Rumus perpindahan panas, beserta pengertian, jenis, dan contoh soal

Brilio.net - Perpindahan panas adalah konsep penting dalam ilmu fisika. Bagaimana tidak? Perpindahan panas sering diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya dalam mengaplikasikan pemanas rumah, pendinginan mesin, pembentukan cuaca dan iklim, serta dalam berbagai teknologi dan proses industri.

Kemampuan untuk mengelola perpindahan panas inilah yang menjadi kebutuhan penting dalam berbagai sistem dan peralatan saat ini. Kali ini brilio.net memberikan ulasan tentang rumus perpindahan panas mulai dari pengertian, jenis, contoh soal, dan pembahasannya yang mudah dipahami.

Yuk simak ulasan lengkap tentang perpindahan panas, dihimpun brilio.net dari berbagai sumber pada Selasa (17/10).

Definisi perpindahan panas

foto: freepik.com

Perpindahan panas adalah proses transfer energi panas dari suatu objek atau sistem ke objek atau sistem lainnya yang memiliki perbedaan suhu. Perpindahan panas terjadi sebagai respons terhadap perbedaan suhu antara dua objek atau sistem, dan tujuannya adalah untuk mencapai kesetimbangan termal, di mana kedua objek atau sistem mencapai suhu yang sama.

Perpindahan panas dapat terjadi dalam tiga cara utama:

1. Konduksi.

Konduksi adalah perpindahan panas melalui penggantian energi kinetik molekul dan atom. Ini terjadi ketika partikel-partikel dalam sebuah objek bergetar dan berinteraksi dengan partikel-partikel tetangga mereka. Ini adalah mekanisme perpindahan panas yang dominan dalam konduktor panas seperti logam.

Perpindahan panas secara konduksi terjadi karena panas merambat melalui partikel-partikel benda padat tanpa adanya pertukaran zat. Dengan kata lain, perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi kontak fisik.

Perpindahan panas secara konduksi biasanya terjadi pada benda-benda yang padat, terutama yang memiliki sifat konduktor, yaitu benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik. Contoh benda konduktor adalah logam, seperti besi, tembaga, alumunium, dan lain-lain. Benda yang tidak dapat menghantarkan panas dengan baik disebut isolator, seperti kayu, karet, plastik, dan lain-lain.

2. Konveksi.

Konveksi adalah perpindahan panas melalui pergerakan massa fluida (cairan atau gas). Ketika bagian dari fluida dipanaskan dan menjadi kurang padat, fluida ini naik karena perbedaan kepadatannya dan kemudian terjadi pergerakan penggantian panas. Perpindahan panas secara konveksi terjadi karena adanya perbedaan massa jenis atau tekanan antara zat cair atau gas yang dipanaskan dengan yang lebih dingin.

Zat cair atau gas yang dipanaskan akan memiliki massa jenis atau tekanan yang lebih rendah daripada yang lebih dingin, sehingga akan naik ke atas dan membentuk aliran konveksi. Zat cair atau gas yang lebih dingin akan menggantikan posisi yang ditinggalkan oleh yang lebih panas, sehingga terjadi perpindahan panas secara konveksi.

Perpindahan panas secara konveksi dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Konveksi alamiah adalah perpindahan panas secara konveksi yang terjadi karena adanya perbedaan massa jenis atau tekanan akibat pemanasan, tanpa ada pengaruh dari faktor luar.

Contohnya, angin darat dan angin laut, pemanasan air di dalam panci, dan sirkulasi udara di dalam ruangan. Konveksi paksa adalah perpindahan panas secara konveksi yang terjadi karena adanya pengaruh dari faktor luar, seperti kipas angin, pompa, atau blower. Contohnya, pendingin ruangan, kulkas, dan radiator mobil.

3. Radiasi.

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa memerlukan zat perantara, melainkan melalui gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa, cair, gas, ataupun padat. Gelombang elektromagnetik memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang bervariasi, seperti sinar gamma, sinar X, sinar ultraviolet, cahaya tampak, sinar inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio. Semakin tinggi frekuensi gelombang elektromagnetik, semakin besar energi yang dibawanya.

Radiasi terjadi pada semua benda dengan suhu di atas 0 Kelvin. Semakin tinggi suhu benda, semakin besar energi radiasi yang dipancarkan. Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda bergantung pada luas permukaan, emisivitas, dan suhu absolut benda tersebut. Emisivitas adalah ukuran kemampuan benda untuk memancarkan atau menyerap radiasi. Emisivitas berkisar antara 0 dan 1.

Benda hitam sempurna adalah benda yang memiliki emisivitas 1, artinya benda tersebut dapat memancarkan dan menyerap semua radiasi yang datang kepadanya. Benda putih sempurna adalah benda yang memiliki emisivitas 0, artinya benda tersebut tidak dapat memancarkan dan menyerap radiasi sama sekali.

 

 

 

 

Rumus perpindahan panas

foto: freepik.com

1. Rumus perpindahan panas secara konduksi.

Perpindahan panas melalui benda padat tanpa disertai perpindahan zat. Contohnya, saat kita memegang sendok yang dicelupkan ke dalam air panas, sendok akan menjadi panas karena menerima panas dari air. Rumus laju perpindahan panas secara konduksi adalah:

Q/t = kA(T2 − T1)/x

Keterangan:

Q/t adalah laju perpindahan panas (Watt)

k adalah koefisien konduktivitas termal (Watt/meter.Kelvin)

A adalah luas penampang benda (meter persegi)

T2−T1 adalah selisih suhu antara kedua ujung benda (Kelvin)

x adalah jarak antara kedua ujung benda (meter)

2. Konveksi.

Perpindahan panas melalui zat cair atau gas yang disertai perpindahan zat itu sendiri karena adanya perbedaan massa jenis akibat pemanasan. Contohnya, saat kita memanaskan air di dalam panci, air yang lebih panas akan naik ke atas dan air yang lebih dingin akan turun ke bawah, sehingga terjadi aliran konveksi. Rumus laju perpindahan panas secara konveksi adalah:

Q/t = hA(T2 − T1)

Keterangan:

Q/t adalah laju perpindahan panas (Watt)

h adalah koefisien konveksi (Watt/meter persegi.Kelvin)

A adalah luas permukaan benda yang bersentuhan dengan zat cair atau gas (meter persegi)

T2−T1 adalah selisih suhu antara benda dan zat cair atau gas (Kelvin)

3. Radiasi.

Perpindahan panas tanpa memerlukan zat perantara, melainkan melalui gelombang elektromagnetik. Contohnya, saat kita berjemur di bawah matahari, kita akan merasakan panas dari sinar matahari yang merupakan radiasi panas. Rumus laju perpindahan panas secara radiasi adalah:

Q/t = σeAT^4

Keterangan:

Q/t adalah laju perpindahan panas (Watt)

σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann (5,67×10−8 Watt/meter persegi. Kelvin pangkat empat)

e adalah emisivitas benda (nilai antara 0 dan 1)

A adalah luas permukaan benda yang memancarkan atau menyerap radiasi (meter persegi)

T adalah suhu absolut benda (Kelvin)

Contoh soal rumus perpidahan panas dan pembahasannya

foto: freepik.com

Soal 1

Sebuah batang besi dengan panjang 1 meter, luas penampang 0,01 meter persegi, dan koefisien konduktivitas termal 80 Watt/meter.Kelvin, memiliki ujung A dengan suhu 100°C dan ujung B dengan suhu 50°C. Berapakah laju perpindahan panas melalui batang besi tersebut?

Jawab:

Pertama, kamu harus mengubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu ujung A adalah 373 Kelvin dan suhu ujung B adalah 323 Kelvin. Selanjutnya, dapat menghitung laju perpindahan panas dengan rumus konduksi:

Q/t = kA(T2 − T1)/x
Q/t = 80 × 0,01 × (323−373)/1
Q/t = −40 Watt

Jadi, laju perpindahan panas melalui batang besi tersebut adalah -40 Watt. Nilai negatif menunjukkan bahwa arah perpindahan panas adalah dari ujung B ke ujung A.

Soal 2

Sebuah bola logam dengan jari-jari 0,1 meter dan koefisien konveksi 20 Watt/meter persegi.Kelvin, dimasukkan ke dalam air mendidih dengan suhu 100°C. Jika suhu bola logam awalnya adalah 20°C, berapakah laju perpindahan panas yang dialami bola logam tersebut?

Jawab:

Pertama, ubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu air mendidih adalah 373 Kelvin dan suhu bola logam awalnya adalah 293 Kelvin. Selanjutnya, harus menghitung luas permukaan bola logam dengan rumus:

A = 4πr^2
A = 4 × 3,14 × 0,1^2
A = 0,1256 meter persegi

Kemudian, kita dapat menghitung laju perpindahan panas dengan rumus konveksi:

Q/t = hA(T2 − T1)

Q/t = 20 × 0,1256 ×(373−293)
Q/t = 200,8 Watt

Jadi, laju perpindahan panas yang dialami bola logam tersebut adalah 200,8 Watt.

Soal 3

Sebuah bola besi dengan jari-jari 0,1 meter, emisivitas 0,8, dan suhu 100°C, memancarkan radiasi panas ke sekitarnya. Berapakah laju perpindahan panas yang dipancarkan bola besi tersebut?

Jawab:

Pertama, kita harus mengubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu bola besi adalah 373 Kelvin. Selanjutnya, kita harus menghitung luas permukaan bola besi dengan rumus:

A = 4πr^2
A = 4 × 3,14 ×0,1^2
A = 0,1256 meter persegi

Kemudian, kita dapat menghitung laju perpindahan panas dengan rumus radiasi:

Q/t = σeAT^4
Q/ t = 5,67 × 10^−8 × 0,8 × 0,1256 × 3734
Q/t = 62,9 Watt

Jadi, laju perpindahan panas yang dipancarkan bola besi tersebut adalah 62,9 Watt.

Soal 4

Sebuah kamar mandi memiliki luas dinding dan plafon sebesar 20 meter persegi. Dinding dan plafon kamar mandi terbuat dari bahan yang memiliki koefisien konduktivitas termal 0,5 Watt/meter.Kelvin dan tebal 0,05 meter. Jika suhu di dalam kamar mandi adalah 30°C dan suhu di luar kamar mandi adalah 20°C, berapakah laju perpindahan panas dari dalam ke luar kamar mandi melalui dinding dan plafon?

Jawab:

Pertama, kamu harus mengubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu di dalam kamar mandi adalah 303 Kelvin dan suhu di luar kamar mandi adalah 293 Kelvin. Selanjutnya, hitung laju perpindahan panas dengan rumus konduksi:

Q/t = kA(T2 − T1)/x
Q/t = 0,5 × 20 ×(293−303)/0,05
Q/t = −2000 Watt

Jadi, laju perpindahan panas dari dalam ke luar kamar mandi melalui dinding dan plafon adalah -2000 Watt. Nilai negatif menunjukkan bahwa arah perpindahan panas adalah dari dalam ke luar kamar mandi.

Soal 5

Sebuah kotak es berbentuk kubus dengan sisi 1 meter dan emisivitas 0,9, diletakkan di bawah sinar matahari dengan intensitas 1000 Watt/meter persegi. Jika suhu kotak es adalah 0°C dan suhu lingkungan adalah 25°C, berapakah laju perpindahan panas yang dialami kotak es akibat radiasi matahari dan lingkungan?

Jawab:

Ubahlah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu kotak es adalah 273 Kelvin dan suhu lingkungan adalah 298 Kelvin. Selanjutnya, kita harus menghitung luas permukaan kotak es dengan rumus:

A = 6s^2
A = 6 × 1^2
A = 6 meter persegi

Kemudian, hitunglah laju perpindahan panas yang dipancarkan oleh kotak es dengan rumus radiasi:

Q/t = σeAT^4
Q/t = 5,67 × 10^−8 × 0,9 × 6 × 273^4
Q/t = −156,7 Watt

Nilai negatif menunjukkan bahwa kotak es memancarkan radiasi panas ke lingkungan.

Selanjutnya, kita harus menghitung laju perpindahan panas yang diserap oleh kotak es dari radiasi matahari dan lingkungan. Radiasi matahari memiliki intensitas 1000 Watt/meter persegi, sedangkan radiasi lingkungan dapat dihitung dengan rumus radiasi:

Q/t = σeAT^4
Q/t = 5,67 × 10^−8 × 0,9 × 6 × 298^4
Q/t = 206,3 Watt

Maka laju perpindahan panas yang diserap oleh kotak es dari radiasi matahari dan lingkungan adalah:

Q/t = IA + Q/tlingkungan
Q/t = 1000 × 6 + 206,3
Q/t = 6206,3 Watt

Jadi, laju perpindahan panas yang dialami kotak es akibat radiasi matahari dan lingkungan adalah:

Q/ttotal = Q/tpancar + Q/tserap
Q/ttotal = −156,7 + 6206,3
Q/ttotal = 6049,6 Watt

Nilai positif menunjukkan bahwa kotak es menerima lebih banyak radiasi panas daripada yang dipancarkannya.