PERPINDAHAN KALOR

Kalor dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi atau hantaran, radiasi atau pancaran, dan konveksi atau aliran.

KONDUKSI

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut.

Ketika seseorang sedang duduk di kursi paling belakang dan ingin memberikan buku kepada seorang temannya yang duduk di kursi paling depan, apa yang akan ia lakukan?

Ia dapat memberikan buku itu kepada teman yang duduk di depannya, lalu temannya itu memberikannya kepada temannya yang duduk di depannya lagi. Demikian seterusnya sampai buku itu itu diterima oleh teman yang ia tuju. Buku dapat sampai ke teman yang ia tuju karena adanya perpindahan buku dari tangan ke tangan yang lainnya.

Apakah teman yang memberikan buku ikut berpindah? Jelaslah buku dapat berpindah tetapi teman-temanmu tidak ikut berpindah. Demikian pula hantaran kalor secara konduksi.

ujung besi yang dipegang lama kelamaan terasa semakin panas. Hal ini disebabkan adanya perpindahan kalor yang melalui besi. Peristiwa perpindahan dari ujung besi kalor yang dipanaskan ke ujung besi yang dipegang mirip dengan perpindahan buku yang dilakukan seseorang tadi, di mana molekul-molekul besi yang menghantarkan kalor tidak ikut berpindah. Perpindahan kalor seperti ini dinamakan perpindahan kalor secara hantaran atau konduksi.

Dalam kehidupan sehari-hari, dapat kamu jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsep perpindahan kalor secara konduksi, antara lain : setrika listrik, solder. Mengapa alat-alat rumah tangga seperti setrika, solder, panci, wajan terdapat pegangan dari bahan isolator? Hal ini bertujuan untuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita.

Perpindahan Kalor dengan cara Konduksi

Contoh yang lainnya, yaitu jika kita memegang sepotong kawat lalu memanaskannya ke api, maka yang terjadi adalah tangan kita akan terasa panas. Itu disebabkan karena ketika salah satu bagian logam bersentuhan dengan nyala lilin atau nyala api, secara otomatis kalor mengalir dari nyala lilin (suhu tinggi) menuju bagian logam tersebut (suhu rendah). Walaupun hanya salah satu bagian logam yang bersentuhan dengan nyala api, semua bagian logam tersebut akan kepanasan juga. Tangan kita bisa terasa panas, karena kalor mengalir dari logam (suhu tinggi) menuju tangan kita (suhu rendah). Jadi, kesimpulannya adalah ketika salah satu bagian benda yang bersuhu tinggi bersentuhan dengan benda yang bersuhu rendah, energi berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju bagian benda yang bersuhu rendah.

Karena mendapat tambahan energi maka molekul-molekul penyusun benda bergerak semakin cepat. Molekul lain yang berada di sebelahnya bergerak lebih lambat karena molekul tersebut tidak bersentuhan langsung dengan benda yang bersuhu tinggi. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik (EK = ½ mv2). Molekul-molekul yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menabrak temannya yang ada di sebelah. Karena ditabrak oleh temannya, maka molekul-molekul yang pada mulanya bergerak lambat ikut-ikutan bergerak lebih cepat. Pada mulanya si molekul bergerak lambat (v kecil) sehingga energinya juga kecil (EK = ½ mv2). Setelah bergerak lebih cepat (V besar), energi kinetiknya bertambah. Molekul tadi menabrak lagi temannya. Karena v besar, energinya pun bertambah. Demikian seterusnya, mereka saling tabrak-menabrak, sambil berbagi energi.

Ketika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, terdapat sejumlah kalor yang mengalir dari benda atau tempat yang bersuhu tinggi menuju benda atau tempat yang bersuhu rendah. Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Perlu diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada juga yang kurus (luas penampangnya kecil). Untuk mengetahui secara pasti hubungan antara jumlah kalor yang mengalir melalui suatu benda selama selang waktu tertentu akibat adanya perbedaan suhu, maka kita perlu menurunkan persamaan.

Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T1) sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T2). Karena adanya perbedaan suhu (T1 - T2), kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).

Jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T1 – T2), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Secara matematis sebagai berikut :

Keterangan :

Q = Kalor (satuannya kilokalori (k) atau Joule (J) )

t = Waktu (satuannya sekon (s) )

Q/t = Laju aliran kalor (satuannya kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )

A = Luas penampang benda (Satuannya meter kuadrat (m2) )

T1 – T2 = Perbedaan suhu (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )

T1 = Suhu alias Temperatur tinggi (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )

T2 = Suhu alias Temperatur rendah (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )

l = Panjang benda (satuannya meter (m) )

T1 - T2 / l = Gradien suhu (satuannya Kelvin per meter (K/m) atau derajat celcius per meter (oC/m) )

k = Konduktivitas termal benda

Persamaan konduktivitas termal

Persamaan laju aliran kalor di atas untuk memperoleh persamaan konduktivitas termal, yaitu:

Satuan konduktivitas termal

Dari rumus di atas, kita bisa menurunkan satuan konduktivitas termal dengan persamaan konduktivitas termal :

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K.

Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik.

Ketiga, satuan konduktivitas termal (k) bisa juga ditulis seperti ini :

Joule/sekon = J/s = Watt (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

Berikut ini nilai konduktivitas termal beberapa benda yang diperoleh melalui percobaan.

Jenis benda Konduktivitas Termal (k)

J/m.s.Co Kkal/m.s.Co

Perak 420 1000 x 10-4

Tembaga 380 920 x 10-4

Aluminium 200 500 x 10-4

Baja 40 110 x 10-4

Es 2 5 x 10-4

Kaca (biasa) 0,84 2 x 10-4

Bata 0,84 2 x 10-4

Air 0,56 1,4 x 10-4

Tubuh manusia 0,2 0,5 x 10-4

Kayu 0,08 – 0,16 0,2 x 10-4 – 0,4 x 10-4

Gabus 0,042 0,1 x 10-4

Wol 0,040 0,1 x 10-4

Busa 0,024 0,06 x 10-4

Udara 0,023 0,055 x 10-4

Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).

Penerapan Konduksi dalam kehidupan sehari-hari

Misalnya:

a. Ubin memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada karpet. Karenanya ubin merupakan penghantar kalor yang bagus, sedangkan karpet merupakan pernghantar kalor yang buruk. Ketika kita menginjak karpet, kalor mengalir dari kaki menuju karpet. Hal ini terjadi karena suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu karpet. Karena merupakan penghantar kalor yang buruk maka kalor/panas yang mengalir dari kaki kita menumpuk di permukaan karpet. Akibatnya permukaan karpet menjadi lebih hangat. Kaki kita pun akan terasa hangat.

Ketika kita menginjak ubin atau keramik, kalor mengalir dari kaki menuju ubin atau keramik. Karena ubin merupakan penghantar kalor yang baik maka kalor/panas yang mengalir dari kaki kita tidak tertahan di permukaan ubin. Kalor mengalir dengan lancar sehingga kaki kita terasa dingin

Ada orang yang mengatakan, kalau kita tidur di atas ubin (tanpa alas), kita bisa sakit. Sebenarnya hal itu disebabkan karena banyak kalor/panas dari tubuh kita yang mengalir menuju ubin. Ketika tubuh kita kehilangan banyak kalor, maka energi dalam tubuh kita berkurang. Hal ini yang membuat diri kita cepat sakit.

Contoh Soal Konduksi:

Sebuah dinding ruangan terdiri atas kaca yang dipasangi AC, memiliki panjang 2 m, tinggi 1 m, dengan tebal 5 mm. Suhu permukaan dalam kaca 25℃ dan suhu luar 35℃. Berapa banyak kalor yang mengalir keluar dari ruangan tersebut melalui dinding kaca apabila koefisien konduksi termalnya 〖8 "x 10" 〗^(-4) kJ / m.s.K?

Jawab:

Dinding ruangan kaca panjang 2 m

Tinggi 1 m

Tebal 5 mm dipasangi AC

Suhu permukaan 25℃

Suhu luar 35℃

k = 8 x 〖10〗^(-4) kJ / m.s.K

A = 2 X 1 m = 2 "m" ^2

L = 5 mm = 5 x 〖10〗^(-3) m

∆T = 35℃ - 25℃ = 10℃

k = 8 x 〖10〗^(-4) kJ / m.s. K

H = k.A.∆T/L=(8 "x" 〖10〗^(-4) ) (2) (10/(5.〖10〗^(-3) ))=3,2 kJ / s

RADIASI

Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara.

Saat acara api unggun pada kegiatan Pramuka di sekolah, apa yang dapat dirasakan saat kita berada di sekitar nyala api unggun? Kita akan merasakan hangatnya api unggun dari jarak berjauhan. Bagaimanakah panas api unggun dapat sampai ke badan kita? Kalor yang kita terima dari nyala api unggun disebabkan oleh energi pancaran. Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi kalor atau energi pancaran kalor disebut termoskop.

Contoh perpindahan kalor secara radiasi, misalnya pada waktu kita mengadakan kegiatan perkemahan, di malam hari yang dingin sering menyalakan api unggun. Saat kita berada di dekat api unggun badan kita terasa hangat karena adanya perpindahan kalor dari api unggun ke tubuh kita secara radiasi. Walaupun di sekitar kita terdapat udara yang dapat memindahkan kalor secara konveksi, tetapi udara merupakan penghantar kalor yang buruk (isolator). Jika antara api unggun dengan kita diletakkan sebuah penyekat atau tabir, ternyata hangatnya api unggun tidak dapat kita rasakan lagi. Hal ini berarti tidak ada kalor yang sampai ke tubuh kita, karena terhalang oleh penyekat itu. Dari peristiwa api unggun dapat disimpulkan bahwa dalam peristiwa radiasi, kalor berpindah dalam bentuk cahaya, karena cahaya dapat merambat dalam ruang hampa, maka kalor pun dapat merambat dalam ruang hampa; radiasi kalor dapat dihalangi dengan cara memberikan tabir/penutup yang dapat menghalangi cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya.

Contoh Soal Radiasi:

Sebuah bola yang berwarna hitam mempunyai suhu 600℃. Jika luas penampang bola adalah 20 m, berapakah energi yang dipancarkan setiap satuan luas tiap detiknya?

Jawab:

Suhu T = 600℃

A = 〖20 "m" 〗^2

T = 600 + 273 = 873 K

W = A.e.τ.T^4 = 20 (1) (5,67 x 〖10〗^(-8)) (873)4 = 6,59 x 〖10〗^5 watt

Perpindahan kalor dengan cara Radiasi

Selain berpindah dari tempat yang memiliki suhu lebih tinggi menuju tempat yang memiliki suhu lebih rendah dengan cara konduksi dan konveksi, kalor juga bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Bedanya, perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi membutuhkan medium. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak membutuhkan medium. Yang dimaksud dengan medium adalah benda-benda yang berfungsi sebagai penghantar kalor. Penghantar kalor yang baik menggunakan cara konduksi adalah zat padat. Sedangkan penghantar kalor yang baik menggunakan cara konveksi adalah zat cair dan zat gas. Namun, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak menggunakan penghantar.

Radiasi sebenarnya merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, seperti cahaya tampak (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dll), infra merah dan ultraviolet.

Salah satu contoh perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah perpindahan kalor dari matahari menuju bumi. Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 K), sedangkan bumi memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara matahari dan bumi, maka secara otomatis kalor mengungsi dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi. Kalor harus melewati ruang hampa. Jika tidak ada kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada. Kehidupan kita di planet bumi sangat bergantung pada energi yang diberikan oleh matahari. Energi bisa berpindah dari matahari ke bumi dalam bentuk kalor atau panas.

Perpindahan kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi terjadi ketika benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. Matahari dan bumi tidak saling bersentuhan, tetapi kalor bisa berpindah dari matahari menuju bumi. Demikian juga nyala api dan tubuh kita tidak saling bersentuhan, tetapi tubuh bisa kepanasan kalau kita berdiri di dekat nyala api.

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi ditemukan sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlak (Skala Kelvin) benda tersebut. Benda yang memiliki luas permukaan yang lebih besar memiliki laju perpindahan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang memiliki luas permukaan yang lebih kecil. Demikian juga, benda yang bersuhu 2000 Kelvin, misalnya, memiliki laju perpindahan kalor sebesar 24 = 16 kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang bersuhu 1000 Kelvin. Hasil ini ditemukan oleh Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh Ludwig Boltzmann sekitar 5 tahun kemudian. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Catatan :

Pertama, kalor merupakan energi yang berpindah. Lebih tepatnya kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Kedua, laju perpindahan kalor = jumlah kalor yang berpindah tempat selama selang waktu tertentu.

Ketiga, kata radiasi bisa berarti pancaran, demikian juga kata meradiasikan bisa berarti memancarkan. Kita menggunakan kata memancarkan karena kalor berpindah tempat menggunakan gelombang elektromagnetik (tidak memakai perantara).

Keempat, kata memancarkan dan menyerap artinya berbeda. Memancarkan, berarti kalor keluar. Tapi jika menyerap, berarti kalor disedot.

Benda yang permukaannya berwarna gelap (hitam pekat, seperti arang) memiliki emisivitas mendekati 1, sedangkan benda yang berwarna terang memiliki emisivitas mendekati 0. Semakin besar emisivitas suatu benda (e mendekati 1), semakin besar laju kalor yang dipancarkan benda tersebut. Sebaliknya, semakin kecil emisivitas suatu benda (e mendekati 0), semakin kecil laju kalor yang dipancarkan. Kita bisa mengatakan bahwa benda yang berwarna gelap (warna hitam dll) biasanya memancarkan kalor yang lebih banyak dibandingkan dengan benda yang berwarna terang (warna putih dll).

Besarnya emisivitas tidak hanya menentukan kemampuan suatu benda dalam memancarkan kalor tetapi juga kemampuan suatu benda dalam menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang berwarna gelap) menyerap hampir semua kalor yang dipancarkan padanya. Hanya sebagian kecil saja yang dipantulkan. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) menyerap sedikit kalor yang dipancarkan padanya. Sebagian besar kalor dipantulkan oleh benda tersebut.

Benda yang menyerap semua kalor yang dipancarkan padanya memiliki emisivitas = 1. Benda jenis ini dikenal dengan benda hitam. Dinamakan benda hitam bukan berarti benda tersebut berwarna hitam. Benda hitam sebenarnya merupakan sebuah benda ideal saja. Dari ulasan di atas, dapat disimpulkan bahwa benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang nyaris hitam pekat) merupakan pemancar sekaligus sebagai penyerap kalor yang baik. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk.

Setiap benda, apapun itu, selain memancarkan kalor, juga bisa menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Misalnya terdapat dua benda, Benda 1 dan benda 2. Benda 1 berada di dekat benda 2. Benda 1 memancarkan kalor, benda 2 juga memancarkan kalor. Selain memancarkan kalor, benda 1 menyerap kalor yang dipancarkan benda 2. Demikian juga sebaliknya, selain memancarkan kalor, benda 2 menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda 1. Karenanya untuk menghitung laju total perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 atau benda 2, kita tidak bisa menggunakan persamaan Stefan-Boltzmann di atas. Persamaan di atas hanya bisa digunakan untuk menentukan laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda (dengan anggapan tidak ada benda lain yang berada di sekitar benda tersebut).

Misalnya benda 1 memiliki emisivitas e, suhu T1 dan luas permukaannya A. Laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak T1, emisivitas e dan luas permukaan A. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

Agar perpindahan kalor bisa terjadi maka harus terdapat perbedaan suhu. Karenanya suhu benda 1 berbeda dengan suhu benda 2. Benda 2 memiliki suhu T2. Laju kalor yang dipancarkan benda 2 sebanding dengan pangkat empat suhu T2. Karena kalor yang dipancarkan benda 2 diserap oleh benda 1, maka laju kalor yang diserap benda 1 juga sebanding dengan pangkat empat suhu T2.

Karena terdapat kalor yang dipancarkan dan kalor yang diserap oleh benda 1, maka laju total kalor yang dipancarkan oleh benda 1 adalah :

Persamaan ini digunakan untuk menentukan laju total kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Yang dimaksudkan dengan laju total kalor adalah selisih antara laju kalor yang pancarkan dan laju kalor yang diserap.

Pemancaran dan penyerapan kalor dengan cara radiasi akan terhenti jika kedua benda tersebut berada dalam keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Jadi apabila T1 = T2, maka Q/t = 0.

Apabila kalor yang dipancarkan benda 1 lebih banyak daripada kalor yang diserapnya, maka suhu benda 1 menurun sedangkan suhu benda 2 meningkat. Suhu benda 2 meningkat karena benda 2 menyerap kalor yang dipancarkan benda 1. Sebaliknya, jika kalor yang diserap benda 1 lebih banyak daripada kalor yang dipancarkannya maka suhu benda 1 meningkat sedangkan suhu benda 2 menurun.

Contoh soal 1 :

Sebuah benda berbentuk kubus dengan panjang salah satu sisi kubus = 2 meter. Suhu benda = 100 oC dan emisivitas benda = 0,2. Tentukan laju kalor yang dipancarkan benda setiap detik!

Jawaban :

Suhu benda (T) = 100 oC + 273,15 = 373,15 K (suhu benda harus diubah ke dalam skala Kelvin)

Emisivitas (e) = 0,2 (emisivitas tidak punya satuan)

Luas benda (A) = sisi x sisi = 2 m x 2 m = 4 m2

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2

Laju aliran kalor yang dipancarkan benda

Watt = Joule/sekon = J/s (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

1 Watt = 1 Joule/sekon

879,5 Watt = 879,5 Joule/sekon

Benda memancarkan 879,5 Joule per detik.

Contoh soal 2 :

Seorang anak yang tidak berpakaian sedang berada dalam sebuah kamar. Luas permukaan tubuh anak tersebut = 2 m2, suhu kulitnya = 30 oC dan emisivitasnya = 0,8. Jika suhu kamar = 20 oC, berapakah laju kalor yang hilang setiap detik dari tubuh anak ?

Jawaban :

Suhu anak (T1) = 30 oC + 273,15 = 303,15 K

Suhu kamar (T2) = 20 oC + 273,15 = 293,15 K

Emisivitas (e) = 0,8

Luas tubuh (A) = 2 m2

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4

96,16 Watt = 96,16 Joule/sekon

Laju kalor yang hilang dari tubuh anak adalah 96,16 Joule per detik.

Laju kalor yang dipancarkan matahari (Laju radiasi matahari)

Sejak pagi sampai sore, kita selalu kebanjiran kalor dari matahari. Kalor yang diberikan kepada kita kadang berlebihan sehingga tubuh kita kepanasan. Apalagi orang yang kulitnya agak hitam.

Berdasarkan hasil perhitungan, ditemukan bahwa terdapat kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi yang berasal dari matahari menuju planet bumi. Pada hari yang cerah, terdapat kalor sebesar 1000 Joule per sekon per meter persegi menuju permukaan bumi. Pada hari yang tidak cerah (banyak awannya), sekitar 70 % kalor diserap oleh atmosfir bumi. Jadi hanya 30 % kalor yang menuju ke permukaan bumi. Besarnya kalor yang hilang di atmosfir bumi tergantung pada banyak atau sedikitnya awan yang ada di langit.

Jumlah kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi dikenal dengan nama konstanta matahari. Karena Joule per sekon (J/s) = Watt, maka kita bisa menulis kembali konstanta matahari menjadi 1350 Watt per meter persegi = 1350 W/m2

Ketika kalor yang dipancarkan oleh matahari tiba di permukaan bumi, kalor tersebut diserap oleh benda hidup dan benda mati yang berada di permukaan bumi. Laju penyerapan kalor bergantung pada emisivitas (e) benda tersebut, luas permukaan benda dan sudut yang dibentuk oleh sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan benda.

Secara matematis, laju penyerapan kalor bisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Pada siang hari, sinar matahari sejajar atau berhimpit dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi (Sudut yang dibentuk = 0).

Karena sudut yang dibentuk = 0o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju penyerapan kalor (Q/t) bernilai maksimum jika sudut yang dibentuk sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi = 0o (cos 0 = 1). Biasanya ini terjadi pada siang hari, di mana matahari tepat berada di atas kepala.

Pada pagi hari dan sore hari, sudut yang terbentuk mendekati 90o.

Besar sudut yang mendekati 90o bisa 70o, 75o, 80o, 85o dll. Berdasarkan gambar di atas, sudut yang terbentuk sekitar 80o (Ini perkiraan kasar). Seandainya sudut yang terbentuk adalah 80o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju kalor (Q/t) pada pagi hari dan sore hari bernilai minimum karena cos teta mendekati nol. Semakin kecil cos teta, semakin kecil laju penyerapan kalor (Q/t). Hal ini yang menjadi alasan mengapa pada pagi hari atau sore hari kita tidak merasa panas.

Pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur, sudut yang terbentuk = 90o.

Karena sudut yang dibentuk = 90o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju penyerapan kalor (Q/t) pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur = 0. Jadi tidak ada kalor yang disedot.

Penerapan radiasi

Salah satu penerapan perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah termografi. Alatnya dinamakan termograf. Termograf biasa digunakan untuk mendeteksi tumor, kanker dll. Biasanya proses metabolisme pada bagian tubuh yang ada tumor atau kanker cukup tinggi. Karenanya suhu bagian tubuh tersebut lebih tinggi. Semakin tinggi suhu, semakin banyak kalor yang dipancarkan/diradiasikan. Tugas termograf adalah menscan/mengukur besarnya kalor yang diradiasikan oleh semua bagian tubuh.

KONVEKSI

Selain berpindah tempat dengan cara konduksi, kalor juga bisa berpindah dari satu tempat ke tempat lain dengan cara konveksi. Konveksi adalah proses berpindahnya kalor akibat adanya perpindahan molekul-molekul suatu benda. Biasanya kalor berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi menuju tempat yang bersuhu rendah. Jika terdapat perbedaan suhu maka molekul-molekul yang memiliki suhu yang lebih tinggi berpindah ke tempat yang bersuhu rendah. Posisi molekul tersebut digantikan oleh molekul lain yang bersuhu rendah. Jika suhu molekul ini meningkat, maka ia pun akan berpindah ke tempat yang bersuhu rendah. Posisinya digantikan oleh temannya yang bersuhu rendah. Demikian seterusnya.

Perlu diketahui bahwa benda yang dimaksudkan di sini adalah zat cair atau zat gas. Walaupun merupakan penghantar kalor (konduktor termal) yang buruk, zat cair dan zat gas bisa memindahkan kalor dengan cepat menggunakan cara konveksi. Contoh zat cair adalah air, minyak goreng, oli dan lain-lain. Contoh zat gas adalah udara.

Contohnya:

Proses pemanasan air

Air yang berada di dalam wadah dipanaskan dengan nyala api yang berasal dari kompor.

Ketika kita memanaskan air menggunakan kompor, kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju dasar wadah (suhu lebih rendah). Karena mendapat tambahan kalor, maka suhu dasar wadah meningkat. Yang bersentuhan dengan nyala api adalah bagian luar dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari bagian luar dasar wadah (yang bersentuhan dengan nyala api) menuju bagian dalam dasar wadah (yang bersentuhan dengan air). Suhu bagian dalam dasar wadah pun meningkat. Karena air yang berada di permukaan wadah memiliki suhu yang lebih kecil, maka kalor mengalir dari dasar wadah (suhu lebih tinggi) menuju air (suhu lebih rendah). Perlu diketahui bahwa perpindahan kalor pada wadah terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air yang berada di permukaannya juga terjadi secara konduksi.

Adanya tambahan kalor membuat air yang menempel dengan dasar wadah mengalami peningkatan suhu. Akibatnya air tersebut memuai. Ketika memuai, volume air bertambah. Karena volume air bertambah maka massa jenis air berkurang. Massa air yang memuai tidak berubah, yang berubah hanya volumeya saja. Karena volume air bertambah, maka massa jenisnya berkurang. Berkurangnya massa jenis air menyebabkan air bergerak ke atas (kita bisa mengatakan air tersebut mengapung). Seperti gabus atau kayu kering yang terapung jika dimasukkan ke dalam air. Gabus atau kayu kering bisa terapung karena massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air.

Karena bergerak ke atas maka posisi air tadi digantikan air yang berada di sebelah atas. Kali ini temannya yang menempel dengan dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari dasar wadah menuju kalor lainnya. Suhu meningkat sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka ia bergerak ke atas. Posisinya digantikan oleh temannyayang berada di sebelah atas. Demikian seterusnya sampai semua air yang berada dalam wadah mendapat jatah kalor. Air yang memiliki suhu yang tinggi tidak langsung meluncur tegak lurus ke atas tetapi berputar. Hal ini disebabkan karena air yang berada tepat di atasnya memiliki massa jenis yang lebih besar.

Perpindahan kalor pada proses pemanasan air merupakan salah satu contoh perpindahan kalor secara konveksi.

Catatan :

Pertama, proses perpindahan kalor dengan cara konveksi hanya terjadi dalam air. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air terjadi secara konduksi.

Kedua, seandainya nyala api bersentuhan dengan wadah, maka kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju wadah (suhu lebih rendah) dengan cara konduksi. Sebaliknya, jika nyala api tidak bersentuhan dengan wadah maka kalor mengalir dari nyala api menuju wadah dengan cara radiasi. Mengenai radiasi akan dibahas kemudian.

Ketiga, Jika nyala api cukup besar maka kalor tidak hanya mengalir dari nyala api menuju dasar wadah tetapi juga menuju dinding wadah. Perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara konduksi (apabila nyala api bersentuhan dengan dinding wadah) atau perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara radiasi (apabila nyala api tidak bersentuhan dengan dinding wadah).

Keempat, proses pemanasan air menggunakan pemanas listrik juga mirip dengan kasus di atas. Elemen pemanas memiliki suhu yang lebih tinggi sedangkan air yang berada di sekitarnya memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari elemen pemanas menuju air yang menempel dengannya. Perpindahan kalor dari elemen pemanas menuju air terjadi secara konduksi. Sebaliknya, proses perpindahan kalor dalam air terjadi secara konveksi.

Contoh lain dari perpindahan kalor secara konveksi adalah proses terjadinya angin laut dan angin darat.

Angin laut

Kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Akibatnya ketika dipanaskan oleh cahaya matahari pada siang hari, kenaikan suhu daratan lebih besar daripada kenaikan suhu air laut. Jadi walaupun mendapat jatah kalor yang sama dari matahari, daratan lebih cepat panas (suhu lebih tinggi) daripada air laut (suhu air laut lebih rendah).

Daratan yang sudah kepanasan tadi memanaskan udara yang berada tepat di atasnya sehingga suhu udara pun meningkat. Karena mengalami peningkatan suhu maka udara memuai. Ketika memuai, volumenya bertambah. Akibatnya massa jenis udara berkurang. Karena massa jenis udara berkurang, maka udara tersebut bergerak ke atas (1). Posisi udara yang bergerak ke atas tadi digantikan oleh udara yang berada di atas permukaan laut. Hal ini disebabkan karena massa jenis udara yang berada di atas permukaan laut lebih besar. Ketika bergerak ke darat, posisi udara tadi digantikan oleh udara lainnya yang berada tepat di atasnya (2).

Sampai pada ketinggian tertentu, udara panas yang bergerak ke atas mengalami penurunan suhu. Ketika suhu udara menurun, volume udara juga berkurang. Berkurangnya volume udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Akibatnya, udara yang sudah mendingin tadi meluncur ke bawah untuk menggantikan posisi udara yang kabur dari permukaan laut (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Kita menyebutnya dengan julukan angin laut. Di sebut angin laut karena udara yang berada di atas permukaan air laut melakukan pengungsian massal menuju darat.

Angin darat

Ketika malam tiba, daratan lebih cepat dingin daripada air laut. Dengan kata lain, pada malam hari, suhu daratan lebih rendah daripada suhu air laut. Hal ini disebabkan karena kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Walaupun jumlah kalor yang dilepaskan oleh daratan dan air laut sama, tetapi karena kalor jenis daratan lebih kecil daripada kalor jenis air laut, maka penurunan suhu yang dialami oleh daratan lebih besar daripada air laut.

Air laut yang memiliki suhu lebih tinggi menghangatkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas permukaan laut meningkat. Peningkatan suhu udara menyebabkan massa jenis udara berkurang sehingga udara bergerak ke atas (1)

Daratan yang memiliki suhu lebih rendah mendinginkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas daratan menurun. Penurunan suhu udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Udara yang berada di atas daratan akan menuju ke laut (2).

Sampai pada ketinggian tertentu, udara yang bergerak ke atas mendingin (suhunya menurun). Penurunan suhu menyebabkan massa jenis udara bertambah. Udara pun meluncur ke bawah, menggantikan posisi udara yang meluncur ke laut tadi (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Kita menyebutnya dengan julukan angin darat. Di sebut angin darat karena udara yang berada di daratan melakukan pengungsian massal menuju laut. Angin darat hanya terjadi pada malam hari.

Catatan :

Pertama, meningkatnya suhu daratan dan lautan yang terjadi pada siang hari merupakan akibat dari perpindahan kalor secara radiasi (Daratan dan air laut mendapat sumbangan kalor dari matahari).

Kedua, perpindahan kalor dari daratan atau air laut menuju udara yang berada di atasnya terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor secara konveksi hanya terjadi pada udara saja.

Ketiga, angin adalah udara yang bergerak.

Cerobong Asap

Asap hasil pembakaran memiliki suhu tinggi. Karena suhunya tinggi, maka asap tersebut memuai. Ketika memuai, volume asap bertambah (massa asap tidak berubah, yang berubah hanya volumenya saja). Bertambahnya volume asap membuat massa jenisnya berkurang. Akibatnya asap pun meluncur ke atas.

Contoh Soal Konveksi :

Sebuah benda dengan suhu 33℃ terletak dalam sebuah ruangan yang bersuhu 29℃. Luas permukaan benda 1,5 m2. Hitunglah jumlah kalor yang dilepaskan oleh benda itu setiap detiknya jika diketahui koefisien konveksi benda = h = 7,1 J / s.m.K.

Jawab:

Tbenda = 33℃ ; Truang = 29℃

A = 1,5 m2; h = 7,1 J / s.m.K

∆T = 33℃ - 29℃ = 4℃

H = h.A.∆T =(7,1) (1,5) (4) = 42,6 J / s