“perpindahan panas secara radiasi”BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Panas telah diketahui dapat berpindah dari tempat dengan temperatur lebih tinggi ke

tempat dengan temperatur lebih rendah. Hukum pencampuran panas juga terjadi karena

panas itu berpindah, sedangkan pada calorimeter, perpindahan panas dapat terjadi

dalam bentuk pertukaran panas dengan luar sistem. Jadi pemberian atau pengurangan

panas tidak saja mengubah temperatur atau fasa zat suatu benda secara lokal,

melainkan panas itu merambat ke atau dari bagian lain benda atau tempat lain.

Peristiwa ini disebut perpindahan panas

Menurut penyelidikan, perpindahan dengan tenaga panas dapat dibagi dalam

beberapa goongan cara perpindahan. Panas itu dapat merambat dari suatu bagian ke

bagian lain melalui zat atau benda yang diam. Panas juga dapat dibawa oleh partikel-

partikel zat yang mengalir. Pada radiasi panas, tenaga panas berpindah melalui

pancaran yang merupakan juga satu cara perpindahan panas. Umumnya perpindahan

panas berlangsung sekaligus dengan ketiga cara ini.

Perpindahan panas melalui cara pertama disebut perpindahan panas melalui

konduksi. Cara kedua, perpindahan panas melalui konveksi dan cara ketiga melalui

radiasi.

BAB II

KAJIAN TEORI

II.1 Perpindahan Panas Melalui Radiasi

Diantara dua benda I dan II yang terletak cukup berdekatan, dengan benda I

mengurung benda II didalamnya, masing-masing mempunyai temperature T1 dan T2

serta koefisien emisi dan serapan masing-masing e1, α1 dan e2, α2 akan terdapat

perpindahan panas melalui radiasi. Benda ini dapat memancarkan panas sesuai dengan

temeraturnya dan juga, ketika dikenai radiasi panas, dapat menyerap panas sehingga

akhirnya mencapai kesimbangan. Jika T1 > T2 maka setelah mencapai keseimangan,

benda II akan menyerap panas radiasi netto yang dipancarkan oleh I dan demikian

pula sebaliknya.

Daya emisi benda I adalah

E1e = E1 Eh1 = e1 σ0 T41

Dan daya emisi benda II yang diserap benda I adalah

E1s = α1 Eh2 = α1 σ0 T42

Pada keseimbangan emisi dan serapan, daya emisi panas total (netto) yang

dipancarkan benda I menjadi

E1 = E1e – E1s

atau

E1 = e1 σ0 (T41 – T4

2) (1)

Jadi daya emisi benda ini bergantung kepada temperaturnya dan temperature

sekeklingnya. Dengan jalan sama dapat diturunkan daya serapan total (netto) yang

diserap oleh benda II, sebesar

E2 = e2 σ0 (T41 – T4

2) (2)

Disini daya serapan panas bergantung kepada temperatur benda dan temperatur

sekitarnya. Dari persamaan (1) dan (2) ternyata bahwa benda dengan temperatur lebih

tinggi dari sekitarnya akan memancarkan panas netto sedangkan pada benda dengan

temperatur lebih rendah dari sekitarnya, terjadi penyerapan panas netto. Akhirnya

perpindahan panas akan berhenti apabila perbedaan tidak ada lagi. Pancaran panas

netto adalah :

Eke = ek σ0 (T4k – T4

s)

II.2 Sifat-Sifat Radiasi

Sifat-sifat benda yang menerima energy radiasi :

Gambar 1. Perpindahan Panas Radiasi

ρ = faktor refleksi (refleksifitas)

α = faktor absorpsi (absorpsivitas)

τ = faktor transmisi (transmisivitas)

ρ + α + τ = 1

Kebanyakan benda padat tidak meneruskan radiasi thermal, τ = 0, sehingga

Ρ + α = 1

Sifat-sifat radiasi benda yaitu :

1. Benda yang sifatnya dapat menyerap energy yang datang seluruhnya (100%)

disebut benda hitam (blackbody). Dengan α = 1 dan ρ = 0.

Emisi benda hitam, ε = α = 1.

2. Benda yang dapat memantulkan energy yang dating 100% disebut benda putih

sempurna (absolutely white). Dengan α = 0 dan ρ = 1

3. Benda yang diantara black body dan white body disebut abu-abu (grey body).

0 < ε < 1

II.3 Arus Perpindahan Panas Radasi

Daya emisi panas adalah daya panas yang diapancarkan suatu benda per satuan las

penampang radiasi. Berkas panas radiasi dapat dianggap sebagai arus panas yang

mengalir dari dank e suatu benda. Sesuai dengan defines arus panas pada konduksi dan

konveksi panas, arus radiasi panas didefinisikan sebagai daya panas yang melalui

penampang tegak lurus, sehingga :

H = E A

Dengan A sebagai luas penampang itu.

Gambar 2. Perpindahan panas radiasi antara dua permukaan datar yang parallel

untuk pemantulan sekali

Pada gambar 2, terdapat dua bilah keeping datar I dan II dengan luas permukaan A,

terletak sejajar masing-masing dengan temperatur T1 dan T2. Dari I ke II terdapat arus

panas H1 dan dari II ke I arus panas H2, sehingga arus panas netto bila T1 > T2 adalah

H = H1 – H2

mengalir dari I ke II, dan sebaliknya.

Arus panas H1 ini merupakan jumlah arus panas yang terdiri dari daya emisi

seluruh luas I dan pemantulan arus panas H2. Demikian pula untuk H2.Sebetulnya

pemantulan arus panas ini dapat dipantul lagi dan dipantul lagi, bolak balik, antara

kedua keeping itu.

Arus H1, jadinya terdiri dari bagian H2 yang dipantulkan yakni ρ1 H2 dan emisi

permukaan benda I sebesar

E1 A = e1 A σ0 T41

Sehingga

H1 = ρ1 H2 + e1 A σ0 T41 (3)

Dan dengan jalan sama

H2 = ρ2 H1 + e2 A σ0 T42 (4)

Berdasarkan hokum Kirchof pada keadaan yang sama α = e dan juga karena α+ ρ =1,

maka diperoleh

(5)

Bila kedua benda ini adalah benda hitam sempurna, maka dari (5) ini, diperoleh

hasil seperti (1) atau (2) bagi benda hitam sempurna juga.

II.4 Identitas Kirchoff

Emisivitas (ε) suatu benda sama dengan absorpsivitas (α)-nya pada suhu yang

sama. Emisivitas suatu benda adalah perbandingan antara energy yang dapat

dipancarkan oleh benda itu pada suhu T dibandingkan dengan energy yang

dipancarkan oleh benda hitam pada suhu yang sama. Energy yang dipancarkan oleh

suatu benda selalu lebih kecil dari energy yang dipancarkan oleh benda hitam

sehingga harga ε < 1. Persamaan untuk Hukum Kirchoff adalah

(6)

II.5 Radiasi Benda Hitam

Benda hitam adalah idelaisasi benda yang pada suhu berapapun, memancarkan atau

menyerpa seluruh radiasi pada panjang gelombang manapun (disebut radiator

sempurna). Daya pancar benda hitam tergantung dari suhu dan panjang

gelombangnya. Dan laju emisi –energi yang dari suatu radiator sempurna atau benda

hitam diberikan oleh :

=

Dimana : q adalah laju emisi energy radian ( W atau Btu/jam ); A adalah luas

permukaan pemancar ( m2 atau ft2 ); T adalah temperature absolute (K atau oR); dan

adalah konstanta Stefan-Boltzman dimana nilainya adalah 5,676 x 10-8 W/m2 .K4 atau

0,1714 x 10-8 Btu/jam ft2 oR4 . Dan persamaan ini sering disebut hokum Stefan-

Boltzman mengenai radiasi termal.

II.6 Radiasi Benda Tak Hitam

Pada perpindahan kalor radiasi antara permukaan hitam, semua energy benda tak

hitam yang menimpa permukaan itu diserap. Tetapi pada benda tak hitam, tidak

seluruh energy yang jatuh di permukaan diserap, sebagian dipantulkan kembali ke

permukaan lain dalam system dan sebagian mungkin dipantulkan keluar system.

Dimisalkan semua permukaan bersifat difus (baur, menyebar) dan mempunyai

suhu seragam, emisivitas dan refleksivitas konstan di seluruh permukaan.

Didefinisikan :

G = iradiasi yaitu :

Panas radiasi total yang menimpa suatu permukaan sebuah benda per satuan luas

J = radiosotas

Panas radiasi total yang meninggalkan suatu permukaan sebuah benda per satuan

waktu per satuan luas. Jumlah energy yang dipancarkan (emisi) dan energy yang

dipantulkan (refleksi) apabila tidak ada energy yang diteruskan (transmisi, τ = 0)

Dengan dianggap seluruh permukaan mempunyai G dan J yang sama.

Sehingga:

Energi netto yang meninggalkan permukaan :

Masukkan persamaan G, maka akan diperoleh :

Dari persamaan diatas maka diperoleh

Jaringan permukaan :

Pertukaran energy radiasi permukkan A1 dan A2

Energi yang meninggalkan permukaan 1 dan mencapai permukaan 2 adalah :

Energi yang meninggalkan permukaan 2 dan mencapai permukaan 1 adalah :

Pertukaran kalor netto antara kedua permukaan adalah

Dari hubungan resiprositas : A1 F12 = A2 F21

Sehingga :

Jaringan Ruang :

Jaringan radiasi merupakan gabungan anatra jaringan permukaan dan jaringan

ruang. Kedua udur jaringan itu merupakan pokok-pokok metode jaringan radiasi.

11.7 Radiasi Thermal

Jika suatu benda ditempatkan dalam pengurung, dan suhu pengurung lebih rendah

dari pada suhu benda, maka suhu benda tersebut akan turun, sekalipun ruang dalam

pengurung tersebut hampa. Proses pemindahan panas yang terjadi hanya semata

karena perbedaan suhu dan tanpa bantuan zat perantara (medium), disebut

perpindahan panas radiasi.

Ditinjau dari gelombang elektromagnetik, energi radiasi dibawa oleh gelombang

elektomagnetik .Ada banyak jenis radiasi, yaitu dari radiasi sinar gama ,sinar x,

radiasi termal hingga radiasi gelombang radio (dari spektrum panjang gelombang

pendek sampai yang berpanjang gelombang panjang).

Sedang radiasi termal, energi pancarannya adalah ditentukan berdasar dari suhu

benda tersebut. Daerah spektrum panjang gelombang radiasi termal adalah dari 0 , 1

sampai dengan 100 mikron. Radiasi matahari juga merupakan radiasi termal dengan

daerah panjang gelombang khusus yaitu 0, 25 sampai dengan 3 mikron.

11.8 Contoh Soal :

1. Dua plat hitam tak berhingga yang suhunya masing masing 800 0C dan 300 0C

saling bertukar kalor melalui radiasi. Hitunglah perpindahan kalor persatuan luas.

Penyelesaian

Dari persamaan:

q = δ A (T14 – T24)

q/A = δ (T14 – T24)

q/A = (5,669 x 10-8)(10734 – 5734)

q/A = 69,03 kW/m2 .

2. Dua bidang abu-abu dengan kondisi :

- Bidang I : t1 = 1540oF dengan

- Bidang II : t2 = 540oF dengan

Hitunglah :

- Perpindahan panas secara radiasi antara bidang I dan II jika kedua bidang itu

sangat luas, tetapi letaknya sangat berdekatan yang satu dengan yang lain dan

dinyatakan dalam (Btu/ jam ft2 0R).1

Penyelesaian :

T1= 2000 O R

T2= 1000 O R

q1=q2=

q1=q2/A = 0,1713 (0,445)(204 – 104 ) = 11450 Btu/jam ft2 oR

3. Dinding dalam dari sebuah dapur yang terbuat dari bata tahan api (

berada sejauh 4 inchi dari dinding bata tahan api, sebelah luar ( dan

dihubungkan oleh dinding yang tidak dapat menghantarkan panas tetapi dapat

memantulkan kembali semua panas yang diterimanya. Hitunglah perpindahan

panas secara pancaran antara kedua dinding itu jika diketahui suhu dinding itu

berturut - turut 2240 oR dan 1240 oR. Ukuran dinding dapur itu adalah 3 ft x 3 ft.

Penyelesaian :

Kedua bidang bujur sangkar dengan sisi 3 ft dan

jarak 4 inchi, ratio = ( 3x12 )/4 = 9 ( tidak dapat

dibaca dalam grafik 4-11) maka dianggap dua bidang

sejajar yang tidak terhingga panjang, sehingga

q1 = q2 = 0,1713. F12. A1. [(T1/100)4 – (T2/100)4 ]

q1 = q2 = 0,1713. ( 3x3 ). (0,522). [(27)4 – (17)4 ] = 360500 Btu/jam.