Contoh Soal Perpindahan Kalor Secara Konduksi, Konveksi Serta Radiasi

Contoh Soal Perpindahan Kalor Secara Konduksi, konveksi serta Radiasi

Pada kesempatan kali ini kita bakal belajar tentang perpindahan kalor secara konduksi, konveksi serta radiasi. Energi dalam bentuk kalor berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Perpindahan kalor ada yang membutuhkan medium serta ada juga yang enggak membutuhkan medium. Baik buat mempersingkat waktu langsung saja kita mulai.

Sumber : www.machinedesign.com

A. Perpindahan Kalor Secara Konduksi

Konduksi ialah perpindahan energi berupa kalor lewat suatu medium penghantar tanpa disertai dengan perpindahan materi dari medium penghantar tersebut.

Contohnya ialah saat Ente membakar salah satu ujung besi maka ujung besi lain pada awalnya enggak panas, lama kelamaan bakal terasa panas. Besi adalah medium perambatan energi berupa kalor. Kalor bakal berpindah dari suhu yang tinggi ke suhu yang renda. Contoh lain ialah saat Ente mengaduk teh panas menggunakan sendok. Pada awalnya ujung pegangan sendok enggak panas, tetapi dalam waktu beberapa detik pegangan sendok tersebut bakal teras panas. Tidak cuma sendok yang terasa panas bakal tetapi gelas tempat teh tersebut juga bakal panas. Peristiwa ini disebut dengan peristiwa perpindahan kalor secara konduksi.

Berikut ialah rumus buat menghitung besarnya laju perpindahan kalor tiap satuan waktu maka

Keterangan:

H ialah Laju perpindahan kalor (J/s atau Watt)

Q ialah kalor (J atau Kal)

t ialah waktu (sekon)

k ialah konduktivitas termal (W/mK)

A ialah luas penampang (m^2)

∆T ialah perubahan suhu (°C atau K)

L ialah panjang logam penghantar (m)

Ingat : ∆T ialah suhu tinggi – suhu rendah

Baca juga : Contoh Soal Dan Pembahasan Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada Tiga Logam Berbeda

1. Contoh Soal Dan Pembahasan Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada Logam

Dua batang penghantar mempunyai panjang serta luas yang identik kemudian disambungkan seperti pada gambar di bawah ini. kalau dikenal koefisien termal batang penghantar pertama ialah 2 kali koefisien konduksi termal batang kedua.

Jika pada ujung batang pertama dipanaskan sehingga suhu pada batang pertama ialah 80 °C serta suhu pada batang kedua ialah 20 °C, maka tentukanlah suhu pada sambungan kedua batang penghantar?

Jawab :

Langka 1 : Gambarkan sistem buat mengilustrasikan perpindahan kalor pada dua logam penghantar di atas

Penjelasan ∆T

• Karena suhu T1 > Ts artinya T1 suhunya lebih tinggi dari pada Ts; maka ∆T1 = T1 – Ts
• Suhu Ts > T2 artinya Ts suhunya lebih tinggi dari pada T2; maka ∆T1 = Ts – T2

Langkah 2 : Tuliskan apa saja yang dikenal serta yang ditanyakan

Diketahui:

L1 = L2 (Panjangnya sama)

A1 = A2 (Luasnya sama)

K1 = 2 k2

T1 = 80 °C

T2 = 20 °C

Ditanya : tentukanlah suhu pada sambungan kedua batang penghantar?

Langkah 3 : Gunakan Konsep serta Rumus yang sesuai

Rumus Perpindahan Kalor Secara Konduksi pada dua batang logam

Energi yang ditransferkan secara induksi lewat dua logam penghantar yang mempunyai suhu berbeda terjadi saat kedua logam penghantar tersebut mengalami kontak termal. Pada saat kondisi Steady State, laju perpindahan energi lewat logam penghantar satu sama dengan laju perpindahan energi lewat logam penghantar kedua. Maka diperoleh

Langkah terakhir : Substitusikan nilai yang diketahui

A1 = A2 ; L1 = L2 serta K1 = 2 K2 maka kita dapat mencoret nilai yang sama pada kedua ruas

Jadi, suhu pada sambungan kedua batang penghantar ialah 60 °C

Untuk Soal Selanjutnya : Klik Next

B. Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Konveksi adalah perpindahan energi berupa kalor pada suatu medium perantara yang disertai dengan perpindahan partikel perantara.

Contohnya ialah saat kita memanaskan air menggunakan panci, partikel air yang berada di bawah panci bakal terlebih dahulu terkena oleh panas. Ketika suhu partikel air yang berada di bawah naik maka massa jenis partikel air tersebut bakal mengecil sehingga air yang massa jenisnya bakal bergerak naik ke atas, sedangkan partikel air yang berada di atas mempunyai suhu yang lebih rendah maka massa jenisnya bakal lebih besar sehingga air yang massa jenisnya besar bakal bergerak turun ke bawah. Proses ini terjadi secara terus menerus hingga partikel air mencapai suhu yang sama. Pristiwa ini adalah proses perpindahan kalor pada medium air yang disertai oleh perpindahan partikel air.

Berikut ialah rumus buat menghitung besarnya laju perpindahan kalor tiap satuan waktu maka

Keterangan:

H ialah Laju perpindahan kalor (J/s atau Watt)

Q ialah kalor (J atau Kal)

t ialah waktu (sekon)

h ialah koefisien konveksi termal (W/mK)

A ialah luas penampang (m^2)

∆T ialah perubahan suhu (°C atau K)

Ingat : ∆T ialah suhu tinggi – suhu rendah

C. Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada Radiasi, perpindahan energi berupa kalor tanpa membutuhkan medium perantara. 

Salah satu contoh ialah radiasi matahari. Energi radiasi matahari ini sangat bermanfaat bagi kehidupan di bumi. Energi ini merambat kebumi dengan kecepatan cahaya lewat radiasi. Radiasi enggak dipancarkan oleh matahari atau benda bercahaya saja. Namun, setiap benda yang mempunyai suhu bakal memancarkan radiasi, saat suhu benda tersebut lebih besar dari suhu lingkungan maka benda tersebut bakal memancarkan radiasi yang lebih banyak dari pada menyerap energi radiasi dari lingkungan. Sehingga benda bakal lebih banyak mengeluarkan energi serta mengakibatkan suhu benda tersebut menurun. Ketika tercapai suhu kesetimbangan, maka radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut bakal sama dengan yang diserap dari lingkungan sehingga suhu benda serta lingkungan bakal sama. Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh benda dapat dihitung menggunakan rumus berikut ini

Keterangan :

I ialah Intensitas Radiasi (W/m^2)

P ialah Daya Radiasi (W atau J/s)

Q ialah Energi berupa kalor (J)

t ialah waktu (s)

e ialah Emisivitas benda ( e = 1 buat benda hitam)

σ ialah konstanta Stefan-Boltzmann

A ialah luas permukaan (m^2)

T ialah Suhu (Kelvin)

1. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi

Sebuah bola mempunyai jari-jari R = 4 cm serta suhu 400 K. jika emisivitas benda tersebut ialah 1, maka tentukan besar radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut setiap detiknya?

Jawab

Diketahui:

R = 4 cm = 0,04 m

T = 400 K

e = 1

σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)

Ditanya : tentukan besar radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut setiap detiknya?

Rumus Radiasi Benda yang mempunyai suhu T

Perhatikan, Karena benda berbentuk bola maka luas permukaan bola adalah

Substitusikan nilai A ke Rumus Radiasi, Maka diperoleh besarnya radiasi benda tersebut tiap detiknya adalah

Jadi, besar radiasi yang dipancarkan oleh benda tersebut setiap detiknya ialah 29,03 J/s

2. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi

Sebuah bola berjari jari R serta mempunyai suhu T. kalau kedua benda terbuat dari jenis yang sama. Tentukanlah suhu bola kedua yang mempunyai jari-jari 3R agar radiasi yang dipancarkan oleh bola tersebut sama besar?

Jawab:

Diketahui:

R1 = R

R2 = 2R

T1 = T

e1 = e2 = e (Terbuat dari jenis yang sama)

σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)

Ditanya : Tentukanlah suhu bola kedua (T2) = .... ?

Rumus Radiasi Benda yang mempunyai suhu T

Agar radiasi kedua bola tersebut sama, maka

Ingat : Luas permukaan bola adalah

Substitusikan nilai-nilai yang dikenal serta nilai A1 serta A2 pada persamaan (1), maka diperoleh

Jadi, agar radiasi yang dipancarkan oleh bola tersebut sama besar maka suhu bola kedua ialah 0,577 T

Baca Juga : Contoh Soal Pembahasan Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada Dua Logam

3. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi

Sebuah benda memancarkan radiasi sebesar 600 Joule setiap menitnya. kalau dikenal luas permukaan benda tersebut ialah 10 cm^2 serta mempunyai suhu sebesar 527 °C. Tentukan emisivitas benda tersebut?

Jawab:

Diketahui:

P = 600 Joule/menit

A = 10 cm^2 = 10^(-3) m^2

T = 527 °C

σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)

Ditanya : Tentukan besar emisivitas benda tersebut (e) ?

Ingat : Suhu benda tersebut perlu dinyatakan dalam satuan Kelvin, maka diperoleh

T = (527 + 273) K = 800 K

Energi Radiasi yang dipancarkan tiap menitnya ialah 600 Joule. Karena 1 menit = 60 detik maka energi radiasi yang dipancarkan benda tersebut tiap menitnya adalah

Gunakan Rumus Radiasi benda yang mempunyai suhu T

Jadi, besar emisivitas benda tersebut ialah 0,43

4. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi

Jika sebuah bola mempunyai jari-jari 20 cm serta mempunyai suhu 227 °C kemudian bola tersebut diletakkan di sebuah ruangan yang suhunya 27 °C. Tentukan besar radiasi yang barangkali hilang tiap detiknya dari bola tersebut? (Asumsikan emisivitas bola tersebut ialah 1)

Jawab

Diketahui:

R = 20 cm = 0,2 m

T1 = 227 °C = (227 + 273) K = 500 K (Suhu Bola)

T2 = 27 °C = (27 + 273) K = 300 K (Suhu Lingkungan)

e = 1

σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)

Ditanya : Tentukan besar radiasi yang barangkali hilang tiap detiknya dari bola tersebut?

Setiap benda yang mempunyai suhu bakal memancarkan radiasi, jika suhu benda lebih tinggi dari suhu lingkungan maka benda bakal memancarkan radiasi yang lebih banyak serta menyerap energi radiasi lebih sedikit dari lingkungan. Misalkan radiasi yang dipancarkan oleh bola ialah P1 serta radiasi yang diserap oleh benda dari lingkungan ialah P2, maka besar radiasi yang hilang tiap detiknya adalah

Jadi, besar radiasi yang barangkali hilang tiap detiknya dari bola tersebut ialah 1550,43 J/s

5. Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi

Sebuah bola mempunyai emisivitas 0,4 serta suhu 300 K. Tentukan intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh bola tersebut (σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4))

Jawab :

Diketahui:

e = 0,4

T = 300 K

σ = 5,67 . 10^(-8) W m^(-2) K^(-4)

Ditanya : Tentukan intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh bola tersebut?

Gunakan Rumus Intensitas Radiasi (I)

Jadi , intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh bola tersebut ialah 459,27 W/m^2

Untuk Soal Selanjutnya Klik Next

Selamat Belajar

Itulah artikel tentang Contoh Soal Perpindahan Kalor Lengkap dengan Pembahasan Serta Konsep. semoga artikel ini bisa bermanfaat buat kita semua. terimakasih telah berkunjung, jika Ente suka dengan artikel ini silahkan klik like serta share artikel ini bila perlu. kalau Ente enggak mau ketinggalan updatetan artikel terbaru silahkan Follow blog ini serta selamat belajar.

Bagikan Artikel ini