Materi Fisika, Rumus, dan Contoh Soal

3+ Perpindahan Kalor: Konduksi, Konveksi, Radiasi

Ada tiga cara perpindahan kalor (panas), yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Semuanya akan dijelaskan dalam materi.
 
3+ Perpindahan Kalor: Konduksi, Konveksi, Radiasi
 
Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali ini akan membahas tentang kalor dan cara perpindahannya.
 
Di sekolah, materi ini dipelajari oleh siswa SD dan SMP kelas 7 SMP dalam mata pelajaran IPA Terpadu dan siswa kelas 11 SMA di pelajaran fisika.
 
Sebagaimana yang dipahami, kalor atau panas adalah salah satu bentuk energi. Ia bisa berpindah dari satu titik ke titik lainnya.
 
Setiap hari kita pasti berhubungan dengan energi yang satu ini. Misalnya, di siang hari yang terik, tubuh akan merasakan panas.
 
Darimanakah panas tersebut berasal? Ada banyak sumber, salah satunya adalah dari matahari yang sinarnya menyinari bumi. Jadi, selain cahaya, matahari juga memindahkan panasnya ke bumi.
 
Fenomena di atas hanyalah satu contoh kecil yang menunjukkan bahwa panas bisa berpindah. 
 
Masih banyak contoh-contoh perpindahan panas lainnya dalam kehidupan sehari-hari yang akan dipaparkan dalam materi ini.
 
Baiklah, kita mulai saja pembahasannya...

Kalor (Panas)

Apa yang dimaksud dengan kalor? Dalam ilmu fisika, kalor (panas) adalah suatu bentuk energi yang secara alamiah dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah.
 
Definisi di atas sekaligus mensyaratkan proses alami terjadinya perpidahan kalor, di mana harus terdapat perbedaan suhu di dua titik. 
perbedaan suhu perpindahan kalor
Jadi, ketika titik pertama memiliki suhu yang lebih tinggi daripada titik kedua, maka kalor akan berpindah dari titik pertama ke titik kedua. 
Proses Perpindahan Kalor
Kalor akan terus berpindah sampai pada akhirnya berhenti ketika dua titik tersebut telah mengalami kesetimbangan suhu atau berada pada suhu yang sama. 
 
kesetimbangan suhu perpindahan kalor berhenti

Teori Kalor (Panas)

Proses di atas pernah membuat ilmuwan keliru dalam memandang kalor. Awalnya, pada kurun waktu abad ke-19, kalor dipandang sebagai semacam zat alir. 
 
Pandangan ini pertama kali dikemukakan oleh seorang ahli kimia berkebangsaan Prancis bernama Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794).
 
Menurut Lavoiser, apabila benda bersuhu lebih tinggi disentuhkan ke benda bersuhu lebih rendah, maka pada saat itu zat alir mengalir.
 
Sekilas, teori ini sepertinya benar sesuai dengan yang tampak pada ilustrasi gambar-gambar di atas, di mana kalor berpindah dari benda merah (suhu tinggi) ke benda biru (suhu rendah).
 
Namun, teori ini memiliki kelemahan, yaitu jika kalor merupakan zat alir, maka zat tersebut haruslah mempunyai massa. Akan tetapi kenyataannya, kalor tidak memiliki massa dan tidak dapat ditimbang.
 
Selain itu, teori ini juga gagal menjelaskan fenomena gesekan yang dapat menimbulkan panas. 
 
Seperti yang pernah dipertanyakan oleh Rumford (1753-1814) ketika ia melakukan pengeboran laras-laras meriam di pabrik senjata. 
 
Ia sangat heran atas timbulnya kalor atau panas pada proses pengeboran tersebut. Padahal, tidak ada pemanasan yang disengaja selama pengeboran berlangsung. 
 
Fakta ini tidak dapat dijelaskan secara memuaskan oleh teori kalor sebagai zat alir.
 
Kemudian, Rumford menyadari bahwa dalam proses pengeboran tersebut, satunya-satunya sumber kalor adalah karena gesekan antara mata bor dengan logam yang dibor.
 
Hal ini terbukti, ketika mata bor tidak bekerja atau tidak terjadi gesekan antara bor dengan logam, maka tidak ada kalor yang dihasilkan.
 
Berdasarkan percobaan Rumford serta didukung oleh penemuan-penemuan lain, akhirnya disimpulkan bahwa kalor adalah suatu bentuk energi atau hasil perubahan energi.
 
Dalam proses pengeboran tersebut terjadi perubahan energi dari energi gerak (gesekan) ke energi kalor.

Perpindahan Kalor (Panas)

Ada 3 cara proses perpindahan kalor (panas), yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Yuk, mari kita uraiakan satu per satu:

1. Konduksi (Hantaran)

Apa yang dimaksud dengan konduksi? Konduksi adalah perpindahan kalor atau panas melalui zat perantara (benda) tanpa disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantara tersebut.  
perpindahan kalor konduksi
Konduksi disebut juga perpindahan kalor secara hantaran, yang terjadi akibat tumbukan partikel atau molekul zat perantara saat dipanaskan.
 
Pemanasan tersebut akan membuat partikel/molekul benda bergetar di tempatnya dengan lebih kuat sehingga mampu menggetarkan partikel di dekatnya sambil mentransfer energi. Demikian terjadi seterusnya. 
 
Konduksi umumnya terjadi pada zat padat yang bertindak sebagai perantara. Dalam proses konduksi, zat perantara itu disebut konduktor, yaitu zat atau benda yang mudah menghantarkan panas, contohnya logam.
 
Perpindahan kalor secara konduksi dipengaruhi oleh:
  • Jenis zat perantara.
  • Panjang zat perantara.
  • Luas penampang zat perantara.
  • Perbedaan suhu di kedua tempat pada ujung-ujung zat perantara.
Rumus perpindahan kalor secara konduksi adalah:
 
H = ΔQ/t atau H = k . A ΔT/l 
ΔT = T2 - T1
 
Keterangan:
  • H = kalor yang dihantarkan setiap detik (J/s)
  • k = koefisien konduksi termal zat perantara (J/smoC)
  • A = luas penampang zat perantara (m2)
  • ΔT = perbedaan suhu di kedua ujung zat perantara (oC)
  • l = panjang zat perantara (m)
Contoh perpindahan kalor secara konduksi, antara lain:
  1. Pegangan spatula menjadi panas saat melakukan penggorengan.
  2. Sendok yang dicelupkan ke dalam gelas berisi teh panas, maka ujung yang tidak tercelup akan terasa hangat atau panas.
  3. Apabila salah satu ujung besi dipanaskan, kemudian ujung yang lain dipegang, maka semakin lama ujung yang dipegang semakin panas. 
  4. Solder panas ke timah
  5. Setrika baju.

2. Konveksi (Aliran)

Apa yang dimaksud dengan konveksi? Jadi, konveksi adalah proses perpindahan kalor (panas) melalui zat perantara yang disertai dengan perpindahan zat perantara. 
 
Konveksi umumnya terjadi pada zat yang mengalir (fluida), seperti zat cair dan zat gas, disebabkan oleh terjadinya perbedaan massa jenis zat selama proses penerimaan kalor. 
 
Bagian fluida yang menerima kalor, massa jenisnya akan mengecil karena terjadi pemuaian akibat peningkatan suhu selama proses pemanasan sehingga bergerak ke atas. 
perpindahan kalor konveksi
Tempatnya akan digantikan oleh fluida yang bergerak ke bawah karena massa jenisnya lebih besar dan suhunya lebih rendah.
 
Demikian seterusnya, fluida berpindah sambil membawa kalor dan terus berputar naik dan turun.
 
Perpindahan kalor secara konveksi dipengaruhi oleh koefisien konveksi termal, luas pemukaan, dan perbedaan suhu antara tempat yang mengalami aliran kalor.
 
Rumus perpindahan kalor secara konveksi adalah:
 
H = h . A . ΔT 
 
Keterangan:
  • H = Kalor yang mengalir setiap detik (J/s)
  • h = koefisien konveksi termal (J/sm2oC)
  • A = luas permukaan fluida (m2)
  • ΔT = perubahan suhu (oC)
Contoh perpindahan kalor secara konveksi, antara lain:
  1. Terjadinya angin darat dan angin laut.
  2. Pemanasan air menggunakan panci di atas kompor.
  3. Kipas angin yang menghembuskan udara dingin ke udara panas.
  4. Alat pengering rambut.
  5. Radiator mobil. 

3. Radiasi (Pancaran)

Apa yang dimaksud dengan radiasi? Jadi, radiasi adalah radiasi adalah perpindahan kalor tanpa memerlukan zat perantara.  
perpindahan kalor radiasi
Berbeda dengan konduksi dan konveksi yang bekerja berdasarkan getaran partikel dan perbedaan massa jenis, pada radiasi kalor langsung terpancar secara apa adanya dari sumber ke tujuan.
 
Sebagai contoh, perpindahan kalor dari matahari ke bumi. Telah diketahui bahwa ruangan di antara matahari dan bumi adalah hampa udara.
 
Namun, panas matahari tetap akan sampai ke bumi karena adanya perpindahan kalor secara radiasi.
 
Perpindahan kalor secara radiasi dipengaruhi oleh emisivitas (kemampuan benda melepaskan kalor), luas penampang benda, dan suhu benda.
 
Rumus perpindahan kalor secara radiasi adalah:
 
W = e . σ. A . T4 
 
Keterangan:
  • W = kalor yang dipancarkan setiap detik (J/s)
  • e = emisivitas benda (0 < e < 1)
  • σ = Konstanta Stefan-Bolzman (5,67 x 10-8 watt/m2K4)
  • A = luas permukaan (m2)
  • T = suhu permukaan benda (K)
Nilai e = 1 dimiliki oleh benda hitam sempurna, sedangkan nilai e = 0 dimiliki oleh benda putih sempurna. 
 
Contoh perpindahan kalor secara radiasi, antara lain:
  1. Pancaran panas matahari ke bumi.
  2. Tubuh terasa panas di dekat api unggun.
  3. Pembuatan pengapian di rumah.

    Contoh Soal

    Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang perpindahan kalor: 

    Contoh Soal 1

    Sebuah aluminium dengan luas penampang 1 cm2 dan panjangnya 1 m. Ujung-ujung batang aluminium bersuhu 0 oC dan 30 oC. Hitunglah banyak kalor yang merambat setiap detiknya. (k = 500 J/smoC)

    Jawaban:

    Diketahui:
    • A = 1 cm2 = 10-4 m2
    • l = 1 m
    • ΔT = 30 oC - 0 oC = 30 oC  
    • k = 500 J/smoC
    Ditanyakan:
    • H......?
    Penyelesaian:
     
    H = k . A ΔT/l
        = 500 . 10-430/1
        = 1,5 J/s
     
    Jadi, kalor yang merambat setiap detiknya pada aluminium adalah 1,5 J/s.

    Contoh Soal 2 

    Seseorang memiliki suhu badan 32 oC berada pada kamar yang suhunya 26 oC. Jika luas permukaan badannya kira-kira 1,5 m2 dan koefisien konveksi termalnya 7,1 J/sm2oC. Hitung kalor yang dilepaskan badan melalui konveksi. 

    Jawaban:

    Diketahui:
    • h = 7,1 J/sm2oC
    • A = 1,5 m2
    • T1 = 32 oC = 305 K
    • T2 = 26 oC = 299 K
    • ΔT = 305 - 299 = 6 K
    Ditanyakan:
    • H....?
    Penyelesaian:
     
    H = h . A . ΔT
        = 7,1 . 1,5 . 6
        = 63,9 J/s
     
    Jadi, kalor yang dilepaskan badan melalui konveksi adalah 63,9 J/s.

    Contoh Soal 3

    Kawat filamen lampu pijar memiliki luas penampang 30 mm2 dan suhu 437 oC. Jika kawat filamen dianggap benda hitam sempurna, hitung radiasi kalor oleh kawat tersebut.

    Jawaban:

    Diketahui:
    • A = 30 mm2 = 30 x 10-6 m2
    • T = 437 oC = 437 + 273 K = 710 K
    • e = 1
    • σ = 5,67 x 10-8 watt/m2K4
    Ditanyakan:
    • W....? 
    Penyelesaian:
     
    W = e . σ . A . T4
         = 1 . 5,67 x 10-8 . 30 x 10-8 . 7104
         = 0,41 watt atau 0,41 J/s
     
    Jadi, radiasi kalor oleh kawat tersebut adalah 0,41 watt atau 0,41 J/s

    Kesimpulan

    Jadi, ada tiga (3) cara perpindahan kalor, antara lain:
    1. Konduksi, yaitu perpindahan kalor melalui zat perantara tanpa disertai perpindahan zat perantara.
    2. Konveksi, yaitu perpindahan kalor melalui zat perantara yang disertai perpindahan zat perantara.
    3. Radiasi, yaitu perpindahan kalor tanpa zat perantara.
    Gimana adik-adik, udah paham kan materi perpindahan kalor di atas? Jangan lupa lagi yah.
     
    Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.
     
    Referensi:
    • Pauliza, Oza. 2008. Fisika Kelompok Teknologi dan Kesehatan untuk SMK Kelas XI. Bandung: Grafindo Media Pratama.
    3+ Perpindahan Kalor: Konduksi, Konveksi, Radiasi Rating: 4.5 Diposkan Oleh: Afdan Fisika

    1 komentar: