Perpindahan panas adalah salah satu kekuatan fisik utama yang mendorong semua reaksi di planet ini. Diatur oleh hukum termodinamika, perpindahan kalor memungkinkan energi untuk digunakan dan diterapkan pada daya sistem sehari-hari yang tak terhitung jumlahnya.

Mekanisme perpindahan panas dijelaskan oleh hukum pertama termodinamika. Hukum perpindahan kalor menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, hanya ditransfer antar sistem.

Tidak dapat dihindari, ketika energi ditransfer antara dua sistem, beberapa hilang ke lingkungan sekitarnya. Energi yang hilang ini terjadi dalam bentuk panas dan juga dapat disebut sebagai energi termal. Energi panas yang terkandung dalam suatu sistem bertanggung jawab atas suhu lingkungan.

Metode Perpindahan Panas

Ada tiga metode yang memfasilitasi perpindahan panas. Metode-metode ini dikenal sebagai konduksi, konveksi dan radiasi.

Radiasi mentransfer panas menggunakan gelombang elektromagnetik dan tidak melibatkan interaksi apa pun antara materi. Kalor yang berasal dari matahari adalah contoh radiasi.

Konveksi terjadi dalam cairan dan gas dan menggambarkan pergerakan panas dari satu lokasi ke lokasi lain yang difasilitasi oleh pergerakan cairan. Saat dipanaskan, cairan mengembang dan menjadi kurang padat.

Fluida panas naik dan memindahkan fluida dingin yang terletak di atasnya mendorongnya ke bawah menuju sumber panas. Fluida dingin ini akan menjadi panas dan naik ke atas menciptakan aliran fluida yang konstan dari area dengan panas tinggi ke panas rendah.

Konveksi menjelaskan bagaimana radiator alas tiang dapat memanaskan seluruh ruangan. Udara panas yang dihasilkan dari radiator mengalir dengan cepat ke atas mendorong udara dingin ke arah pemanas di lantai menciptakan aliran udara yang konstan.

Perpindahan kalor dengan konduksi melibatkan perpindahan panas antara dua bahan melalui kontak permukaan. Tidak ada pertukaran antara bahan, hanya energi. Jenis perpindahan kalor konduksi ini terjadi pada bahan padat dan disebabkan oleh getaran partikel.

Ketika terkena aliran energi, partikel-partikel dalam padatan mulai bergoyang, berputar, dan bergetar menciptakan energi kinetik. Contoh konduksi adalah proses memanaskan panci di atas kompor. Panas dari kompor langsung ditransfer ke permukaan panci. Temperatur adalah ukuran jumlah energi kinetik yang diproses oleh partikel-partikel dalam sampel materi. Semakin banyak energi kinetik suatu bahan, semakin tinggi suhu internalnya.

Perpindahan Kalor dalam Logam

Materi dengan energi kinetik yang tinggi juga akan memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Konduktivitas termal menjelaskan seberapa efisien suatu bahan dapat melewatkan panas melaluinya. Ini didefinisikan oleh laju aliran energi per satuan luas bila dibandingkan dengan gradien suhu. Sebagian besar nilai konduktivitas dinyatakan dalam Watt per meter per derajat Kelvin W / m • K.

Konduktivitas termal menjelaskan mengapa berjalan kaki tanpa alas di lantai ubin yang dingin terasa jauh lebih sejuk daripada berjalan di atas karpet meskipun keduanya berada pada suhu kamar. Ubin dan batu memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada karpet dan kain sehingga mereka dapat memindahkan kalor dari kaki dengan kecepatan yang jauh lebih cepat sehingga ubin tampak dingin saat disentuh.

Logam adalah contoh dari bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi yang dapat dengan cepat mentransfer kalor. Struktur internal molekul logam mengandung elektron bebas yang dapat bergerak bebas melalui sebagian besar bahan. Elektron bebas ini bertabrakan dengan cepat dengan partikel lain yang menyebabkan struktur internal logam bergetar lebih cepat dan memanas lebih cepat. Getaran cepat ini meningkatkan aliran energi dan panas ke seluruh logam.

Logam seperti tembaga, aluminium, dan perak sering digunakan untuk membuat peralatan dan alat termal. Pipa tembaga adalah kabel yang sangat populer digunakan di dalam rumah untuk mentransfer energi dan panas dengan cepat dari satu area ke area lain.

Aluminium memiliki sifat termal yang sangat mirip dengan tembaga dan sering digunakan sebagai pengganti yang hemat biaya untuk melakukan fungsi yang sama. Perak adalah salah satu logam yang paling banyak digunakan untuk aplikasi termal.

Perpindahan panas dalam non-logam

Bahan non-logam bergantung pada fonon untuk mentransfer panas sepanjang gradien dari area dingin ke area hangat. Plastik, busa dan kayu adalah contoh material dengan nilai konduktivitas termal yang buruk. Bahan-bahan ini dikenal sebagai isolator dan dapat membatasi aliran panas.

Insulator memiliki banyak aplikasi yang sangat berguna yang dapat melindungi energi dari kehilangan lingkungan. Busa adalah bahan isolasi rumah dan bangunan yang sangat berguna. Lebih dari 50% energi rumah tangga digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan rumah.

Menggunakan bahan dengan konduktif termal tinggi untuk mengisolasi rumah secara substansial dapat menurunkan jumlah energi yang dibutuhkan untuk memanaskan atau mendinginkan bangunan. Harga energi terus meningkat secara global sehingga ideal untuk menghemat daya dan panas sebanyak mungkin untuk menurunkan tagihan listrik.

Apa itu Konduksi?

Panas adalah bentuk energi yang menarik. Tidak hanya mempertahankan kehidupan, membuat kita nyaman dan membantu kita menyiapkan makanan kita, tetapi memahami sifat-sifatnya adalah kunci bagi banyak bidang penelitian ilmiah. Sebagai contoh, mengetahui bagaimana kalor ditransfer dan sejauh mana bahan yang berbeda dapat bertukar energi termal mengatur segalanya mulai dari membangun pemanas dan memahami perubahan musim hingga mengirim kapal ke luar angkasa.

Panas hanya dapat ditransfer melalui tiga cara: konduksi, konveksi dan radiasi. Dari semua ini, konduksi mungkin yang paling umum, dan terjadi secara teratur di alam. Singkatnya, konduksi adalah perpindahan panas melalui kontak fisik. Konduksi terjadi ketika Anda menekan tangan Anda ke panel jendela, ketika Anda meletakkan panci air pada elemen aktif, dan ketika Anda meletakkan setrika di api.

Transfer konduksi terjadi pada tingkat molekuler – dari satu tubuh ke tubuh lain – ketika energi panas diserap oleh suatu permukaan dan menyebabkan molekul permukaan itu bergerak lebih cepat. Dalam proses konduksi, mereka bertemu dengan tetangga mereka dan mentransfer energi kepada mereka, sebuah proses yang terus berlanjut selama panas masih ditambahkan.

Konduksi panas terjadi melalui bahan apa pun, yang diwakili di sini oleh batang persegi panjang. Suhu bahan adalah T2 di sebelah kiri dan T1 di sebelah kanan, di mana T2 lebih besar dari T1. Laju perpindahan panas dengan konduksi berbanding lurus dengan luas permukaan A, perbedaan suhu T2? T1, dan konduktivitas zat k. Laju perpindahan kalor berbanding terbalik dengan ketebalan d.

Konduksi kalor terjadi melalui bahan apa pun, yang diwakili di sini oleh batang persegi panjang. Kecepatan transfer tergantung sebagian pada ketebalan material.

Contoh Konduksi kalor
Contoh Konduksi kalor

Proses konduksi panas tergantung pada empat faktor dasar: gradien suhu, potongan melintang bahan yang terlibat, panjang lintasannya, dan sifat-sifat bahan tersebut.

Gradien suhu adalah besaran fisik yang menggambarkan ke arah mana dan berapa laju perubahan suhu di lokasi tertentu. Suhu selalu mengalir dari sumber terpanas ke terdingin, karena fakta bahwa dingin tidak lain adalah tidak adanya energi panas. Pemindahan antar benda ini berlanjut sampai perbedaan suhu meluruh, dan keadaan yang dikenal sebagai kesetimbangan termal terjadi.

Penampang dan panjang lintasan juga merupakan faktor penting. Semakin besar ukuran material yang terlibat dalam transfer, semakin banyak panas yang dibutuhkan untuk menghangatkannya. Juga, semakin banyak luas permukaan yang terpapar ke udara terbuka, semakin besar kemungkinan hilangnya panas. Jadi objek yang lebih pendek dengan penampang yang lebih kecil adalah cara terbaik untuk meminimalkan hilangnya energi panas.

Terakhir, tetapi tentu tidak sedikit, adalah sifat fisik bahan yang terlibat. Pada dasarnya, ketika melakukan pemanasan, tidak semua zat diciptakan sama. Logam dan batu dianggap sebagai konduktor yang baik karena dapat dengan cepat mentransfer panas, sedangkan material seperti kayu, kertas, udara, dan kain merupakan konduktor panas yang buruk.

Konduksi

 

Contoh Konduksi

Dalam kehidupan sehari-hari banyak contoh konduksi seperti di bawah ini:

Konduksi Dari kopi panas ke cangkir yang berisi itu

Cairan panas memindahkan kalor secara konduksi ke wadah yang berisi mereka, menyebabkan yang terakhir agak panas. Misalnya, jika Anda menuangkan kopi panas ke dalam cangkir, itu akan menjadi hangat cangkirnya.

Konduksi Dari cangkir panas ke tangan kita

Ketika suasana dingin, orang-orang minum minuman panas untuk menghangatkan. Jika wadah minuman dipegang cukup lama, tangan orang yang memegangnya akan menjadi sedikit lebih hangat hasil dari konduksi.

Konduksi Dari pantai ke kaki kita

Sedimen di pantai menyerap panas dari matahari dan panas ini ditransfer ke kaki kita melalui konduksi jika kita berjalan tanpa alas kaki di atas pasir.

Konduksi dari Kompres panas ke otot

Kompres (kantung air panas) digunakan untuk mengendurkan otot. Kalor dipindahkan melalui konduksi dari kompres ke kulit dan dari sana ke otot-otot.

Konduksi Dari api ke penjepit logam

Saat membuat barbekyu, instrumen yang digunakan untuk memutar daging terbuat dari logam. Ketika tang ini bersentuhan dengan rotisseries, perpindahan kalor secara konduksi dimulai. Jika penjepit tetap berhubungan dengan sumber panas untuk waktu yang lama, kulit orang yang memegangnya bisa terluka.

Konduksi Dari radiator ke tangan

Radiator bertanggung jawab untuk menghasilkan kalor untuk memanaskan rumah secara konduksi. Karena alasan ini, permukaan perangkat ini biasanya panas. Jika Anda meletakkan tangan Anda di radiator, itu akan mentransfer kalor dan bahkan mungkin kita merasa sakit jika panasnya berlebihan.

Konduksi Dari tangan ke es batu

Jika es batu diletakkan di tangan seseorang, kalor akan berpindah secara konduksi dari kulit ke balok, menyebabkan es mencair.

Konduksi Dari mesin mobil ke kap mesin

Ketika mesin mobil dinyalakan, kap mesin dipanaskan karena perpindahan kalor secara konduksi yang dihasilkan oleh operasi mesin.

Konduksi Dari setrika ke baju

Setrika dipanaskan untuk menghilangkan kerutan pada pakaian. Ketika setrika menyentuh kain, ia mulai memindahkan kalor secara konduksi.

Konduksi Dari api cerobong ke poker

Poker yang digunakan untuk memindahkan potongan kayu di cerobong terbuat dari logam, yang merupakan konduktor kalor yang baik. Jika poker dibiarkan berhubungan dengan sumber panas di perapian, kalor akan ditransfer secara konduksi dari itu ke poker. Jika poker tetap berhubungan dengan api cukup lama, panas akan dihantarkan sepanjang alat logam ini.

Konduksi Dari satu tangan ke satu koin

Koin memiliki kecenderungan untuk menjadi dingin, atau setidaknya lebih dingin daripada kulit manusia. Jika sebuah koin dipegang di tangan, kalor akan berpindah secara konduksi dari kulit ke koin, menyebabkannya menjadi hangat.

Konduksi Dari satu orang ke orang lain

Pada hari yang dingin, orang bisa berdekatan untuk menjaga panas di antara mereka. Kalor dipindahkan melalui konduksi dari individu dengan suhu lebih tinggi ke individu dengan suhu lebih rendah.

Konduksi Dari makanan panas ke hidangan yang berisi itu

Makanan panas mendorong kalor secara konduksi ke arah piring  (jika itu adalah bahan konduktif seperti keramik).

Konduksi Dari tangan ke sepotong cokelat

Jika kita memegang sepotong cokelat untuk waktu yang lama, itu akan meleleh dari kalor  yang ditransfer secara konduksi dari tangan ke sana.

Konduksi Dari nyala api ke kulit kita

Jika kita memiliki kulit tanpa kaos menyentuh nyala api (lilin, dapur, antara lain), kalor  akan berpindah dari api ke kulit kita melalui konduksi, menyebabkan kita terbakar.

Konduksi Dari batu ke kulit kita

Batu menyerap panas dari matahari. Jika kita menyentuh yang sudah lama terkena sinar matahari, kalornya akan berpindah secara konduksi ke kulit kita.

Konduksi Dari bola lampu ke kulit kita

Lampu tradisional memanas saat dihidupkan. Jika kita menyentuhnya, kalor akan berpindah secara konduksi dari lampu ke kulit kita, menyebabkan rasa terbakar.

Konduksi Dari minuman ke es

Ketika es ditambahkan ke minuman, kalor dipindahkan oleh konduksi dari minuman ke es yang menyebabkan es mencair.

Konduksi Dari sup ke satu sendok teh

Jika satu sendok teh dibiarkan di dalam piring dengan sup panas, kalor dipindahkan secara konduksi dari cairan ke logam.

Konduksi Dari api ke pot dan pot ke air

Saat kita merebus air, panasnya dialirkan dari nyala api ke panci berisi air. Dari sana, kalor dipindahkan secara konduksi ke air dan menyebabkannya mencapai titik didihnya.