunakan kata kalor. Kalor (heat)adalah sebuah besaran energi yang berkaitan dengan temperatur. Sebagai contoh: jika ingin memanaskan air, maka dibutuhkan energi dalam bentuk kalor. Kalor memiliki satuan yang sama dengan enegri yaitu Joule.

Setiap zat memiliki karakteristik yang berbeda berkaitan dengan energi kalor. Maksudnya adalah untuk menaikkan temperatur suatu zat dibutuhkan jumlah kalor yang berbeda untuk zat yang berbeda. Sebagai contoh untuk menaikkan temperatur air dari temperature tertentu ke temperature lain dibutuhkan sejumlah kalor. Namun untuk menaikkan temperatur yang sama pada kayu dibutuhkan jumlah kalor yang berbeda. Besaran yang menentukan ini disebut dengan kalor jenis (specific heat)yang memiliki satuan J/(kg K). Untuk menentukan berapa jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur digunakan persamaan sebagai berikut:

Dimana Q adalah jumlah kalor (J), m adalah massa (kg), c adalah kalor jenis (J/(kg K)), dan ΔTadalah selisih temperature antara temperatur awal dan akhir (K). Kalor yang dibahas ini adalah kalor sensibel yaitu kalor yang menyebabkan kenaikan temperatur. Kapasitas kalor (heat capacity) yang dilambangkan dengan Cmerupakan perkalian antara massa dengan kalor jenisnya, , sehingga kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur benda dapat dituliskan:

Selain kalor sensibel, ada yang dinamakan kalor laten yaitu kalor yang tidak meyebabkan perubahan temperature. Contohnya adalah jika kita memanaskan air yang sudah mendidih pada tekanan atmosfer 1 atm maka temperaturnya akan tetap 100 ^oC. Hal ini dikarenakan air pada keadaan tersebut sudah dalam keadaan saturasi, artinya kalor yang diterima oleh air tidak dapat menaikkan temperaturnya namun digunakan untuk mengubah fasanya dari cair ke gas (uap). Begitu pula yang terjadi pada saat es diletakkan ditempat yang memiliki temperatur ruang. Es yang bertemperatur 0 ^oC tidak langsung naik temperaturnya melainkan es akan mencair tanpa adanya kenaikan temperaturnya. Inilah yang dinamakan kalor laten. Begitu semua es telah berubah fasa menjadi cair barulah temperaturnya naik. Pada saat ada kenaikan temperatur maka disebut kalor sensibel.

Besarnya kalor laten dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini:

Dimana Q adalah jumlah kalor (J), m adalah massa, dan L adalah kalor laten (J/kg). Setiap zat memiliki nilai L yang berbeda pada saat berubah fasa cair-gas dan padat-cair.  

3. Perpindahan Kalor

Kalor ada sebuah bentuk energi yang secara spontan berpindah dari temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Sampai saat ini dikenal tiga macam cara kalor berpindah yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

• Konduksi

Jika salah satu ujung sebuah batang logam dipanaskan sedangkan ujung lainnya dibiarkan maka lambat laun ujung yang tidak dipanaskan akan menjadi panas juga. Pada kejadian ini terjadi perpindahan kalor dari ujung yang dipanaskan (temperature tinggi) ke ujung yang tidak dipanaskan (temperature rendah). Perpindahan kalor seperti ini dikenal dengan nama konduksi.

Pada perpindahan konduksi tidak terjadi perpindahan molekul dan terjadi jika ada medium (dalam kasus ini adalah batang logam). Perpindahan kalor secara konduksi dapat dimodelkan secara matematis sebagai berikut.

Dimana adalah laju aliran kalor (J/s), k adalah konduktifitas termal suatu bahan (W/(mK)), A adalah luas penampang, ΔTadalah perbedaan temperatur antara ujung yang satu dengan yang lainnya, dan L adalah tebal bahan.

• Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi terjadi disertai dengan pergerakan molekul dan biasanya terjadi pada fluida (zat alir). Sebagai contoh jika secangkir air panas diletakkan di ruangan yang sejuk. Pada kasus ini terdapat perbedaan temperatur antara secangkir air panas dengan udara (fluida) ruangan yang sejuk. Udara yang sangat dekat dengan cangkir mengalami kenaikan temperatur karena menempel dengan permukaan cangkir yang panas. Udara yang memiliki temperatur lebih tinggi akan menjadi lebih ringan sehingga udara panas ini naik ke atas. Ruang kosong yang ditinggalkan oleh udara panas ini digantikan oleh udara dingin dari bawah sehingga terjadi aliran udara di dekat permukaan cangkir. Fenomena perpindahan kalor seperti ini dinamakan konveksi.

Ditinjau dari cara bergeraknya molekul, konveksi dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu konveksi alami (natural convection)dan konveksi paksa (forced convection). Pada konveksi alami, aliran fluida terjadi karena gaya buoyancy (archimides) seperti yag terjadi pada kasus secangkir kopi panas. Sedangkan fluida pada konveksi paksa bergerak karena ada gaya yang sengaja diberikan seperti fan atau pompa.

Perpindahan kalor secara konveksi disederhanakan menjadi:

Dimana adalah laju aliran kalor (J/s), h adalah koefisien konveksi (W/m²K), A adalah luas permukaan kontak antara kedua zat (m²), dan adalah perbedaan temperatur antara kedua zat (K).

Dalam perpindahan kalor, konveksi merupakan perpindahan kalor yang cukup rumit karena melibatkan mekanika fluida. Oleh karenanya perhitungan perpindahan kalor secara konveksi lebih sering dengan menggunakan persamaan empiris. Penentuan nilai koefisien konveksi merupakan hal masalah utama dalam perhitungan perpindahan kalor secara konveksi.

• Radiasi

Radiasi merupakan suatu fenomena yang cukup baru diobservasi jika dibandingkan dengan konveksi dan konduksi. Sejatinya perpindahan kalor secara radiasi adalah pemancaran gelombang elektromagnetik dari sebuah benda. Secara teori setiap zat yang memiliki temperatur lebih besar dari 0 K akan memancarkan radiasi. Semakin tinggi temperature suatu zat maka semakin besar radiasi yang dipancarakan.

Perpindahan kalor secara radiasi tidak membutuhkan medium. Salah satu contohnya adalah pancaran radiasi matahari sehingga sampai di bumi. Antara bumi dan matahari sebagian besarnya adalah ruang hampa, namun demikian panas matahari tetap dapat sampai ke bumi.

Secara matematis, radiasi dituliskan sebagai berikut:

dimana adalah laju aliran kalor (W), e adalah emisifitas bahan, σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann ( dan Tadalah temperature benda).

Referensi

[1] Physics Principles with Applications 6^thEdition, Douglas C Giancoli, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 2005, pp 355.