KONVEKSI

           Untuk memahami perpindahan panas dengan cara konveksi, lakukan percobaan berikut! (Percobaan Dapat Di Lihat Pada Menu Eksperimen "Percobaan 7.3"!!!)

Untuk perbedaan temperatur yang kecil, laju perpindahan panas (h), dikarenakan konveksi alamiah sebanding dengan selisih suhu sekitarnya () dan luas permukaan (A), ditulis dengan persamaan :

dengan h adalah faktor kesebandingan yang nilainya tergantung pada bentuk dan orientasi permukaan. Dinyatakan dalam , A dinyatakan dalam ,  dinyatakan dalam K maka H dinyatakan .

Kejadian yang kalian amati pada percobaan 7.3 disebut konveksi alamiah yang didasarkan pada perbedaan temperatur, sesuai dengan persamaan di atas, bagaimana terhadap luas permukaan benda tersebut?

Konveksi Paksa

Pada banyak penerapan dalam teknik, aliran zat alir (misalnya air), dilakukan dengan sengaja, yaitu mengalirkan air yang sudah panas ke tempat lain. Misalkan pada sistem pendinginan pada reactor nuklir dan radiator mobil. Pada radiator diberi kipas angin, apa fungsi kipas angin tersebut? Tentu sebelum kalian menjawab pertanyaan ini, kalian harus mengetahui prinsip kerja radiator. Prinsip yang kalian pegang adalah bahwa radiator menyediakan air dingin, kemudian dipaksa mengalir ke daerah mesin untuk mendinginkan mesin, terus air panas dari mesin mengalir kembali ke radiator. Dari sini kalian akan tahu fungsi dari kipas angin, bukan? Jelaskan! Dan bagaimana kalau kipas anginnya tidak bekerja apakah sistem pendinginan pada mesin akan normal?

Gambar 7.9 (a) Pendingin (b) Radiator

Contoh soal 7.5

Seseorang mempunyai suhu badan , berada dalam ruangan yang bersuhu . Hitung kalor yang dilepaskan dari orang setiap detik! Jika luas permukaan kulit orang , dan faktor kesebandingan untuk orang tanpa busana .

Penyelesaian :

Diketahui :  

                 

             

             

Ditanya :         H = ……….?

Jawab :

      = 7,1  1,5  (306-302) = 42,6 

 

Read more...

KONDUKSI

B. Cara Perpindahan Kalor

1.      Konduksi

Coba kalian pegang salah satu ujung sebuah sendok makan, sedangkan ujung yang lain kalian panaskan pada api kompor gas! Apa yang terjadi pada ujung sendok yang kalian pegang?

Selanjutnya ambil sebuah pisau yang mempunyai pegangan dari kayu! Peganglah pisau pada pegangannya, sedang ujung yang lain dipanaskan. Apakah yang terasa pada tanganmu? Bandingkan, apa yang kalian rasakan pada pengangan pisau dan ujung sendok!

a.      Laju Perpindahan Kalor dengan Cara Konduksi

Peristiwa yang terjadi pada sendok, menunjukkan adanya  aliran panas ke daerah dingin, bukan? Begitu pula pada pisau. Bagaimana fungsi kayu itu sendiri? Peristiwa aliran panas ini membuktikan adanya transfer energi panas ke dingin. Bagaimana cara mentransfer energi panas tersebut? Untuk menjawab pertanyaan ini perlu adanya analisis secara fisika.

Jika zat mendapat energi panas maka energi panas tersebut digunakan untuk menggetarkan partikel-partikel zat tersebut. Partikel-partikel yang bergetar mempunyai energi kinetik lebih besar ini, memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel tetangganya melalui tumbukan sehingga partikel tetangga bergetar dengan energi kinetik lebih besar pula. Begitu seterusnya partikel tetangga ini memindahkan energi ke partikel tetangga berikutnya. Sedangkan partikelnya sendiri tidak berpindah tempat. Pemindahan energi panas atau kalor semacam ini disebut konduksi. Jadi, perpindahan panas dengan cara konduksi adalah perpindahan panas yang tidak diikuti oleh perpindahan partikel zat. Sebatang logam panjang l, luas penampangnya A, perbedaan temperatur kedua ujungnya adalah , besarnya laju perpindahan panas H adalah berbanding terbalik dengan l, berbanding lurus dengan  dan A. Secara matematis dapat ditulis dengan persamaan :

dengan k adalah koefisien konduksi termal zat atau sering disebut konduktivitas termal (),  dinyatakan dalam K, A dinyatakan dalam , l dinyatakan dalam m, maka H dinyatakan dalam .

Persamaan di atas menunjukkan bahwa zat yang mempunyai nilai konduktivitas panas besar merupakan konduktor panas yang baik. Bagaimana terhadap kayu yang digunakan pada pegangan pisau? Tentu kayu bukan konduktor yang baik, bukan? Pada tabel konduktivitas termal zat menunjukkan bahwa logam merupakan konduktor termal yang baik daripada bukan logam, seperti kayu, karena mobilisasi elektron ikut berpartisipasi dalam konduktivitas listrik dan juga ikut berperan dalam transfer energi panas.

Oleh karena itu yang perlu diperhatikan adalah suatu logam yang mempunyai nilai konduktivitas termal tinggi, logam tersebut mempunyai konduktor termal yang baik. Menurut hukum Wideman-Franz, dinyatakan bahwa pada temperatur T, konduktivitas termal (K) berbanding lurus dengan konduktivitas listrik () dengan satuan (). Kenaikan temperatur akan menaikkan konduktivitas termal tetapi terjadi penurunan konduktivitas listrik, dapat ditulis :

dengan I adalah bilangan Lorentz.

Pada persamaan di atas menunjukkan bahwa konduktivitas termal berbanding lurus dengan kenaikan temperatur. Tabel 7.4 menunjukkan bahwa nilai konduktivitas termal pada udara, gabus, wol,dan kapuk sangat kecil. Berdasarkan persamaan di atas menunjukkan bahwa nilai konduktivitas kecil, nilai perpindahan panas persatuan waktu, H juga kecil, ini berarti bisa dikatakan bahwa pada bahan tersebut tidak menghantarkan panas. Bahan seperti ini disebut isolator. Bahan yang bersifat isolator sangat bermanfaat bagi manusia, misalnya plastik digunakan untuk pegangan alat-alat pemanas, udara, dan gabus untuk penyekat pada termos dan lain-lainnya.

Contoh soal 7.5

Batang tembaga panjang 100 cm luas penampang melintang . Salah satu ujungnya berada pada air yang mendidih sedang ujung yang lainnya ditempatkan pada es yang sedang mencair. Jika koefisien konduksi termal tembaga 400. Berapa joule banyaknya kalor yang berpindah dari ujung satu ke ujung yang lain dalam 1 menit?

Penyelesaian :

Diketahui : K = 400

                 A =  =
                = 373 K – 273 K = 100 K

                        l = 100 cm = 1m

Ditanya : H = …….?

Jawab :

Berdasarkan persamaan :

       

Dalam satu menit (H)=

Latihan 7.3

1. Rumus : .      Buktikan bahwa satuan ruas kiri sama dengan satuan ruas kanan!

2. Mengapa orang tidak menggunakan tembaga sebagai bahan pembuat panci, tetapi menggunakan

    aluminium?

Read more...

PEMUAIAN

a.      Muai Panjang, Muai Luas, dan Muai Ruang

Pada umumnya semua benda jika temperaturnya naik akan memuai dan temperatur diturunkan akan menyusut. Kecuali air yang temperaturnya dinaikkan dari 0,5 derajat celcius ke 40 derajat celicius air tersebut akan menyusut. Anomali semacam ini dimanfaatkan oleh kehidupan ikan pada musim salju, di mana air di permukaan danau atau sungai akan membeku. Ikan akan bertahan hidup pada kedalaman tertentu, mengapa? Pemuaian suatu benda mempunyai dimensi panjang disebut muai panjang, dimensi luas yang disebut muai luas dan dimensi volume disebut muai volume, lihat gambar 7.5!

Gambar 7.5 Muai panjang (a), muai luas (b), dan muai ruang (c)

Gambar 7.5 menunjukkan bahwa setiap kenaikan temperatur akan menunjukkan perubahan panjang (), perubahan luas (), dan perubahan volume (). Kesebandingan antara perubahan temperatur dan perubahan panjang disebut koefisien muai panjang (), muai luas disebut koefisien muai luas () muai volume disebut koefisien muai volume () yang secara keseluruhan tergantung pada jenis benda, lihat tabel 7.3 Jika T dinyatakan dalam  maka  dinyatakan dalam . Misalkan sebuah aluminium mempunyai nilai 24(), ini berarti setiap perubahan temperatur  terjadi perubahan panjang aluminium sebesar 24 per satu juta dari panjang mula-mula.

Tabel 7.3 menunjukkan bahwa nilai  positif berarti setiap kenaikan temperatur diikuti oleh kenaikan panjang benda tersebut. Namun tidak semua berlaku ketentuan ini misalkan bentuk anisotropik dari kristal  (kalsit) di mana penambahan temperatur mengakibatkan pertambahan panjang, nilai  positif di sisi lain terjadi penyusutan, nilai  negatif. Buktikan bahwa  dan !

b.      Anomali Air

Dari hasil pengamatan (diterangkan di kelas II SMP), kristal es mempunyai rongga-rongga yang cukup besar tetapi pada air lebih rapat daripada dalam es karena es terapung di air karena adanya rongga-rongga yang lebih besar pada kristal es tadi, menyebabkan kenaikan suhu dari 0  ke 4 air menyusut.

Gambar 7.6 Grafik volume terhadap suhu pada air (a) dan grafik massa jenis air terhadap suhu (b)

a.      Pemuaian Gas

Sifat gas yang mempunyai massa (m) ditentuka beberapa variabel yang sangat menentukan keadaan gas yaitu volume (V), tekanan (P), dan temperatur (T). Ini perlu diketahui bagaimana hubungan variabel-variabel tersebut. Secara umum, persamaan yang menghubungkan variabel-variabel tersebut disebut persamaan state dan persamaan ini sangat kompleks. Untuk gas yang mempunyai kerapatan rendah mempunyai persamaan yang sederhana dan gas tersebut bertingkah laku sebagai gas ideal. Hampir semua gas yang berada pada temperatur kamar dan tekanan 1 atmosfer bertingkah laku sebagai gas ideal. Apa yang dimaksud gas ideal? Gas ideal mempunyai beberapa ciri di antaranya adalah :

1.     Tumbukan antara atom atau molekul berlaku tumbukan lenting sempurna.

2.     Tidak ada interaksi antar molekul.

3.     Energi dalam yang dimiliki oleh atom atau molekul dalam bentuk energy kinetik.

4.     Perubahan energi dalam diikuti oleh perubahan temperatur.

Hubungan antara ketiga variabel tersebut di mana pada temperatur konstan adalah :

P V = konstan

            Persamaan di atas disebut hukum Boyle, di mana P dinyatakan dalam Pascal (Pa), dinyatakan dalam . Perhatikan bahwa 1 atmosfer = 760 mmHg = 101,3kPa!

Hubungan antara V dan T di mana P konstan, dapat ditulis :

Persamaan di atas disebut hukum Gay Lussac, di mana T dinyatakan K.

Hubungan antara P dan T, dimana volume konstan adalah :

Secara umum dapat dirumuskan sebagai :

Persamaan di atas disebut hukum Boyle Gay Lussac, jika gas tersebut bermassa m, maka dapat ditulis dalam bentuk :

dengan n adalah banyaknya mol, M adalah berat atom atau molekul, R adalah konstanta gas yang besarnya = 8,3145 , N adalah banyaknya atom atau molekul, k adalah konstanta Boltzman = ,  dan  adalah bilangan Avogadro = .
Gambar 7.7 menunjukkan hubungan ketiga variabel V, T, dan P dimana  bekerja pada volume, temperatur, dan tekanan akhir, dan  bekerja pada volume, temperatur dan tekanan mula-mula.

Gambar 7.7 Grafik antara tiga variabel yaitu V, T, dan P

Jelaskan bagaimana hubungan antara tekanan, temperatur, dan volume gas ideal yang didasarkan gambar 7.7!

Read more...