122
Fisika SMAMA X
Gambar 4.7. Hantaran kalor pada batang penghantar Tipler, 1991.
Jika arus termal diketahui maka beda suhu T dapat diperoleh
dari persamaan 4.12 yaitu:
.... 4.13
dengan R adalah resistensi termal yang sama dengan dalam satuan kelvin.sekon per joule K.sJ.
Nilai-nilai konduktivitas termal beberapa bahan ditunjukkan pada tabel 4.5.
A x
T
Tabel 4.5. Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Tipler, 1991
Bahan Udara 27
o
C Es
Air 27
o
C Aluminium
Tembaga Emas
Besi Timah
Perak Baja
Kayu Ek Oak Cemara Putih
Beton Gelas
k Wm.K 0,026
0,592 0,609
273 401
318
80,4 353
429 46
0,15 0,11
0,19-1.3 07-0,0,9
123
Fisika SMAMA X
Suatu ketel pemanas air mempunyai luas 400 cm
2
tebal 0,5 cm. Perbedaan antara permukaan yang kena api langsung dan permukaan dalam yang
bersentuhan dengan air adalah 10
o
C. Apabila kalor dirambatkan sebesar 10 J tiap sekonnya maka hitunglah nilai konduktivitas bahan tersebut.
Penyelesaian: Diketahui:
x = 0,5 cm = 5 x 10
-3
m A = 400 cm
2
= 0,04 m
2
T = 10
o
C I
= 10 Js Ditanyakan: Konduktivitas bahan k = ....?
Contoh Soal
Suatu pelat besi mempunyai tebal 2 cm dan luas permukaan 5000 cm
2
. Salah satu permukaannya bersuhu 120
o
C sedang permukaan yang lain bersuhu 100
o
C. Besi mempunyai konduktivitas termal sebesar 80,4 Wm.K. hitunglah jumlah kalor yang melalui pelat besi tersebut tiap sekonnya.
Penyelesaian: Diketahui:
k = 80,4 Wm.K
x = 2 cm = 2 uuuuu 10
-2
m A
= 5000 cm
2
= 0,5 m
2
T = 120 – 100
o
C = 20
o
C perubahan suhu untuk skala Kelvin = skala Celcius.
Ditanyakan: Arus termal I = ...? Jawab:
Arus termal dapat dihitung dengan menggunakan rumus pada persamaan 4.12 yaitu:
I = =
Contoh Soal
124
Fisika SMAMA X
Jawab: Konduktivitas bahan dapat dihitung dengan mengubah rumus pada
persamaan 4.12 yaitu:
k = 0,005 Wm.
o
C = 0,005 Wm.K
Gambar 4.8. Pemanasan air untuk menggambarkan
perpindahan kalor secara konveksi.
2. Perpindahan Kalor secara Konveksi
Pada Gambar 4.8 ditunjukkan suatu contoh perpindahan kalor secara
konveksi. Apabila air yang berada dalam suatu gelas dipanaskan maka partikel-
partikel air pada dasar gelas menerima kalor lebih dulu sehingga menjadi panas
dan suhunya naik. Partikel yang suhunya tinggi akan bergerak ke atas
karena massa jenisnya lebih kecil di- bandingkan dengan massa jenis partikel
yang suhunya lebih rendah, sedang partikel yang suhunya rendah akan
turun dan mengisi tempat yang di- tinggalkan oleh air panas yang naik
tersebut.
Partikel air yang turun akan menerima kalor dan menjadi panas. Demikian seterusnya akan terjadi perpindahan kalor.
Perpindahan kalor yang demikian inilah yang disebut perpindahan kalor secara konveksi. Konveksi dapat
didefinisikan sebagai berikut:
Konsep
Konveksi adalah proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat tersebut.
125
Fisika SMAMA X
Perpindahan kalor secara konveksi terdiri dari perpindahan secara konveksi alami dan konveksi paksa.
a. Perpindahan kalor secara konveksi alami adalah proses
perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat tersebut akibat
perbedaan massa jenis. Contoh dari perpindahan kalor secara konveksi alami ada-
lah pemanasan air seperti ditunjukkan pada Gambar 4.8.
b. Perpindahan kalor secara konveksi
paksa adalah proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai
dengan perpindahan partikel- partikel zat tersebut akibat dari suatu
paksaan terhadap partikel bersuhu tinggi tersebut.
Contoh dari perpindahan kalor secara konveksi paksa adalah sistem pen-
dinginan mesin mobil ditunjukkan pada Gambar 4.9
. Laju kalor konveksi sebanding
dengan luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida A, dan beda suhu antara benda
dan fluida T yang dapat ditulis dalam bentuk:
.... 4.13
dengan: I
= laju kalor konveksi, dalam satuan watt atau W = Js, Q = jumlah kalor yang dipindahkan dalam satuan joule
J, t = waktu terjadi aliran kalor, dalam satuan sekon s,
T = beda suhu antara benda dan fluida, dalam satuan
o
C atau K,
h = koefisien konveksi, dalam satuan Wm
-2
K
-1
atau Wm
-2 o
C
-1
. A
= luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida.
Gambar 4. 9. Pendinginan mesin mobil untuk meng-
gambarkan perpindahan kalor secara konveksi paksa.
126
Fisika SMAMA X
Contoh Soal
Suatu panci pemanas air terbuat dari bahan tertentu mempunyai luas permukaan yang bersentuhan dengan air 200 cm
2
. Jika suhu bahan tersebut 90
o
C dan suhu air 80
o
C dan menghasilkan jumlah kalor yang dipindahkan secara konveksi per sekonnya sebesar 0,8 Js maka hitunglah besar nilai
koefisien konveksi bahan tersebut di atas. Penyelesaian:
Diketahui: A = 200 cm
2 =
0,02 m
2
T = 90
o
C – 80
o
C = 10
o
C I
= 0,8 Js = 0,8 W Ditanyakan: h = ... ?
Jawab: Koefisien konveksi suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan 4.13 yaitu: Persamaan 4.13 dapat diubah menjadi:
sehingga besar nilai koefisien konveksi bahan tersebut di atas:
Contoh Soal
Suatu radiator pendingin mobil mempunyai luas yang bersinggungan dengan air adalah 500 cm
2
. Beda suhu antara bahan radiator dan air panas adalah 20
o
C. Jika bahan radiator adalah bahan logam tertentu yang mempunyai koefisien konveksi h = 8 Wm
-2 o
C
-1
maka hitunglah laju perpindahan kalor pada sistem radiator ini.
Penyelesaian : Diketahui:
A = 500 cm
2 =
0,05 m
2
T = 20
o
C h
= 8 Wm
-2 o
C
-1
Ditanyakan: laju perpindahan kalor I = ...?
