Perpindahan panas
Perpindahan panas adalah disiplin ilmu teknik termal yang berkaitan dengan pembangkitan, penggunaan, konversi, dan pertukaran energi termal (panas) antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan ke dalam berbagai mekanisme, seperti konduksi termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan energi melalui perubahan fase. Para insinyur juga mempertimbangkan perpindahan massa dari spesies kimia yang berbeda (perpindahan massa dalam bentuk adveksi), baik dingin maupun panas, untuk mencapai perpindahan panas. Meskipun mekanisme ini memiliki karakteristik yang berbeda, mereka sering terjadi secara bersamaan dalam sistem yang sama.
Konduksi panas, juga disebut difusi, adalah pertukaran mikroskopis langsung dari energi kinetik partikel (seperti molekul) atau kuasi partikel (seperti gelombang kisi) melalui batas antara dua sistem. Ketika sebuah benda berada pada suhu yang berbeda dari benda lain atau sekelilingnya, panas mengalir sehingga benda dan sekelilingnya mencapai suhu yang sama, di mana pada saat itu mereka berada dalam kesetimbangan termal. Perpindahan panas spontan seperti itu selalu terjadi dari daerah bersuhu tinggi ke daerah lain yang bersuhu lebih rendah, seperti yang dijelaskan dalam hukum kedua termodinamika.
Konveksi panas terjadi ketika aliran besar fluida (gas atau cairan) membawa panas melalui fluida. Semua proses konvektif juga memindahkan panas sebagian melalui difusi. Aliran fluida dapat dipaksa oleh proses eksternal, atau kadang-kadang (dalam medan gravitasi) oleh gaya apung yang disebabkan oleh energi panas yang mengembang pada fluida (misalnya pada gumpalan api), sehingga mempengaruhi perpindahannya sendiri. Proses yang terakhir ini sering disebut "konveksi alami". Proses yang pertama sering disebut "konveksi paksa". Dalam hal ini, fluida dipaksa mengalir dengan menggunakan pompa, kipas angin, atau alat mekanis lainnya.
Radiasi termal terjadi melalui ruang hampa udara atau media transparan (padat atau fluida atau gas). Ini adalah transfer energi melalui foton atau gelombang elektromagnetik yang diatur oleh hukum yang sama.
Gambaran Umum
Perpindahan panas adalah energi yang dipertukarkan antara material (padat/cair/gas) sebagai akibat dari perbedaan suhu. Energi bebas termodinamika adalah jumlah kerja yang dapat dilakukan oleh sistem termodinamika. Entalpi adalah potensi termodinamika, ditandai dengan huruf "H", yang merupakan jumlah energi internal sistem (U) ditambah hasil kali tekanan (P) dan volume (V). Joule adalah satuan untuk mengukur energi, kerja, atau jumlah panas.
Perpindahan panas adalah fungsi proses (atau fungsi lintasan), bukan fungsi keadaan; oleh karena itu, jumlah panas yang ditransfer dalam proses termodinamika yang mengubah keadaan suatu sistem bergantung pada bagaimana proses itu terjadi, tidak hanya perbedaan bersih antara keadaan awal dan akhir proses.
Perpindahan panas termodinamika dan mekanis dihitung dengan koefisien perpindahan panas, proporsionalitas antara fluks panas dan gaya pendorong termodinamika untuk aliran panas. Fluks panas adalah representasi vektorial kuantitatif dari aliran panas melalui suatu permukaan.
Dalam konteks teknik, istilah panas dianggap identik dengan energi panas. Penggunaan ini berasal dari interpretasi historis panas sebagai fluida (kalori) yang dapat ditransfer oleh berbagai penyebab,dan itu juga umum digunakan dalam bahasa awam dan kehidupan sehari-hari.
Persamaan transpor untuk energi panas (hukum Fourier), momentum mekanik (hukum Newton untuk fluida), dan perpindahan massa (hukum difusi Fick) adalah serupa, dan analogi di antara ketiga proses transpor ini telah dikembangkan untuk memudahkan prediksi konversi dari satu ke yang lain.
Rekayasa termal berkaitan dengan pembangkitan, penggunaan, konversi, penyimpanan, dan pertukaran perpindahan panas. Dengan demikian, perpindahan panas terlibat di hampir setiap sektor ekonomi. Perpindahan panas diklasifikasikan ke dalam berbagai mekanisme, seperti konduksi termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan energi melalui perubahan fasa.
Konduksi
Pada skala mikroskopis, konduksi panas terjadi ketika atom dan molekul yang panas, bergerak cepat atau bergetar berinteraksi dengan atom dan molekul tetangga, mentransfer sebagian energinya (panas) ke partikel-partikel tetangga ini. Dengan kata lain, panas ditransfer melalui konduksi ketika atom-atom yang berdekatan bergetar satu sama lain, atau ketika elektron berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Konduksi adalah cara yang paling signifikan untuk perpindahan panas di dalam benda padat atau di antara benda padat yang bersentuhan dengan panas. Cairan-terutama gas-lebih tidak konduktif. Konduktansi kontak termal adalah studi tentang konduksi panas antara benda padat yang bersentuhan.
Proses perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain tanpa pergerakan partikel disebut konduksi, seperti saat meletakkan tangan di atas segelas air dingin - panas dihantarkan dari kulit yang hangat ke gelas yang dingin, tetapi jika tangan dipegang beberapa inci dari gelas, hanya sedikit konduksi yang akan terjadi karena udara adalah konduktor panas yang buruk. Konduksi kondisi tunak adalah model konduksi ideal yang terjadi ketika perbedaan suhu yang mendorong konduksi konstan, sehingga setelah beberapa saat, distribusi spasial suhu di objek konduksi tidak berubah lebih jauh (lihat hukum Fourier).
Pada konduksi kondisi tunak, jumlah panas yang masuk ke suatu bagian sama dengan jumlah panas yang keluar, karena perubahan suhu (ukuran energi panas) adalah nol. Contoh konduksi kondisi tunak adalah aliran panas melalui dinding rumah yang hangat pada hari yang dingin-di dalam rumah dipertahankan pada suhu tinggi dan, di luar, suhu tetap rendah, sehingga perpindahan panas per satuan waktu tetap mendekati laju konstan yang ditentukan oleh isolasi di dinding dan distribusi spasial suhu di dinding akan kurang lebih konstan dari waktu ke waktu.
Konduksi transien (lihat Persamaan panas) terjadi ketika suhu di dalam sebuah benda berubah sebagai fungsi waktu. Analisis sistem transien lebih kompleks, dan solusi analitik dari persamaan panas hanya berlaku untuk sistem model yang diidealkan. Aplikasi praktis umumnya diselidiki menggunakan metode numerik, teknik perkiraan, atau studi empiris.
Konveksi
Aliran fluida dapat dipaksa oleh proses eksternal, atau kadang-kadang (dalam medan gravitasi) oleh gaya apung yang disebabkan oleh energi panas yang mengembang pada fluida (misalnya dalam gumpalan api), sehingga mempengaruhi perpindahannya sendiri. Proses yang terakhir ini sering disebut "konveksi alami". Semua proses konvektif juga memindahkan panas sebagian melalui difusi. Bentuk konveksi lainnya adalah konveksi paksa. Dalam hal ini fluida dipaksa mengalir dengan menggunakan pompa, kipas angin, atau alat mekanis lainnya.
Perpindahan panas konvektif, atau secara sederhana, konveksi, adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain melalui pergerakan fluida, sebuah proses yang pada dasarnya adalah perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerakan massal fluida meningkatkan perpindahan panas dalam banyak situasi fisik, seperti (misalnya) antara permukaan padat dan fluida. Konveksi biasanya merupakan bentuk dominan perpindahan panas dalam cairan dan gas. Meskipun kadang-kadang dibahas sebagai metode ketiga perpindahan panas, konveksi biasanya digunakan untuk menggambarkan efek gabungan dari konduksi panas di dalam fluida (difusi) dan perpindahan panas melalui aliran fluida curah.
Proses transportasi melalui aliran fluida dikenal sebagai adveksi, tetapi adveksi murni adalah istilah yang umumnya hanya terkait dengan transportasi massa dalam fluida, seperti adveksi kerikil di sungai. Dalam kasus perpindahan panas dalam fluida, di mana pengangkutan melalui adveksi dalam fluida selalu disertai dengan pengangkutan melalui difusi panas (juga dikenal sebagai konduksi panas), proses konveksi panas dipahami sebagai jumlah pengangkutan panas melalui adveksi dan difusi / konduksi.
Konveksi bebas, atau alami, terjadi ketika gerakan fluida curah (aliran dan arus) disebabkan oleh gaya apung yang dihasilkan dari variasi densitas karena variasi suhu dalam fluida. Konveksi paksa adalah istilah yang digunakan ketika aliran dan arus dalam fluida diinduksi oleh alat eksternal - seperti kipas, pengaduk, dan pompa - menciptakan arus konveksi yang diinduksi secara artifisial.
Disadur dari: en.wikipedia.org