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, adveksi, 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 
jmpl|Simulasi konveksi termal di mantel bumi. Warna berkisar dari merah dan hijau ke biru dengan penurunan suhu. Lapisan batas bawah yang panas dan kurang padat mengirimkan gumpalan material panas ke atas, dan material dingin dari atas bergerak ke bawah.
jmpl|Intensitas radiasi termal gelombang panjang bumi dari awan, atmosfer, dan litosfer.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 oleh aliran yang dominan pada suatu medium fluida. Arah adveksi sangat bergantung pada kekuatan serta arah dari vektor kecepatan yang mendominasi suatu aliran fluida (streamwise). Adveksi merupakan mekanisme yang utama dan mendominasi pada transfer energi secara horizontal di atmosfer dan perairan Bumi.
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."Thermal-FluidsPedia | Heat conduction". 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."Thermal-FluidsPedia | Radiation"  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.Mojiri, A., Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews
Volume 28, December 2013, Pages 654–663 Tidak seperti konduksi dan konveksi, radiasi termal dapat dikumpulkan di sebuah titik kecil menggunakan kaca pemantul, kemudian dimanfaatkan untuk pembangkit listrik solar.Taylor, R.A., Applicability of Nanofluids in High Flux Solar Collectors JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY 3, 023104, 2011

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.

 Adveksi 
Adveksi adalah proses perpindahan suatu sifat fisik, seperti panas, massa, kelembapan, atau zat kimia, oleh gerak fluida. Gerakan ini terjadi secara dominan dalam arah horizontal, meskipun pada beberapa kasus juga melibatkan komponen vertikal. Berbeda dengan difusi, yang mengandalkan perpindahan molekul dari wilayah dengan konsentrasi tinggi ke wilayah dengan konsentrasi rendah, adveksi melibatkan perpindahan massa fluida secara kolektif karena pengaruh aliran atau arus dari fluida yang ditinjau. Proses ini sangat penting dalam banyak fenomena fisik di lingkungan, termasuk transfer panas, pola cuaca, dan dinamika atmosfer serta laut. Adveksi sering digunakan untuk menjelaskan bagaimana energi atau zat tertentu berpindah dari satu wilayah ke wilayah lain akibat aliran fluida, baik itu udara di atmosfer maupun air di lautan.

Dalam konteks perpindahan panas dalam fluida, adveksi menjadi mekanisme penting karena memungkinkan fluida membawa energi termal ke wilayah lain. Sebagai contoh, dalam sistem perpindahan panas dalam pipa atau reaktor industri, cairan atau gas panas dapat diadveksikan untuk mentransfer energi ke lokasi tertentu. Hal ini memanfaatkan sifat fluida yang bergerak sebagai media transportasi, sehingga efisiensi perpindahan panas meningkat dibandingkan hanya mengandalkan konduksi atau radiasi. Proses ini banyak diterapkan dalam teknologi pemanas, pendingin ruangan, dan sistem energi lainnya, di mana fluida seperti air, uap, atau udara digunakan untuk mengatur suhu atau memindahkan energi.

Dalam keilmuan meteorologi, adveksi memainkan peran kunci dalam berbagai fenomena cuaca. Salah satu contoh utamanya adalah adveksi panas, yang terjadi ketika massa udara hangat bergerak secara horizontal dari satu wilayah ke wilayah lain. Hal ini sering terjadi dalam pola cuaca global, seperti ketika angin membawa udara hangat dari daerah tropis ke lintang yang lebih tinggi, memengaruhi suhu suatu wilayah. Sebaliknya, adveksi udara dingin membawa massa udara dingin ke lokasi tertentu, sering kali menyebabkan penurunan suhu yang signifikan. Adveksi juga berperan dalam distribusi kelembapan di atmosfer, misalnya, ketika angin membawa uap air dari lautan ke daratan, yang dapat memicu pembentukan awan dan hujan. Fenomena ini sangat penting dalam prediksi cuaca dan model iklim, di mana pola adveksi digunakan untuk memahami bagaimana energi dan kelembapan didistribusikan di atmosfer.

Dalam keilmuan oseanografi, adveksi sangat relevan dalam dinamika laut dan ekosistemnya. Arus laut, baik arus permukaan maupun arus dalam, bertindak sebagai agen adveksi yang membawa panas, salinitas, dan zat nutrisi ke berbagai wilayah di samudra. Sebagai contoh, arus teluk di Samudra Atlantik Utara membawa air hangat dari daerah tropis ke lintang tinggi, yang memengaruhi iklim pesisir Eropa dan Amerika Utara. Selain itu, adveksi memainkan peran penting dalam sirkulasi termohalin, yaitu perbedaan suhu dan salinitas mendorong pergerakan massa air di kedalaman laut. Proses ini tidak hanya mengatur distribusi energi panas di lautan tetapi juga memengaruhi produktivitas biologis dengan mengangkut nutrisi ke lapisan permukaan, mendukung kehidupan plankton dan ekosistem laut lainnya.

Secara keseluruhan, adveksi merupakan mekanisme yang penting dalam berbagai sistem fisik, baik dalam skala kecil seperti perpindahan panas dalam pipa maupun dalam skala besar seperti pola cuaca global dan dinamika laut. Pemahaman tentang adveksi membantu ilmuwan dan insinyur memprediksi dan mengoptimalkan berbagai proses, mulai dari efisiensi termal dalam industri hingga model iklim dan manajemen sumber daya laut.

 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 memengaruhi 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 

Kategori:Teknik mesin
Kategori:Teknik kimia