Sifat Termal Satuan SI Satuan Amerika Satuan Kalori

10/6/2013

 Penentuan komposisi bahan pangan saat ini
sudah lebih akurat.


PENDAHULUAN

Pengaruhnya terhadap sifat termal ???
●

Penting dalam proses pindah panas bahan pangan,
misalnya pada pengeringan, pendinginan, pembekuan
dan pemanasan.

 Sifat-sifat termal bahan pangan dapat diketahui
hanya dengan mengetahui komposisi, suhu,
densitas dan/atau porositas produk

awalnya analisis didasarkan pada nilai konstanta sifat
termal yang seragam

 Bahan pangan sangat beragam dalam hal
komposisi dan karakteristik fisik.
 Misal : komposisi sayuran tergantung pada
varitas, iklim dll.

terlalu disederhanakan dan kurang akurat

 Saat ini produksi dan sistem proses produk
pangan sudah lebih seragam dari hari ke hari dan
musim ke musim  menggunakan data sifat
termal yang lebih teliti

Sifat termal bahan pangan meliputi :

Sifat termal lain yang secara alami terdapat pada bahan :
o Titik leleh/beku
o Panas laten



Panas jenis (Cp)



Enthalpy



Konduktivitas panas (k)



Difusivitas panas



Koefisien pindah panas

o Panas respirasi

Penting dalam
proses
pemanasan
dan
pendinginan

permukaan

o Panas adsorpsi
o Koefisien ekspansi panas
o Konstanta dielektrik
o Emisivitas
o Absorpsivitas (pindah panas radiasi)

Tabel 1. Satuan dan Konversi Sifat-Sifat Termal Bahan Pangan

A. Panas Jenis (Specific Heat) = Cp
•

Sifat Termal

Satuan SI

Kurang
begitu
penting
dalam
aplikasi
pindah panas

Satuan Amerika

Satuan Kalori
•

Panas Spesifik

1.00 kJ/kg.oC

=0.239 BTU/lboF

=0.239 Kal/goC

Entalpi

1.00 kJ/kg

=0.430 BTU/lb

=0.239 Kal/g

Konduktivitas
panas

1.00 W/m.oC

=0.578
BTU/jam.ft.oF

=0.860

kkal/m.jamoC

Difusivitas panas

1.00 m2/dt

10.76 ft2/dt

=1.00 m2/dt

Koefisien Pindah
panas
permukaan

1.00 W/m2.oC

=0.176
BTU/jam.ft2.oF

=0.860

kkal/m2.jam.oC

Densitas Massa

1000 kg/m3

=62.4 lb/ft3

=1000 kg/m3

•
•
•
•

adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu
sebesar 1oC atau 1oF
Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu bahan dengan
massa M dari T1 ke T2 =
Q = M Cp (T2-T1)

Cp tidak tergantung pada densitas bahan
Panas jenis air dalam keadaan cair : 1.00 BTU/lb
Panas jenis air dalam keadaan beku : 0.48 BTU/lb
Rumus :
1. Untuk bahan berkadar air tinggi, rumus cp di atas titik beku :
cp = 4.1868 (0.008 m + 0.2)
2. Untuk proses di bawah titik beku :
cp = 4.1868 (0.003 m + 0.2)
m = kadar air bahan (% basis basah)

1

10/6/2013

Tabel 1. Panas jenis beberapa jenis bahan
Jenis Bahan

Panas Jenis (kal/g/oC)

Kadar Air

(%)

Di atas titik beku

Di Bawah titik beku

B. Entalpi (h)
• adalah tingkat kandungan panas atau energi pada bahan.

• Sangat sulit untuk menentukan nilai absolutnya sehingga nilai entalpi
= 0 ditentukan pada suhu – 40oC, 0oC atau pada kisaran suhu lain.

Madu

17

0.35

0.26

• Lebih banyak digunakan untuk menghitung energi pada uap panas
daripada bahan pangan.

Es Krim

63

0.80

0.45

• Lebih sesuai untuk produk pangan beku karena pada produk pangan
beku sulit dibedakan antara panas laten dan panas sensibel.

Pisang

76

0.80

0.42

Tomat

94

0.95

0.48

• Jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu
benda dari suhu T1 ke T2 = M(h2-h1), dimana M = massa bahan, h 2
dan h1 = entalpi pada suhu T2 dan T1.

Bayam

91

0.94

0.48

Kurma
Daging segar

22

0.36

0.26

48-72

0.70-0.84

0.38-0.43

• Nilai Entalpi tergantung pada komposisi dan jumlah air yang tidak
beku pada bahan  sulit ditentukan.

Tabel 2. Konduktivitas Panas Beberapa Jenis Bahan
C. Konduktivitas Panas (k)
• adalah laju pindah panas (q) melalui permukaan bahan dengan luas A
jika pada benda tersebut diberikan panas dengan perbedaan suhu
sebesar T1-T2
qL
k=
A (T1-T2)
k = konduktivitas panas, A = luas permukaan, q = laju pindah panas
• merupakan kemampuan suatu bahan untuk mengalirkan panas.
• Pada bahan pangan konduktivitas panas tergantung pada komposisi
dan faktor-faktor yang mempengaruhi aliran panas ke bahan,
misalnya persentase ruang kosong, bentuk, ukuran dan pengaturan
ruang kosong, homogenitas dan orientasi serat pada daging beku.
• Penting dalam penyimpanan biji-bijian, proses pengolahan,
pendinginan.

D. Difusivitas Panas (
( )








Penting dalam proses pengeringan, destilasi dan absorbsi
Secara fisik berhubungan dengan kemampuan bahan untuk
mengalirkan panas dan kemampuannya disimpan pada suhu tinggi.
Menentukan kecepatan distribusi panas dalam bahan
Semakin besar  maka semakin cepat pembauran panas dalam
bahan
Rumus :
k
=

Dimana :
k = konduktivitas panas

 cp

= densitas

cp = panas jenis

Type Bahan
Bahan Konstruksi
Alumunium
Tembaga
Stainless Steel
Bahan Pangan
Olive oil
Whole milk
Freeze-dried foods
Frozen beef
Apple Juice
Orange
Green Beans
Cauliflower
Telur
Es
Air
Bahan Pengemas
Gelas
Polietilen

Konduktivitas Panas (Wm -1K-1)

Suhu Pengukuran (oC)

220
388
21

0
0.
20

0.17
0.56
0.01-0.04
1.30
0.56
0.41
0.80
0.80
0.96
2.25
0.57

20
20
0
-10
20
0 - 15
-12.1
-6.6
-8
0
0

0.52
0.55

20
20

E. Koefisien Pindah Panas Permukaan
• Pada dasarnya bukan merupakan sifat bahan pangan atau benda
lain.
• Digunakan untuk menghitung laju panas konveksi dari/ ke
permukaan objek.
• Diperlukan untuk menghitung pindah panas pada proses pemanasan
dan pendinginan
• Defenisi berdasarkan hukum Newton tentang pendinginan :
“ konstanta yang berhubungan dengan heat flux ke/dari sebuah
permukaan karena perbedaan suhu antara permukaan dan dan
aliran fluida yang melewati permukaan”
• Nilainya tergantung pada kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fluida,
tekstur dan bentuk permukaan serta perbedaan suhu.

Elisa Julianti - THP - FP USU

2

10/6/2013

SIFAT-SIFAT THERMAL LAIN

SIFAT-SIFAT THERMAL LAIN ……….

 Panas Laten (Latent Heat)
 adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah
keadaan suatu bahan tanpa merubah suhunya.
 Panas Sensibel (Sensible Heat)
 adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah
suhu suatu bahan

Emisivitas Panas
 Nisbah antara daya emisi dari suatu benda terhadap
daya emisi suatu benda hitam.
 Berhubungan erat dengan laju pindah panas radiasi dari
bahan ke sekelilingnya.
Q = A Fe Fa  (T14-T24)
Fe = faktor emisi (-)
Fa = faktor sudut penglihatan (-)
 = kosntanta Stefan-Boltzman, 5.6699x10-12 W/cm 2K4
T1 = suhu permukaan bahan ( oK)
T2 = suhu sekeliling bahan ( oK)

Elisa Julianti - THP - FP USU

Elisa Julianti - THP - FP USU

PENGUKURAN SIFAT-SIFAT TERMAL
BAHAN PANGAN
• Banyak metode yang dapat digunakan untuk penentuan sifat termal
• Hal yang perlu dipertimbangkan adalah ketelitian dan ketepatan
angka yang diperoleh.
• Karena variasi sifat-sifat bahan pangan seperti komposisi, ukuran
dan bentuk maka tingkat ketelitian yang lebih besar dari ±2-5%
masih dapat diterima.
• Untuk perhitungan pindah panas pada pemanasan/pendinginan
bahan pangan secara komersial, ketelitian > 2-5% jarang digunakan
karena kesalahan dalam penentuan kondisi seperti suhu dan
kecepatan aliran udara biasanya disebabkan karena ketidak telitian
dalam penentuan sifat termal.

• Diukur dengan menggunakan :
- Kalorimeter
- Differential Scanning Calorimeter (DSC)
Kalorimeter
• Kalorimeter terdiri dari botol (thermos) vakum yang sederhana, alat
pengaduk dan termometer.
• Cara pengukuran :
 Sumber panas ditempatkan pada kalorimeter
 Air diaduk hingga tercapai keseimbangan
 Peningkatan suhu dibaca melalui termometer.
 Kapasitas panas dari kalorimeter telah diketahui sebelumnya atau
dapat diukur dengan menggunakan sumber panas standard.
• Idealnya : keseimbangan energi merupakan hal yang sangat sederhana
• Kenyataannya : panas yang masuk dan yang hilang dari botol vakum
karena kontak dengan bahan/contoh (atau air) sulit untuk dikuantifikasi

Elisa Julianti - THP - FP USU



DSC :


Bomb Calorimeter

Mudah mengukur dan mengamati kisaran suhu yang luas
sehingga dapat digunakan untuk menentukan pengaruh suhu
terhadap panas jenis bahan pangan
 Kelemahannya :
1.
Mahal
2.
Merupakan alat yang komparatif sehingga harus dikalibrasi
3.
Memerlukan ukuran sampel yang kecil (5(5-15 mg) sehingga
sulit mendapatkan sampel yang homogen dan mewakili
sampel
4.
Cenderung menimbulkan “error”, misalnya sering
menghasilkan data yang salah atau tidak menghasilkan
data sama sekali tanpa sebab yang jelas

3

10/6/2013



DSC……………….


Aplikasi DSC :





DSC 200 F3 Maia® - Differential Scanning Calorimeter

DSC 204 HP Phoenix® - High-pressure DSC











Melting Points/profiles
Glass Transition (softening point)
Thermal History/processing condition
Crystallization temperature, rates, time
Percent crystallinity
Additive (plastisizers, etc)
Polymer blends
Specific heat caapcity
Degree of cure
ASTM Methods
Thermal safety/stability studies
Protein denaturation
Polymorphic transition

DSC 404 C Pegasus® High-Temperature DSC

DTA 404 PC Ёos – Differential Thermal Analyzer

Elisa Julianti - THP - FP USU

Elisa Julianti - THP - FP USU

B. Pengukuran Entalpi
• Pengukuran entalpi secara langsung sangat sedikit dilakukan
• Heldman and Gorby (1975) mengembangkan teknik pendugaan jumlah
air yang tidak dibekukan pada sampel bahan pangan.
• Untuk tujuan praktis maka dapat digunakan DSC untuk mengukur
entalpi produk pangan dengan pengamatan pada kisaran suhu -60oC
(dimana diharapkan semua air sudah membeku) – 1oC (semua air
sudah mencair).
•

Masalah dalam pengukuran entalpi :
 pengukurannya tergantung pada laju pembekuan sehingga
nilainya dapat berubah selama penyimpanan beku pada suhu yang
konstan tetapi banyaknya air yang tidak membeku berubah.
 Istilah konstan perlu ditegaskan karena suhu biasanya berfluktuasi
pada fasilitas penyimpanan beku secara komersial, sehingga
menyebabkan perubahan struktur kristal, difusi massa dan
persentase air yang tidak beku.

Elisa Julianti - THP - FP USU

C. Pengukuran Konduktivitas Panas
• Tergantung pada struktur atau pengaturan fisik sampel
(ruang kosong, nonhomegenitas kontak antar partikel
dll) dan komposisi kimia  lebih sulit dari panas jenis
• Teknik hot plate  baik untuk bahan non biologi tapi
tidak cocok untuk bahan pangan karena lamanya waktu
untuk mencapai keseimbangan suhu, adanya migrasi
uap air dari sampel dan memerlukan ukuran sampel
yang kecil.
• Aplikasi pada bahan pangan menggunakan rangkaian
sumber panas dan “probe” untuk konduktivitas panas 
Metode Transien

4

10/6/2013

Heater leads

3.9 cm
0.6 mm o.d.

termocouple

Gambar 1. Penampang melintang dari alat pengukur konduktivitas panas

Cara pemakaian alat :
o Alat dimasukkan ke dalam sampel dengan suhu awal yang
seragam
o Probe dipanaskan dengan laju pemanasan yang konstan dan
suhunya diamati
o Setelah periode waktu tertentu, dibuat plot antara ln t Vs ln T (t=
waktu, T=suhu), dan diperoleh slope = Q/4k
o Konduktivitas panas dapat dihitung dengan rumus :
ln[t2-to)/(t1-to)]
k=Q
4(T2-T1)
dimana : k = konduktivitas panas [W/(m. oC)
Q = tenaga yang dihasilkan oleh pemanas probe (W/m)
to = faktor koreksi waktu (detik)
T1 dan T2= suhu termokopel (oC) pada waktu t1 dan t2
(dtk)

E. Pengukuran Koefisien Pindah Panas Permukaan
• Cara pengukurannya berbeda dengan sifat-sifat termal lain, karena
koef.pindah panas permukaan buka sifat alami bahan, tetapi
merupakan pengukuran pindah panas konveksi antara permukaan
dan medium pemanas.
• Hukum Newton tentang pendinginan menggambarkan pindah panas
konveksi dapat digunakan untuk menunjukkan koefisien pindah
panas permukaan :
Pindah panas permukaan sama dengan heat flux yang melalui
permukaan dibagi dengan perbedaan antara suhu permukaan dan
suhu media pemanasan.
• Secara praktis heat flux dan suhu permukaan sulit diukur tanpa
mengganggu pindah panas.
• Pindah panas konveksi berhubungan dengan pindah massa pada
bahan dengan kadar air tinggi  pengukurannya lebih kompleks

Dari Gambar 1 :
- Gagang probe berupa thermocouple komersial
- Jarum probe mempunyai o.d. 0.66 mm dan tekanan 23
gauge
- Pemanas berupa konstantan berdiameter dalam 0.077
mm dan diinsulasi dengan selonsong plastik spagheti
- Pada tabung juga terdapat termokopel konstantan yang
dilapisi dengan chrom dengan diameter 0.051 mm
(termokopel terletak di tengah-tengah antara gagang
dan jarum probe)
- Jarum, termokopel dan pemanas diinsulasi dari listrik
dengan menggunakan tabung plastik.

D. Pengukuran Difusivitas Panas
• Metode pengukuran yang sudah dikembangkan :
1. Teknik pemanasan singkat (Dickerson, 1965)
2. Menggunakan probe yang dihubungkan dengan sumber panas
dan termokopel (Choi and Okos, 1983)
3. Teknik pemanasan singkat dengan menggunakan komputer
(Gaffney et al., 1980)
• Metode Dickerson sangat kreatif, tapi memerlukan waktu dan
sampel yang besar
• Metode Choi and Okos baik untuk sampel cair
• Metode Gaffney merupakan metode yang terbaik tapi kondisi suhu
dan jarak harus benar-benar terkontrol.

MODEL-MODEL YANG DIGUNAKAN DALAM PENDUGAAN SIFAT
TERMAL BAHAN PANGAN
A. Model Pendugaan Panas Jenis
Tabel 2. Model sederhana pendugaan panas jenis bahan pangan (kJ/kg oC)
No.

Model

Referensi

Suhu di atas titik beku
1
2
3
4
5
6
7
8

Cp =
Cp =
Cp =
Cp =
Cp =
Cp =
Cp =
Cp =

0.837 +
1.200 +
1.256 +
1.381 +
1.382 +
1.400 +
1.470 +
1.672 +

3.349 W
2.990 W
2.931 W
2.930 W
2.805 W
3.220 W
2.720 W
2.508 W

9

Suhu di bawah titik beku
Cp = 0.837 + 1.256 W

Siebel (1982)
Backstrom and Emblik (1965)
Comini et al., (1974)
Fikiin (1974)
Domininguez et al., (1974)
Sharma and Thompson (1973)
Lamb (1976)
Riedel (1956)
Siebel (1982)

5

10/6/2013

• Model-model lain :
- Leninger and Beverloo (1975) :
Cp = (0.5 Xf + 0.3 Xs+ Xw) 4.180
- Heldman and Singh (1981) :
Cp = 1.424 Xc + 1.549 Xp + 1.675 Xf + 0.837 Xa + 4.187 Xw
- Choi and Okos (1983) :
Cp = 4.180 Xw + 1.711 Xp + 1.9218 Xf + 1.547 Xc + 0.908 Xa
subskrip f = lemak, s = padatan, w = air, c = karbohidrat,
p = protein, a = abu.
• Model lain yang menghubungkannya dengan suhu adalah model
Fernandez-Martin and Montes (1972 ) :
Cp = 4.190Xw + [(1.370+0.0113T)(1-Xw)]
T = suhu (oC)
 digunakan untuk susu pada suhu di atas titik bekunya.

C. Model Konduktivitas Panas
Tabel 3. Model sederhana penentuan konduktivitas panas(W/m. oC)
No.

Model

B. Model Entalpi
 Data entalpi diperlukan untuk bahan pangan beku dengan suhu
di bawah 0oC.
 Data entalpi dapat dilihat pada tabel-tabel entalpi bahan, dan
jika tidak terdapat maka entalpinya dilihat dari bahan dengan
komposisi yang mirip dengan bahan yang diuji terutama kadar
airnya. Jika tidak memungkinkan juga, maka entalpi dapat
diduga dari perbedaan 2 suhu :
h = MCp(T2-T1) +MXwL
M
Xw
L
Cp
T2-T1

= massa produk
= fraksi air
= panas laten air
= panas jenis produk
= perbedaan suhu

• Model lain untuk penentuan konduktivitas panas bahan pangan
dengan komposisi yang kompleks :

Referensi

1

k = 0.46 (untuk daging)

Sweat (1975)

2

k = 0.50 (untuk daging)

Backstrom and Emblik (1965)

3

k = 0.18 (untuk lemak)

Backstrom and Emblik (1965)

4

k = 0.26 + 0.34 W

Backstrom and Emblik (1965)

5

k = 0.056 + 0.567 W

Bowman (1970)

6

k = 0.081 + 0.568 W

Bowman (1970)

7

k = 0.564 + 0.0858W (untuk sorgum)

Sharma and Thompson (1973)

8

k = 0.140 + 0.42 W (untuk juice buah)

Kolarov and Gromov (1973)

9

k = 0.26 + 0.33 W

Comini et al., (1974)

10

k = 0.148+0.493W (untuk buah &sayur)

Sweat (1974)

11

k = 0.0324+0.329W (untuk ikan)

Annama and Rao (1974)

12

k = 0.096+0.34W (untuk daging giling)

Sorenfors (1974)

13

k = 0.080 + 0.52W (untuk daging&ikan)

Sweat (1975)

- Dominguez et al., (1974) :
k = 0.60Xw + 0.20Xp+ 0.245Xc + 0.18Xf
- Choi and Okos (1983) :
k = 0.61Xw + 0.20Xp + 0.205Xc + 0.175Xf + 0.135Xa
- Sweat (1994) :
k = 0.58Xw + 0.155Xp + 0.25Xc + 0.16Xf + 0.135Xa

W = kadar air (bentuk desimal)

6