pengertian contoh soal,rumus konveksi konduksi radiasi

KONDUKSI,KONVEKSI,DAN RADIASI

 1.)konduski

Definisi konduksi atau pengertian hantaran. Konduksi yaitu perpindahan kalor melalui suatu bahan, yang tidak disertai perpindahan bahan itu. Contoh ; jika ujung logam dipanaskan di atas nyala api, maka beberapa saat kemudian ujung yang lain akan menjadi ikut panas.
Proses hantaran kalor ini disebabkan oleh molekul-molekul bahan logam yang suhunya lebih tinggi akan bergetar lebih cepat dan membentur molekul-molekul lain yang suhunya lebih rendah. Benturan ini mengakibatkan molekul di sekitarnya juga bergetar lebih cepat dan suhunya naik. Kecepatan perpindahan kalor tergantung dari panjang, luas penampang, suhu dan jenis bahan tersebut. Hantaran ini disebut konduksi kalor.
Peristiwa hantaran dapat pula terjadi pada aliran listrik, disebut konduksi listrik. konduksi listrik terjadi bila electron bebas atau ion dalam logam (bahan penghantar) tidak terikat oleh atom sehingga akan bergerak bila ada medan listrik. 

Konduksi diakibatkan oleh tumbukan antar-molekul  penyusun. secara konduksi pada sebuah benda yang ujung-ujungnya memiliki T1 dan T2 dapat dinyatakan dengan rumus atau persamaan:

RUMUS KONDUKSI:

Keterangan:

• T1= suhu lebih tinggi (Derajat Celcius).
• T2= suhu lebih rendah (derajat celcius).
• d= panjang atau tebal benda (m).
• A= luas penampang benda (m2).
•  
• k= konduktifitas kalor (J/s m Derajat celcius).

Contoh soal Konduksi

Sumber utama kehilangan  panas dalam ruangan adalah melalui jendela. Misalkan terdapat sebuah jendela yang terbuat dari kaca dengan ukuran 2 m X 1,5 Derajat Celcius, sedangkan suhu di luar ruangan 14 derajat celcius. Hitunglah laju kehilangan panas melalui jendela.

Jawab:

Ada tiga macam atau jenis Perpindahan Panas, yaitu Konveksi, Radiasi dan Konduksi. 

==> DEFINISI - PENGERTIAN KONVEKSI

Konveksi adalah perpindahan panas yang disertai dengan perpindahan zat perantaranya. Perpindahan panas secara Konveksi terjadi melalui aliran zat. Contoh yang sederhana adalah proses mencairnya es batu yang dimasukkan ke dalam air panas. Panas pada air berpindah bersamaan dengan mengalirnya air panas ke es batu. Panas tersebut kemudian menyebabkan es batunya meleleh.

==> DEFINISI - PENGERTIAN RADIASI

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa melalui perantara. Untuk memahami ini, dapat kita lihat kehidupan kita sehari-hari. Ketika 
 

matahari bersinar terik pada siang hari, maka kita akan merasakan gerah atau kepanasan. Atau ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun, kita  merasakan hangat walaupun kita tidak bersentukan dengan apinya secara langsung. Dalam kedua peristiwa di atas, terjadi perpindahan panas yang dipancarkan oleh asal panas tersebut sehingga disebut dengan Radiasi.

==> DEFINISI - PENGERTIAN KONDUKSI

Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat perantara. Namun, zat tersebut tidak ikut berpindah ataupun bergerak. COntoh sederhana dalam kehidupan sehari-hari misalnya, ketika kita membuat kopi atau minuman panas, lalu kita mencelupkan sendok untuk mengaduk gulanya. Biarkan beberapa menit, maka sendok tersebut akan ikut panas. Panas dari air mengalir ke seluruh bagian sendok. Atau contoh lain misalnya saat kita membakar besi logam dan sejenisnya. Walau hanya salah satu ujung dari besi logam tersebut yang dipanaskan, namun panasnya akan menyebar ke seluruh bagian logam sampai ke ujung logam yang tidak ikut dipanasi. Hal ini menunjukkan panas berpindah dengan perantara besi logam tersebut.

Contoh Soal Konveksi

Contoh Soal 3

Udara dingin pada temperatur 10°C dipaksakan melalui plat tipis yang memiliki temperatur 40°C. Koefisien perpindahan kalor (h) = 30 W/(m². °C).Tentukan laju aliran dari plat ke udara mel

alui plat dengan luas permukaan A = 2 m².

Penyelesaian

Diberikan: T_f = 10°C, T_w = 40°C, dan h = 30 W/(m².°C).

Kemudian aliran kalor yang melalui luasan A = 2 m² menjadi:

Contoh Soal 4

Udara atmosfir pada temperatur 10°C melaju dengan kecepatan 5 m/s melalui tabung berdiameter luar (outside diameter = OD) 1 cm dan panjang 5 m dimana bagian permukaan dipertahankan pada temperatur 110°C, sebagaimana diilustrasikan pada gambar dibawah. Tentukan laju aliran kalor dari permukaan tabung ke udara atmosfir.

Penyelesaian:

Perpindahan kalor pada luasan A yang berada di bagian permukaan luar tabung

A  = p.D.L

    = p x 0,01 m x 5 m

    = 0,05 p = 0,157 m²

 

Untuk konveksi paksa yang melewati diameter tabung D = 0,01 m dengan V_m = 5 m/s, koefisien perpindahan kalor diantara permukaan luar dengan udara atmosfir seperti ditunjukkan dalam tabel 1.1 dimana h = 85 W/(m².°C). Persamaan 1.3 digunakan untuk menghitung fluks kalor, diketahui T_f = 10 °C, T_w = 110°C, dan h = 85 W/(m².°C), sehingga q diperoleh dengan :

q =  h (T_w  - T_f)

        = 85 W/(m².°C) x (110 - 10) °C = 8500 W/m²

Laju aliran kalor yang melewati  A = 0,05 p m²   menjadi :

Q = q.A

    = 8500 W/m² x 0,05 p m²

    = 1335,18 W = 1,335 kW

Contoh soal 5

Permukaan dalam sebuah lapisan isolasi bertemperatur T₁ = 200°C dan permukaan luar melepaskan kalor dengan cara konveksi ke udara pada T_f  = 20°C. Lapisan isolator memiliki ketebalan 5 cm dan konduktivitas termal sebesar 1,5 W/(m.°C). Berapa besar koefisien perpindahan kalor konveksi minimum pada permukaan luar, jika temperatur T₂ pada permukaan luar tidak boleh lebih dari 100°C?

Penyelesaian:

Kondisi dibawah keadaan steady, untuk keseimbangan energi pada permukaan, fluks kalor konduksi yang melewati lapisan isolasi harus sama dengan fluks kalor konveksi dari permukaan luar ke udara, seperti diilustrasikan pada gambar  disamping, sehingga kita memiliki :

diberikan T₁  = 200°C, T₂ = 100°C, T_f  = 20°

W/(m.°C), sehingga diperoleh:

CONTOH SOAL RADIASI:
Soal No. 1
Sebuah benda memiliki suhu minimum 27^oC dan suhu maksimum 227^oC.



Tentukan nilai perbandingan daya radiasi yang dipancarkan benda pada suhu maksimum dan minimumnya!

Pembahasan
Data :
T₁ = 27^oC = 300 K
T₂ = 227^oC = 500 K
^P₂/_P1 = (^T₂/_T1)^4
P₂/_P1 = (⁵⁰⁰/₃₀₀)⁴ = (⁵/₃)⁴ = 625 : 81

Soal No. 2
Sebuah benda dengan luas permukaan 100 cm² bersuhu 727^oC. Jika koefisien Stefan-Boltzman 5,67 x 10⁻⁸ W/mK⁴ dan emisivitas benda adalah 0,6 tentukan laju rata-rata energi radiasi benda tersebut!

Pembahasan
Data :
σ = 5,67 x 10⁻⁸ W/mK⁴
T = 727^oC = 1000 K
e = 0,6
A = 100 cm² = 100 x 10⁻⁴ = 10⁻²

Laju energi rata-rata :
P = eσ T ⁴A
P = (0,6)(5,67 x 10⁻⁸ )(1000)⁴(10⁻²)
P = 340,2 joule/s

Soal No. 3
Daya radiasi yang dipancarkan suatu benda pada suhu 227^oC adalah 1200 J/s. Jika suhu benda naik hingga menjadi 727^oC, tentukan daya radiasi yang dipancarkan sekarang!

Pembahasan
Data :
T₁ = 227^oC = 500 K
T₂ = 727^oC = 1000 K
P₁ = 1200 watt

Daya radiasi yang dipancarkan sekarang :
^P₂/_P1 = (^T₂/_T1)^4
P₂/_P1 = (¹⁰⁰⁰/₅₀₀)⁴
P₂ = (¹⁰⁰⁰/₅₀₀)⁴ x P₁
P₂ = (2)⁴ x 1200 = 16 x 1200 = 19200 watt

Soal No. 4
Permukaan benda pada suhu 37^oC meradiasikan gelombang elektromagnetik. Bila konstanta Wien = 2,898 x 10⁻³ m.K maka panjang gelombang maksimum radiasi permukaan adalah.....
A. 8,898 x 10⁻⁶ m
B. 9,348 x 10⁻⁶ m
C. 9,752 x 10⁻⁶ m
D. 10,222 x 10⁻⁶ m
E. 11,212 x 10⁻⁶ m
(Sumber soal : UN Fisika SMA 2008)

Pembahasan
Data :
T = 37^oC = 310 K
C = 2,898 x 10⁻³ m.K
λ_maks = ....?

λ_maks T = C
λ_maks (310) = 2,898 x 10⁻³
λ_maks = 9,348 x 10⁻⁶ m

Soal No. 5
Grafik menyatakan hubungan intensitas gelombang (I) terhadap panjang gelombang, pada saat intensitas maksimum (λm) dari radiasi suatu benda hitam sempurna.



Jika konstanta Wien = 2,9 x 10⁻³ mK, maka panjang gelombang radiasi maksimum pada T₁ adalah....
A. 5.000 Å
B. 10.000 Å
C. 14.500 Å
D. 20.000 Å
E. 25.000 Å
(Sumber soal: UN Fisika 2009)

Pembahasan
Data :
T = 1727^oC = 2000 K
C = 2,9 x 10⁻³ m.K
λ_maks = ....?

λ_maks T = C
λ_maks (2000) = 2,9 x 10⁻³
λ_maks = 1,45 x 10⁻⁶ m = 14.500 Å

Soal No. 6
Panjang gelombang radiasi maksimum suatu benda pada suhu T Kelvin adalah 6000 Å. Jika suhu benda naik hingga menjadi ³/₂ T Kelvin , tentukan panjang gelombang radiasi maksimum benda!

Pembahasan
Data :
T₁ = T Kelvin
T₂ = ³/₂ T Kelvin
λ_{maks 1} = 6000 Å
λ_{maks 2} = ....?

λ_{maks 2} T₂ = λ_{maks 1} T₁
λ_{maks 2} (³/₂ T) = 6000 Å (T)
λ_{maks 2} = (²/₃) x 6000 Å = 4000 Å

Soal No. 7
Benda hitam pada suhu T memancarkan radiasi dengan daya sebesar 300 mW. Radiasi benda hitam tersebut pada suhu ½ T akan menghasilkan daya sebesar ....
(A) 300 mW
(B) 150 mW
(C) 75 mW
(D) 37,5 mW
(E) 18,75 mw.

rumus utama dari rambatan kalor dalam suatu medium adalah :

∇²U = c² (∂U/∂t)

∇ adalah operator diferensial vektor = (∂/∂x) i + (∂/∂y) j + (∂/∂z) k

U adalah kondisi (mis. suhu, energi, kerapatan, hambatan jenis listrik, dll)

t adalah waktu

c adalah tetapan (dibuat dalam bentuk kuadrat agar lebih mudah mentrasfernya ke notasi lain pada saat penarikan akar kuadrat)

ATAU :

Kalor dapat merambat melalui tiga macam cara yaitu:

1. Konduksi

Perambatan kalor tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya, biasanya terjadi pada benda padat.

H = K . A . (DT/ L)

H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu
DT/L = gradien temperatur (ºK/m)
K = koefisien konduksi
A = luas penampang (m²)
L = panjang benda (m)


2. Konveksi

Perambatan kalor yang disertai perpindahan bagian-bagian zat, karena perbedaan massa jenis.

H = K . A . DT

H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu
K = koefisien konveksi
DT = kenaikan suhu (ºK)


3. Radiasi

Perambatan kalor dengan pancaran berupa gelombang-gelombang elektromagnetik.

Pancaran kalor secara radiasi mengikuti Hukum Stefan Boltzmann:

W = e . s . T4

W = intensitas/energi radiasi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu
s = konstanta Boltzman =5,672 x 10-8 watt/cm2.ºK4
e = emisivitas (o < e < 1) T = suhu mutlak (ºK)

Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sekaligus pemancar radiasi yang buruk sedangkan benda putih mengkilap merupakan pemancar radiasi yang baik. Benda dikatakan hitam sempurna bila seluruh radiasi yang datangi kepadanya terserap semuanya tanpa sedikitpun yang terpancar kembali.Kemampuan suatu bahan untuk menyerap radiasi dinamakan sebagai emisivitas (ε). Benda hitam mempunyai emisivitas = 1 sedangkan benda mengkilap mempunyai emisivitas = 0.

besarnya intensitas radiasi yang dipancarkan benda bergantung pada sifat bahan (emisivitas) dan suhunya. Secara matematis ditulis :

R = ε . σ . T4

R = Intensitas radiasi

ε = Emisivitas bahan

Rumus - Rumus Minimal

Daya Radiasi (Laju energi rata-rata)
P = eσ T ⁴A
Keterangan :
P = daya radiasi (watt = joule/s)
e = emisivitas benda
e = 1 → benda hitam sempurna
A = luas permukaan benda (m²)
T = suhu (Kelvin)
σ = Konstanta Stefan-Boltzman = 5,67 x 10⁻⁸ W/mK⁴

Hukum Pergeseran Wien
λ_maks T = C
Keterangan :
λ_maks = panjang gelombang radiasi maksimum (m)
C = Konstanta Wien = 2,898 x 10⁻³ m.K
T = suhu mutlak benda (Kelvin)

C, L = 0,05 m, dan k = 1,5 

yg butuh, boleh copas! maaf ga tersusun masih acak acakan. di maklum aja ya masih belajar. thanks!