Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu di antara dua tempat yang berbeda. Bahasan utama dalam perpindahan panas ialah cara energi di dalam panas dapat berpindah tempat dan laju perpindahannya dalam kondisi tertentu. Perpindahan panas meliputi proses pemasukan dan pengeluaran panas. Dalam proses industri, perpindahan panas digunakan untuk mencapai suhu yang diperlukan dalam proses industri dan mempertahankan suhu yang dibutuhkan selama proses berlangsung. Perpindahan panas dari suatu benda ke benda lainnya dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Penentu terjadinya perpindahan panas ialah adanya perbedaan suhu. Arah perpindahan panas dimulai dari media dengan suhu tinggi menuju ke media dengan suhu yang lebih rendah. Perpindahan panas dapat terjadi dengan satu proses tunggal maupun proses ganda.

Mekanisme 

Bentuk-bentuk dasar perpindahan massa adalah:

Konduksi atau difusi
 Perpindahan energi antara objek yang mengalami kontak fisik dengan sumber panas. Konduksi termal adalah pertukaran mikroskopis langsung dari energi kinetik partikel melalui batas antara dua sistem. Ketika suatu objek memiliki temperatur yang berbeda dari benda atau lingkungan di sekitarnya, panas mengalir sehingga keduanya memiliki temperatur yang sama pada suatu titik kesetimbangan termal. Perpindahan panas secara spontan terjadi dari tempat bertemperatur tinggi ke tempat bertemperatur rendah, seperti yang dijelaskan oleh hukum kedua termodinamika.
Konveksi
 Perpindahan energi antara sebuah objek dengan lingkungannya karena adanya pergerakan fluida yang berasal dari sumber panas. Konveksi terjadi ketika aliran bahan curah atau fluida (gas atau cairan) membawa panas bersama dengan aliran materi. Aliran fluida dapat terjadi karena proses eksternal, seperti gravitasi atau gaya apung akibat energi panas mengembangkan volume fluida. Konveksi paksa terjadi ketika fluida dipaksa mengalir menggunakan pompa, kipas, atau cara mekanis lainnya.
Adveksi
 Perpindahan energi dari satu lokasi ke lokasi lain sebagai efek samping dari objek berenergi yang bergerak.
Radiasi
 Radiasi termal terjadi melalui ruang vakum atau medium transparan. Energi ditransfer melalui foton dalam gelombang elektromagnetik. Perpindahan energi dari atau ke objek akibat pelepasan atau penyerapan radiasi elektromagnetik serta tidak harus melakukan kontak fisik dengan sumber panas.

Konduksi 

Pada skala mikroskopik, konduksi panas muncul sebagai "rasa panas", atom yang bergetar atau berpindah sedemikian cepat berinteraksi dengan atom dan molekul sekelilingnya sehingga memindahkan sejumlah energi mereka ke partikel di sekelilingnya. Dengan kata lain, panas dipindahkan dengan konduksi ketika atom yang saling berdampingan menggetarkan satu sama lain, atau ketika elektron berpindah dari satu atom ke atom lain. Konduksi adalah bentuk perpindahan panas paling umum pada benda padat pada kontak termal. Fluida-terutama gas-kurang konduktif. Konduktansi kontak termal adalah studi konduksi panas antara benda padat yang saling bersentuhan.

Konduksi steady state (lihat hukum Fourier) adalah bentuk konduksi yang terjadi ketika perbedaan temperatur yang terjadi pada konduksi berlangsung spontan, maka setelah waktu kesetimbangan, distribusi spasial temperatur pada benda terkonduksi tidak berubah-ubah lagi. Pada konduksi steady state, jumlah panas yang memasuki suatu bagian sama dengan jumlah panas yang keluar.

Konduksi transient (lihat persamaan panas) muncul ketika temperatur objek berubah sebagai fungsi waktu. Analisis pada sistem transient lebih kompeks dan sering dipakai untuk aplikasi dari analisis numerik oleh komputer.

Konveksi 
Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida. Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas.

Konveksi bebas muncul ketika gerak fluida disebabkan oleh gaya apung yang berasal dari perbedaan massa jenis akibat perbedaan temperatur di dalam fluida. Konveksi tak bebas adalah istilah yang digunakan ketika aliran di dalam fluida diinduksi oleh benda eksternal, seperti kipas, pengaduk, dan pompa, sehingga menyebabkan konveksi induksi buatan.

Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada lapisan fluida di sekitar permukaan padatan. Persamaan hukum Newton dapat diterapkan pada perhitungan. Prinsip yang berlaku ialah bahwa perpindahan panas konveksi berbanding lurus dengan perbedaan suhu. Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya. Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi ("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku.

Radiasi 
Radiasi termal adalah energi yang dilepaskan oleh benda sebagai gelombang elektromagnetik, karena adanya tumpukan energi termal pada semua benda dengan suhu di atas nol mutlak.  Perpindahan panas radiasi dapat berlangsung dalam ruang hampa udara tanpa media apapun. Panas dipindahkan dari sebuah benda dengan suhu yang relatif tinggi ke benda lain dengan suhu yang lebih rendah dengan melintasi ruang. Perpindahan panas secara radiasi tidak memerlukan kontak molekuler. Besarnya energi panas yang berpindah ditentukan oleh besarnya perbedaan suhu antara kedua benda dan karakteristik permukaan masing-masing benda.

Radiasi dari matahari dapat digunakan untuk panas dan tenaga listrik. Tidak seperti konduksi dan konveksi, radiasi termal dapat dikumpulkan di sebuah titik kecil menggunakan kaca pemantul, kemudian dimanfaatkan untuk pembangkit listrik solar.

Radiasi termal muncul sebagai akibat perpindahan acak dari atom dan molekul benda. Karena atom dan molekul ini terdiri dari partikel bermuatan (proton dan elektron), pergerakan mereka menghasilkan pelepasan radiasi elektromagnetik yang membawa energi.

Kegunaan

Pengawetan dalam suhu tinggi 
Ilmu tentang perpindahan panas digunakan pada pengolahan pangan yang menggunakan suhu tinggi. Pengolahan pangan memanfaatkan panas dengan suhu lebih tinggi dari suhu kamar (20–30 oC). Pada pengolahan pangan, perrpindahan panas dapat terjadi di dalam bahan pangan atau di bagian luar yang menuju ke bahan pangan. Perpindahan panas diperlukan di sebagian besar proses pengolahan pangan. Bentuk perpindahan panas pada bahan pangan meiputi pemberian panas ke dalam bahan maupun pengambilan panas dari dalam bahan. Pengolahan pangan dengan menggunakan suhu tinggi bertujuan untuk memperpanjang masa simpan satu jenis pangan. Pada pangan yang disimpan secara beraneka ragam, perpindahan panas bertujuan untuk mengawetkan bahan pangan.

Kerja manometer 
Manometer dapat bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas yang kemudian menghasikan tekanan atau kondisi vakum. Di dalam ruang vakum ada tiga daerah yang mempengaruhi perpindahan panas. Daerah pertama merupakan daerah dengan tekanan udara yang sangat rendah atau vakum tinggi maupun sangat tinggi. Daerah kedua merupakan daerah vakum sedang. Sedangkan daerah ketiga adalah daerah tekanan tinggi, vakum rendah, maupun sangat rendah atau menyerupai tekanan atmosfer. Daerah kedua sangat dipengaruhi oleh tekanan dari perpindahan panas. Daerah kedua merupakan daerah kerja manometer yang prinsip kerjanya didasarkan pada perpindahan panas, yaitu manometer termokopel, manometer pirani dan manometer konvektron. Pada daerah pertama, sebagian besar laju perpindahan energi terjadi secara radiasi. Pancaran energi berasal dari permukaan panas dari sensor ke permukaan dingin dari dinding bagian dalam rumah manometer. Hai ini karena pada vakum tinggi, kerapatan molekul/atom sangat rendah dan jumlah molekul/atom yang bergerak secara molekular sangat rendah. 

Perpindahan energi melalui molekul/atom yang bergerak secara molekular mengalami benturan pada permukaan sensor dan menghantarkan panas ke permukaan dingin dengan jumlah yang sangat sedikit. Benturan ini mengakibatkan laju perpindahan panas mengalami konduksi dan radiasi dengan kecepatan yang sangat rendah, Pada daerah kedua, molekul/atom molekul mengalami perubahan bentuk dan perubahan struktur molekul. Molekul berubah dari kondisi kental ke kondisi molekular, sehingga kerapatan molekul/atom cukup tinggi dan jumlah molekul/atom yang memindahkan energi dari permukaan sensor ke permukaan dingin melalui gerakan molekular yang cukup tinggi. Laju perpindahan panas pun meningkat cukup besar secara konduksi. Pada daerah ketiga, kondisi tekanan tinggi atau vakum sangat rendah. Gas berada pada kondisi kental dengan gerakan molekul/atom berpola laminer atau turbulen. Perpindahan panas terjadi secara konveksi. Prinsip kerja perpindahan panas membuat manometer mempunyai kepekaan pada daerah kedua. Melalui perpindahan panas, rentang pengukuran dengan nilai yang baik dapat diperoleh. Nilai kevakuman ini berkisar antara 1 Torr hingga mencapai orde 10-4 Torr.

Lihat pula 
 Fisika pindah panas
 Hukum Stefan–Boltzmann
 Konduktansi kontak termal
 Fisika termal
 Resistansi termal
 Sains termal
Bilangan Nusselt

Referensi

Daftar pustaka

Bahan bacaan terkait 
 Frontiers in Heat and Mass Transfer
 Heat Transfer Engineering
 Experimental Heat Transfer
 International Journal of Heat and Mass Transfer
 ASME Journal of Heat Transfer 
 Numerical Heat Transfer Part A
 Numerical Heat Transfer Part B
 Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering
 Journal of Enhanced Heat Transfer

Pranala luar 
 Thermal-FluidsPedia - An online thermal fluids encyclopedia.
 Hyperphysics Article on Heat Transfer - Overview
 Interseasonal Heat Transfer - a practical example of how heat transfer is used to heat buildings without burning fossil fuels.
 Aspects of Heat Transfer, Cambridge University
 Thermal-Fluids Central
 Energy2D: Interactive Heat Transfer Simulations for Everyone
 Heat and Mass Transport Equation Sheet 

Teknik mesin
Teknik kimia