Mekanisme Transfer Energi dalam Proses Thermal

Dalam Bab 8, kita memperkenalkan pendekatan global untuk analisis energi dari proses fisik melalui Persamaan 8.1, ∆E_system=∑ T, di mana T merupakan transfer energi, yang dapat terjadi melalui beberapa mekanisme. Sebelumnya dalam bab ini, kita membahas dua istilah di sisi kanan dari persamaan ini, Usaha W dan kalor Q. Pada bagian ini, kita mengeksplorasi rincian lebih lanjut tentang kalor sebagai sarana transfer energi dan dua metode transfer energi lainnya yang sering berhubungan dengan perubahan suhu: konveksi (suatu bentuk perpindahan materi T_MT) dan radiasi elektromagnetik T_ER.

Konduksi termal

Proses transfer energi oleh kalor (Q dalam Pers. 8.2) juga dapat disebut konduksiatau konduksi termal. Dalam proses ini, transfer dapat diwakili pada skala atom sebagai pertukaran energi kinetik antara partikel mikroskopis-molekul, atom, dan elektron bebasdi mana partikel kurang energik mendapatkan energi dalam tumbukan dengan partikel yang lebih energik. Misalnya, jika Anda memegang salah satu ujung batang logam panjang dan masukkan ujung lainnya ke api, Anda akan menemukan bahwa suhu logam di tangan Anda segera meningkat. Energi yang mencapai tangan Anda dengan cara konduksi. Awalnya, sebelum batang dimasukkan ke api, partikel mikroskopis dalam logam bergetar di sekitar posisi keseimbangannya. Ketika api meningkatkan suhu batang, partikel dekat api mulai bergetar dengan amplitudo yang lebih besar dan terusmembesar. Partikel-partikel ini, pada gilirannya, bertabrakan dengan tetangganya dan mentransfer sebagian energinya dalam tumbukan. Perlahan-lahan, amplitudo getaran atom-atom logam dan elektron-elektron jauh dan jauh dari peningkatan api sampai akhirnya atom dan elektron berada pada logam di dekat tangan Anda yang terpengaruh. Peningkatan Getaran ini terdeteksi oleh peningkatan suhu logam dan tangan Anda berpotensi terbakar.

Tingkat konduksi termal tergantung pada sifat bahan yang dipanaskan. Sebagai contoh, adalah mungkin untuk memegang sepotong asbes dalam nyala api tanpa batas, yang menyiratkan bahwa sangat sedikit energi yangdikonduksikan melalui asbes. Secara umum, logam merupakan konduktor termal yang baik dan bahan-bahan seperti asbes, gabus, kertas, dan fiberglass adalah konduktor yang buruk. Gas juga adalah konduktor yang buruk karena jarak pemisah antara partikel begitu besar. Logam merupakan konduktor termal yang baik karena mengandung sejumlah besar elektron yang relatif bebas bergerak melalui logam sehingga dapat mengangkut energi dalam jarak yang panjang. Oleh karena itu, dalam konduktor yang baik seperti tembaga, konduksi terjadi melalui kedua getaran atom dan gerakan elektron bebas.

 

Konduksi hanya terjadi jika ada perbedaan suhu antara dua bagian dari media konduksi. Pertimbangkan lempengan bahan dengan ketebalan ∆x dan luas penampangmelintang A. Satu sisi slab adalah pada suhu Tc, dan sisi lain berada pada temperatur Th > Tc (Gambar 20.11). Secara eksperimen, ditemukan bahwa energi Q mentransfer dalam interval waktu ∆t dari bagianyang panas ke bagian yang dingin. Tingkat P = Q/∆t di mana transfer energi terjadi ditemukan sebanding dengan luas permukaan dan perbedaan suhu ∆T = Th - Tc dan berbanding terbalik dengan ketebalannya:

P = Q/∆t  ∞  A (∆T/∆t)

 Perhatikan bahwa P memiliki satuan watt ketika Q dalam joule dan ∆t dalam detik. Itu tidak mengherankan karena P adalah Daya, laju perpindahan energi Kalor. Untuk lempengan sangat kecil ketebalan dx dan perbedaan temperatur dT, kita dapat menulis hukum konduksi termal:

                                                                                        (20.15)
dimana k konstanta proporsionalitas adalah konduktivitas termal dari material dan | dT/dx | adalah gradien suhu (tingkat di mana suhu berubahterhadap posisi).

Zat-zat yang merupakan konduktor termal yang baik memiliki nilai konduktivitas termal besar, sedangkan isolator termal yang baik memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah. Tabel 20.3 daftar konduktivitas termal untuk berbagai zat. Perhatikan bahwa logam umumnya merupakan konduktor termal lebih baik daripada non logam.

 

Misalkan, batang seragam panjang dengan panjang L secara termal terisolasi sehingga energi tidak bisa lepas oleh panas dari permukaan kecuali pada ujung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 20.12. Salah satu ujung berada dalam kontak termal dengan cadangan energi pada suhu Tc, dan ujung lainnya berada dalam kontak termal dengan reservoir pada suhu Th < Tc. Ketika keadaan stabil telah tercapai, suhu di setiap titik di sepanjang batang adalah konstan terhadap waktu. Dalam hal ini, jika kita asumsikan k bukan merupakan fungsi dari suhu, gradien suhu adalah sama di mana pun di sepanjang batang dan:

Oleh karena itu, laju perpindahan energi dengan konduksi melalui batang adalah:
                                                                                             (20.16)
Untuk slab senyawa yang mengandung beberapa bahan dari ketebalan L1, L2,. . . dan konduktivitas termal k1, k2,. . . , Laju perpindahan energi melalui slab di posisi mantap adalah:
                                                                                            (20.17)
di mana Th dan Tc adalah suhu permukaan luar (yang tetap konstan) dan penjumlahan merupakan seluruh lembaran. Contoh 20.8 menunjukkan bagaimana Persamaan 20.17 hasil dari pertimbangan dua ketebalan bahan (Serway, 583-585 : 2010).