Pemodelan matematika mengenai masalah konduksi panas - USD Repository

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

PEMODELAN MATEMATIKA MENGENAI MASALAH KONDUKSI
PANAS

Makalah
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Sains
Program studi matematika

Oleh
Erlika Priyati
093114009

PROGRAM STUDI MATEMATIKA
JURUSAN MATEMATIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
2014

i

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

MAKALAH

PEMODELAN MATEMATIKA MENGENAI
MASALAH KONDUKSI PANAS

Oleh:
Erlika Priyati

NIM: 093114009

Telah disetujui oleh:

Pembimbing

Lusia Krismiyati Budiasih, S.Si.,M.Si.

Tanggal 21 Juli 2014

ii

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

MAKALAH


PEMODELAN MATEMATIKA MENGENAI
MASALAH KONDUKSI PANAS
Dipersiapkan dan ditulis oleh:
Erlika Priyati
NIM: 093114009
Telah dipertahankan didepan Panitia Penguji
pada tanggal 24 Juli 2014
dan dinyatakan telah memenuhi syarat

Susunan Panitia Penguji
Nama Lengkap

Tanda Tangan

Ketua

Hartono,Ph.D.

………………


Sekretaris

Sudi Mungkasi,Ph.D.

………………

Anggota

Lusia Krismiyati Budiasih,S.Si., M.Si.

………………

Yogyakarta, 24 Juli 2014
Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma
Dekan,

(P.H. Prima Rosa, S.Si., M.Sc.)


iii

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

HALAMAN PERSEMBAHAN

Karya ini adalah tugu peringatan akan kesetiaan Tuhan Yesus dalam hidupku.

“Sebab Engkau bukit batuku dan pertahananku, dan oleh karena-Mu
Engkau akan menuntun dan membimbing aku.”
(Mazmur 31:4)

“Engkaulah persembunyianku dan perisaiku;
aku berharap kepada firman-Mu.”
(Mazmur 119:114)


Karya ini aku persembahkan untuk:
Orang-orang terkasih: keluarga besar mbah Margono,
simbah, bapak, mami, Septi, dan denok
Orang-orang terhebat: sahabat-sahabat matematika 2009

iv

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa makalah yang saya tulis ini tidak
memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam
kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.


Yogyakarta, 21 Juli 2014
Penulis

Erlika Priyati

v

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

ABSTRAK

Topik yang dibahas dalam makalah ini adalah pemodelan matematika
mengenai masalah konduksi panas. Masalah panas sering ditemukan pada
berbagai peristiwa, dan seringkali dihubungkan dengan suhu. Beberapa masalah
yang memuat pemanasan dan pendinginan seringkali dihubungkan dengan

konduksi panas. Konduksi panas merupakan proses perpindahan panas dari daerah
yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu media. Media
tersebut dapat berupa zat padat, zat cair dan zat gas.
Panas dan suhu mempunyai hubungan yang sangat erat. Suhu merupakan
suatu besaran untuk mengukur panas. Perpindahan panas merupakan proses
perpindahan energi yang mengalir pada suhu yang berbeda, energi yang mengalir
tersebut disebut juga energi panas atau panas. Bila sebuah media dikenai panas
maka suhu media menjadi naik. Demikian juga sebaliknya, suatu media menjadi
dingin akibat suhu yang turun karena panas yang hilang ke sekitarnya.
Pada model pendinginan air, suhu akan turun mendekati suhu di
sekitarnya. Model ini dikatakan baik karena jika dibandingkan dalam keadaan
real, hasil dari model sudah mendekati keadaan real. Untuk model pemanas air,
jika air dipanaskan dalam waktu yang sangat lama maka suhunya akan menjadi
sangat tinggi. Model ini dikatakan kurang baik karena jika air dipanaskan dalam
waktu yang sangat lama akan menjadi habis karena adanya penguapan. Untuk
masalah konduksi panas melalui dinding, model ini membahas tentang distribusi
suhu terhadap ketebalan dinding dan merupakan fungsi linear. Model konduksi
panas melalui dinding dikatakan baik hanya untuk ketebalan dinding tertentu.
Model konduksi panas radial merupakan fungsi logaritma. Model ini berlaku
untuk kondisi suhu setimbang.


vi

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

ABSTRACT
Topics covered in this paper is the mathematical modeling of heat
conduction problems. Heat problems often found in a variety of events, and is
often associated with temperature. Some of the problems of heating and cooling
load are often associated with heat conduction. Heat conduction is the process of
heat transfer from the high temperature to the low temperature in a media. The
media can be a solid, liquid and gas substances.
Heat and temperature have a very close relationship. Temperature is a
quantity to measure the heat. Heat transfer is the process of energy transfer that
flows at different temperatures, the flow of energy is also called thermal energy or

heat. When a media receive heat then the temperature of media will be rise.
Conversely, a media will be cool down due to temperature because heat is lost to
the surrounding.
In the model of cooling water, the temperature will decrease closer to the
surrounding temperature. This model is said to be good because if it is compared
to the real situation, the result of model will approach the real situation. For model
of the water heater, if the water is heated in a very long time, the temperature will
be very high. This model is said to be less good because if the water is heated in a
very long time, if will be depleted due to evaporation. For the problem of heat
conduction through the wall, it is model about the temperature distribution of the
wall thickness, which is a linear function. Model of heat conduction through the
walls said to be good only for a certain wall thickness. Radial heat conduction
model is a logarithmic function. This model applies to the condition of
equilibrium temperature.

vii

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN

TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:
Nama: Erlika Priyati
NIM: 093114009
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan
Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:
Pemodelan Matematika Mengenai Masalah Konduksi Panas
beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan
kepada

Perpustakaan

Universitas

Sanata

Dharma

untuk

menyimpan,

mengalihkan ke dalam bentuk media lain, mengelolanya dalan bentuk pangkalan
data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau
media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya
maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap menyantumkan nama saya
sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal : 21 Juli 2014
Yang menyatakan

(Erlika Priyati)

viii

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang selalu
memberikan

hikmat

dan

menyertai

penulis

sehingga

penulis

mampu

menyelesaikan makalah ini dengan lancar dan baik. Makalah ini dimaksudkan
untuk memenuhi salah satu syarat dalam menyelesaikan pendidikan Strata 1 (S1)
dan memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Matematika di
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa proses penulisan makalah ini melibatkan banyak
pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis sudah selayaknya
mengucapkan terima kasih kepada:
1. Lusia Krismiyati Budiasih, S.Si., M.Si. selaku Ketua Program Studi
Matematika dan dosen pembimbing, yang senantiasa sabar dalam
membimbing dalam menyelesaikan makalah ini.
2. Bapak, Ibu, dan Romo, dosen-dosen yang telah memberi pengetahuan
kepada penulis selama proses kuliah ini.
3. Keluarga besar mbah Margana, terutama untuk Alm. St. Darmawidjaja Pr.
(pakdhe sus), Br. Michael Pudyartana (pakdhe pud), Ig. Budi Lingana
(pakdhe luluk), dan G. Budi Prijatmo (pakdhe momok), yang telah sudi
untuk membantu biaya kuliah penulis dan selalu memberikan motivasi
untuk menyelesaikan kuliah.
4. Simbah, kedua orang tuaku, dan adik-adikku yang senantiasa memberikan
doa, motivasi dan dukungannya.

ix

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

5. Teman-teman Matematika 2009: Nana, Faida, Ochie, Etik, Jojo, Sekar,
Kuthull, dan Dimas, terima kasih untuk kebersamaan dalam suka maupun
duka dan semangat yang selalu diberikan kepada penulis.
6. Widiantoro yang selalu memberikanku semangat dan sebagai salah satu
motivasiku untuk menyelesaikan makalah ini.
7. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah terlibat
dalam proses penulisan makalah ini.
Penulis menyadari bahwa masih ada kekurangan dalam penulisan makalah
ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran demi penyempurnaan
makalah ini. Akhirnya, penulis berharap semoga makalah ini dapat bermanfaat
bagi para pembaca.
Yogyakarta, 21 Juli 2014
Penulis

x

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .......................................................................................

i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ..............................................

ii

HALAMAN PENGESAHAN .........................................................................

iii

HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................

iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ..........................................................

v

ABSTRAK .......................................................................................................

vi

ABSTRACT .................................................................................................... vii
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ............. viii
KATA PENGANTAR .....................................................................................

ix

DAFTAR ISI ...................................................................................................

xi

DAFTAR TABEL ........................................................................................... xiii
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiv
BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................

1

A. Latar Belakang Masalah ......................................................................

1

B. Rumusan Masalah ................................................................................

3

C. Batasan Masalah ..................................................................................

3

D. Tujuan Penulisan .................................................................................

3

E. Manfaat Penulisan ...............................................................................

3

F. Metode Penulisan ................................................................................

3

G. Sistematika Penulisan ..........................................................................

4

BAB II MODEL MATEMATIKA DAN PERSAMAAN DIFERENSIAL .....

6

xi

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

A. Model Matematika ................................................................................

6

B. Limit Fungsi Dan Turunan ....................................................................

8

C. Persamaan Diferensial ........................................................................... 23
BAB III MODEL KONDUKSI PANAS ......................................................... 28
A.

Panas Dan Suhu .................................................................................. 28

B.

Konduksi Panas Pada Proses Pendinginan Air ................................... 30

C.

Konduksi Panas Pada Pemanas Air .................................................... 38

D.

Konduksi Panas Melalui Dinding ....................................................... 57

E.

Konduksi Panas Radial ....................................................................... 67

BAB IV PENUTUP ......................................................................................... 77
A. Kesimpulan ........................................................................................... 77
B. Saran ...................................................................................................... 78
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 79

xii

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Panas jenis untuk beberapa bahan ..................................................... 29
Tabel 2. Nilai koefisien pendinginan Newton

.............................................. 34

Tabel 3. Daya konduksi untuk beberapa bahan ............................................... 60
Tabel 4. Daya konduksi ntuk beberapa macam bahan bangunan .................... 61

xiii

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 3.1.

Grafik

fungsi

suhu

terhadap

waktu

pada

proses

pendinginan air ....................................................................... 37
Gambar 3.2.

Diagram skema dari pemanas air ........................................... 39

Gambar 3.3.

Skema perpindahan panas ...................................................... 40

Gambar 3.4.

Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan
air dengan

Gambar 3.5.

Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan
air dengan

Gambar 3.6.

................................................................ 51

Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan
air dengan

Gambar 3.7.

................................................................ 48

................................................................ 54

Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan
air dengan

Gambar 3.8.

dan

........................... 55

Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan
air dengan

dan

untuk waktu

yang lama dan suhu yang sangat tinggi .................................. 56
Gambar 3.9.

Konduksi panas pada dinding ................................................ 62

Gambar 3.10. Skema perpindahan panas pada dinding ................................ 63
Gambar 3.11. Grafik fungsi suhu terhadap ketebalan dinding ..................... 67
Gambar 3.12. Skema perpindahan panas radial ............................................ 69
Gambar 3.13. Ilustrasi dinding sumur ........................................................... 74
Gambar 3.14. Grafik distribusi suhu terhadap radius pada sumur ................ 76

xiv

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

BAB I
PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG
Masalah panas sering ditemukan pada berbagai peristiwa, dan
seringkali dihubungkan dengan suhu. Beberapa masalah yang memuat
pemanasan dan pendinginan seringkali dihubungkan dengan konduksi
panas. Misalnya, ada secangkir kopi panas di atas meja dan ingin diminum
sesegera mungkin. Jika kopi bersuhu 600C, berapa lama harus menunggu
untuk meminumnya ketika suhu kopi tersebut menjadi 400C? Untuk
menjawab pertanyaan tersebut akan dikenalkan beberapa konsep dasar
fisika, yakni mengenai suhu dan panas. Pada masalah ini terlihat
perbedaan antara panas dan suhu. Panas dan suhu sangat penting untuk
menyelesaikan masalah tersebut.
Pertama, tentang suhu yang menggambarkan bagaimana panas
pada kopi tersebut. Jika diasumsikan suhu dari kopi seluruhnya adalah
seragam (homogen) maka suhu hanya merupakan fungsi terhadap waktu.
Suhu diukur dengan satuan derajad celcius (0C) atau dalam kelvin (K),
dimana suhu pada derajad celcius (0C) memiliki selisih 273 lebih rendah
daripada suhu pada kelvin. Jadi, 0C + 273 = K.
Kedua, tentang panas. Suhu dari kopi turun karena energi panas
dipindahkan ke udara sekitarnya. Hal ini terjadi karena udara sekitarnya

1

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
2

bersuhu rendah, dan panas selalu dipindahkan dari daerah bersuhu tinggi
ke daerah bersuhu rendah. Panas adalah sebuah bentuk energi yang diukur
dengan satuan Joule, satuan dari sistem SI.
Kemudian untuk menjawab pertanyaan tentang secangkir kopi
yang disebutkan di atas, dibutuhkan persamaan yang sesuai untuk suhu.
Tetapi untuk itu harus menentukan peristiwa panas terlebih dahulu dan
dibutuhkan persamaan untuk mendiskripsikan kecepatan perpindahan
panas ke sekitar.
Masalah lain yang sama adalah bagaimana menentukan waktu
yang dibutuhkan air pada sebuah pemanas air menjadi panas dengan suhu
tertentu, dengan asumsi suhunya homogen dan merupakan fungsi terhadap
waktu. Air pada pemanas air menjadi panas dipengaruhi oleh elemen
pemanas.
Aplikasi lain dari masalah tentang konduksi panas adalah
perpindahan panas pada dinding. Pertimbangkan kecepatan perpindahan
panas pada dinding. Kecepatan perpindahan panas pada dinding sangat
penting untuk menentukan bahan penyekat dinding, agar energi yang
digunakan lebih efisien. Suhu pada sisi luar dinding akan berbeda dari sisi
dalam, dimana panas akan mengalir dari sisi luar dinding yang bersuhu
tinggi ke sisi dalam dinding yang bersuhu rendah.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
3

B. RUMUSAN MASALAH
Pokok masalah yang akan dibahas dalam tulisan ini yaitu:
1. Apa yang dimaksud dengan proses perpindahan panas?
2. Bagaimana pemodelan matematika mengenai konduksi panas?

C. BATASAN MASALAH
Masalah perpindahan panas yang dibahas dalam tulisan ini adalah
masalah konduksi panas pada proses pendinginan air, pemanas air,
konduksi panas melalui dinding, dan konduksi panas radial.

D. TUJUAN PENULISAN
Tujuan penulisan ini yaitu untuk memodelkan masalah konduksi
panas.

E. MANFAAT PENULISAN
Memperoleh

pengetahuan

tentang

pemodelan

matematika

mengenai masalah konduksi panas.

F. METODE PENULISAN
Metode yang digunakan penulis adalah metode studi pustaka, yaitu dengan
mempelajari buku-buku yang berkaitan dengan masalah perpindahan
panas.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
4

G. SISTEMATIKA PENULISAN
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
B. Rumusan Masalah
C. Batasan Masalah
D. Tujuan Penulisan
E. Manfaat Penulisan
F. Metode Penulisan
G. Sistematika Penulisan
BAB II MODEL MATEMATIKA dan PERSAMAAN DIFERENSIAL
A. Model matematika
B. Limit fungsi dan Turunan
C. Persamaan diferensial
BAB III MODEL KONDUKSI PANAS
A. Panas dan suhu
B. Konduksi panas pada proses pendinginan air
C. Konduksi panas pada pemanas air
D. Konduksi panas melalui dinding
E. Konduksi panas radial

BAB IV PENUTUP
A. Kesimpulan

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
5

B. Saran

DAFTAR PUSTAKA

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

BAB II
MODEL MATEMATIKA DAN PERSAMAAN DIFERENSIAL

A.

MODEL MATEMATIKA

Model merupakan gambaran (tiruan, perwakilan) suatu obyek yang
disusun berdasarkan tujuan tertentu. Obyek di sini dapat berupa suatu
sistem, suatu perilaku sistem, atau suatu proses tertentu. Sebagai contoh
dari model adalah sebuah maket. Biro arsitektur yang merencanakan
pembangunan suatu kompleks akan membuat gambar-gambar sketsa,
menyusun perhitungan-perhitungan konstruksi kemudian membuat maket
yang merupakan tiruan dari calon kompleks. Jika ada segi-segi yang
kurang disetujui oleh pemilik, maka rencana masih dapat diubah dengan
mudah.
Sistem merupakan suatu himpunan beserta relasi antar unsurunsurnya yang disusun dengan tujuan tertentu. Sebagai contoh dari sebuah
sistem adalah suatu rumah sakit. Suatu rumah sakit adalah suatu sistem
yang bertujuan merawat orang sakit. Semua bagian rumah sakit harus
berfungsi mendukung tujuan di atas.
Model hanya menirukan sebagian dari obyek sesuai dengan tujuan
penyusunan model dengan maksud supaya lebih mudah dikenali, dipelajari

6

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
7

dan dimanipulasi lebih lanjut. Dengan demikian dapat dipahami bahwa
model pasti lebih sederhana dari aslinya.
Model dapat dibedakan berdasarkan tujuan penyusunan model. Model
yang berguna mengendalikan keadaan, sifat, atau perilaku sistem dengan
cara mencari keterkaitan antara unsur-unsurnya disebut model keterkaitan.
Model yang bertujuan untuk mengadakan pendugaan (prediksi) untuk
memperbaiki keadaan obyek disebut model pendugaan. Sedangkan model
yang berguna mengadakan optimasi bagi obyek disebut model optimasi.
Model menurut jenisnya dapat dibedakan menjadi dua yaitu model
fisis dan model simbolik (model matematika). Model fisis merupakan
model yang biasanya cukup mirip dengan obyek dari segi fisis, misalnya
bentuknya atau polanya. Model simbolik (model matematika) merupakan
model yang menggunakan lambang-lambang (simbol) matematika/logika
untuk menyajikan perilaku obyek.
Model matematika dapat dianggap sebagai usaha abstraksi
terhadap obyek lewat cara analitis atau numeris dalam benuk persamaanpersamaan matematika. Model ini juga dapat berupa persamaan
diferensial.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
8

B. LIMIT FUNGSI DAN TURUNAN

Definisi 2.1.
Niai mutlak biangan real

didefinisikan sebagai berikut
}

{
Contoh 2.2.
1.
2.
(

3.

)

Teorema 2.3.
Misalkan

, maka

1.
2. | |

.

Bukti:
1. Akan dibuktikan bahwa untuk sebarang
Untuk

dan

Untuk

dan

maka
maka

maka

, sehingga berlaku
, sehingga berlaku

.
.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
9

Untuk

dan
(

Untuk

Untuk
(

(

)(

)
)

maka

, sehingga berlaku

maka

, sehingga berlaku

.
dan
.

dan

)

maka

, sehingga berlaku

.

Jadi terbukti bahwa untuk sebarang

maka

2. Akan dibuktikan bahwa untuk sebarang

.

maka | |

.

, sehingga berlaku | |

.

Untuk

dan

maka

Untuk

dan

maka

Untuk

dan

maka

, sehingga berlaku | |

. /

dan

maka

, sehingga berlaku | |

. /

dan

maka

.
Untuk
.
Untuk
.
Jadi terbukti bahwa untuk sebarang

, sehingga berlaku | |

, sehingga berlaku | |

maka | |

.

.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
10

Contoh 2.4.
1. Misalkan adalah suatu bilangan positif. Buktikan bahwa

Penyelesaian:
Akan dibuktikan bahwa

.
(kalikan dengan 5)
(

(

)

(

)

.

Jadi, terbukti bahwa
2. Misalkan

)

.

adalah suatu bilangan positif. Tentukan bilangan positif

sedemikian rupa sehingga

Penyelesaian:
(

)

(

)

(dikalikan dengan )
Jadi, bilangan positif
adalah .

yang memenuhi

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
11

Definisi 2.5.
( )

berarti bahwa untuk tiap

(betapapun kecilnya), terdapat
sehingga

( )

yang diberikan

yang berpadanan sedemikian

asalkan bahwa

,yakni,
( )

Contoh 2.6.
(

Buktikan bahwa

)

Penyelesaian:
Misalkan

bilangan positif sebarang. Akan dibuktikan terdapat suatu

sedemikian sehingga
(

)

Perhatikan ketaksamaan pada ruas kanan
(

)

(

)
(

)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
12

Dengan demikian, jika dipilih

maka untuk

menghasilkan
(

(
Jadi, terbukti bahwa

(

)

)

)

.

Teorema 2.7.
Jika

dan

suatu konstanta, maka
(

)

Bukti:
Akan dibuktikan bahwa untuk setiap

Untuk
suatu

Karena

, maka (

untuk setiap

, maka menjadi

)

terdapat suatu
(

(

sehingga

)

)

(

sehingga
)
, ditentukan

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
13

Untuk

, maka (

Ambil sebarang bilangan positif

Jadi, terbukti bahwa

)

(

)

(

)

untuk setiap nilai

sehingga berlaku

(

)

(

)

(

)

.

Contoh 2.8.

Teorema 2.9.
Jika suatu konstanta, maka untuk setiap bilangan ,

Bukti:
Akan dibuktikan bahwa untuk setiap

Ambil sebarang bilangan positif , maka
Jadi, terbukti bahwa

.

terdapat suatu

.

sehingga

.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
14

Contoh 2.10.

Teorema 2.11.
Jika

( )

, ( )

( )

dan
( )-

, ( )

, maka

( )-

( )

( )

Bukti:
Akan dibuktikan bahwa untuk setiap

Karena diketahui
bahwa untuk

( )

terdapat suatu

terdapat suatu

, ( )

( )-

(

sehingga
)

, maka dari definisi limit diperoleh
sehingga

( )
Karena diketahui
bahwa untuk

( )

terdapat suatu

, maka dari definisi limit diperoleh
sehingga

( )

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
15

Misalkan

adalah bilangan terkecil dari dua bilangan

dan

dan

. Jadi

. Karena itu

( )
dan

( )
Dengan demikian jika
, ( )

( )-

Jadi, terbukti bahwa

, maka
(

( )

)

( ( )

( )

, ( )

( )-

Akan dibuktikan bahwa untuk setiap

Karena diketahui
bahwa untuk

( )

terdapat suatu

)

, ( )

( ( )

)

.
terdapat suatu
( )-

(

sehingga
)

, maka dari definisi limit diperoleh
sehingga
( )

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
16

( )

Karena diketahui
bahwa untuk

, maka dari definisi limit diperoleh

terdapat suatu

sehingga
( )

Misalkan

adalah bilangan terkecil dari dua bilangan

dan

dan

. Karena itu
( )

dan
( )
Dengan demikian jika
, ( )

( )-

Jadi, terbukti bahwa

, maka
(

( )

)

, ( )

( ( )

( )

( )-

)

( ( )

)

.

Jadi, terbukti bahwa
, ( )

( )-

, ( )

( )-

( )

( )

. Jadi

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
17

Contoh 2.12.
(

)

Teorema 2.13.
Jika

( )

(

dan fungsi
)( )

( )

kontinu di , maka
(( ( ))

(

( ))

Bukti:
Karena

kontinu di

maka untuk setiap

terdapat suatu

sehingga

Karena
sehingga

( )

( )

, untuk setiap

( )

terdapat suatu

( )

Jika
diperoleh untuk setiap

dan

(1)

(2)

disubstitusikan ke dalam (1) oleh ( ) maka
terdapat suatu

sehingga

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
18

( )

| ( ( ))

( )|

dari pernyataan (2) dan (3) diperoleh bahwa untuk setiap
suatu

(3)
terdapat

sehingga
| ( ( ))

( )|

Jadi, terbukti bahwa
(

)( )

(( ( ))

( )

(

( ))

Teorema 2.14.
Jika
( )

( )

( )

( )

dan

maka

jika

Bukti:
Misalkan
komposisi

fungsi yang didefinisikan oleh
didefinisikan oleh

( ( ))

dimana-mana kecuali di 0. Karena itu

( )

(

( )

. Maka fungsi

⁄ ( ). Fungsi

( ( ))
( ))

( )

kontinu

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
19

Sehingga diperoleh
( )
( )

Jadi, terbukti bahwa

( )

( )

( )

( )

jika

Contoh 2.15.

Definisi 2.16.
Misalkan
selang (

suatu fungsi yang didefinisikan untuk setiap bilangan pada
). Limit

( ) adalah , dituliskan

( )

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
20

apabila untuk setiap
sehingga

, betapapun kecilnya, terdapat suatu bilangan

( )

jika

.

Contoh 2.17.
Buktikan bahwa

Penyelesaian:
Bagi pembilang dan penyebut dengan pangkat tertinggi
pada penyebut yaitu

.

.
Jadi, terbukti bahwa

.

yang muncul

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
21

Definisi 2.18.
Misalkan

suatu fungsi yang didefinisikan pada selang (
( ) adalah , dituliskan

). Limit

( )

apabila untuk setiap
sehingga

, betapapun kecilnya, terdapat suatu bilangan

( )

jika

.

Contoh 2.19.

Tentukan

Penyelesaian:
Bagi pembilang dan penyebut dengan

.

.

Jadi,

.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
22

Definisi 2.20.
Turunan fungsi

(dibaca “ aksen”) yang nilainya

adalah fungsi lain

pada sebarang bilangan

adalah

( )

(

)

( )

)

( )

asalkan limit ini ada.

Contoh 2.21.
Andaikan ( )

. Cari

( )

Penyelesaian:

( )

(
[(

)

(

(

Jadi, jika diketahui ( )

, maka

)] ,

-

)

( )

.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
23

C. PERSAMAAN DIFERENSIAL

Persamaan diferensial merupakan persamaan yang memuat turunan
satu (atau beberapa) fungsi yang tidak diketahui. Sebagai contoh dari
persamaan diferensial sebagai berikut
(4)
(5)
(

)(

)

(6)

(7)
Bila peubah yang terikat dalam suatu persamaan diferensial adalah suatu
fungsi satu peubah bebas maka persamaan tersebut merupakan persamaan
diferensial biasa. Sedangkan, jika peubah yang terikat dalam suatu
persamaan diferensial adalah suatu fungsi dua atau lebih peubah bebas
maka persamaan tersebut merupakan persamaan diferensial parsial. Dalam
contoh di atas persamaan (4)-(6) merupakan contoh persamaan diferensial
biasa dan persamaan (7) merupakan contoh persamaan diferensial parsial.

Definisi 2.22.
Persamaan diferensial biasa merupakan suatu persamaan diferensial
yang memuat fungsi satu peubah bebas. Sedangkan, persamaan diferensial

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
24

parsial merupakan suatu persamaan diferensial yang memuat fungsi dua
atau lebih peubah bebas.

Contoh 2.23.
Pada contoh persamaan diferensial di atas yang merupakan persamaan
diferensial biasa adalah persamaan (1)-(3). Sedangkan, contoh persamaan
diferensial parsial adalah persamaan (4).

Definisi 2.24.
Suatu persamaan diferensial biasa tingkat
persamaan yang dapat ditulis dalam bentuk
dimana

( )

( )

merupakan suatu
(

semua ditentukan nilainya oleh .

(

)

)

Contoh 2.25.
Persamaan (1) merupakan contoh persamaan diferensial biasa tingkat 1.
Sedangkan, persamaan (2) dan (3) merupakan contoh persamaan
diferensial biasa tingkat 2.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
25

Definisi 2.26.
Suatu
( )

penyelesaian
(

(

persamaan
)

)

merupakan

ditentukan pada suatu selang bagian
persamaan

( )

(

(

diferensial
suatu

fungsi

biasa
( )

yang

yang secara identik memenuhi
)

) pada seluruh selang .

Contoh 2.27.
Suatu fungsi

, yang ditulis sebagai

penyelesaian dari

Bukti:
Hasil substitusi

ke dalam persamaan

menghasilkan

(
atau

)

merupakan

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
26

Hasil substitusi tersebut merupakan suatu kesamaan dalam

Jadi,

untuk semua

merupakan penyelesaian dari

Definisi 2.28.
Penyelesaian umum suatu persamaan diferensial tingkat
suatu penyelesaian yang mengandung

adalah

konstanta sebarang yang bebas.

Penyelesaian khusus suatu persamaan diferensial adalah penyelesaian
sebarang yang dapat diperoleh dengan memberikan nilai tertentu kepada
konstanta sebarang dalam penyelesaian umum untuk persamaan tersebut.

Contoh 2.29.
Perhatikan persamaan diferensial tingkat satu

atau dapat ditulis
Bila kedua ruas diintegralkan akan diperoleh





PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
27

dengan

Jadi,

suatu konstanta sebarang.

merupakan penyelesaian umum dari

Penyelesaian khusus dapat diperoleh dengan memberikan nilai tertentu
kepada

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI

BAB III
MODEL KONDUKSI PANAS

A. Panas dan Suhu
Panas dan suhu mempunyai hubungan yang sangat erat. Suhu
merupakan suatu besaran untuk mengukur panas. Perpindahan panas
merupakan proses perpindahan energi yang mengalir pada suhu yang
berbeda, energi yang mengalir tersebut disebut juga energi panas atau
panas. Bila sebuah media atau obyek dikenai energi panas maka suhu
media tersebut menjadi naik. Demikian juga, suatu obyek menjadi dingin
akibat suhu yang turun karena panas yang hilang ke sekitarnya. Suatu
media dengan massa yang lebih banyak akan lebih banyak memerlukan
panas untuk menaikkan suhu, sedangkan jika suhu dari sebuah media
turun, maka energi panas dari media tersebut lebih banyak yang hilang.
Asumsikan perubahan pada panas adalah berbanding langsung
dengan perubahan suhu dan juga massa dari suatu obyek, yakni dapat
ditulis sebagai
{

*

}

(3.1)

28

+

*

+

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
29

dengan

adalah konstanta positif pembanding sebagai panas jenis dari

bahan, diasumsikan

tidak bergantung pada massa sebuah obyek dan

perubahan suhu.
Misalkan didefinisikan

sebagai laju perubahan panas terhadap

waktu (diukur dalam watt),

adalahmassa dari bahan yang akan

dipanaskan atau didinginkan (diukur dalam kg), dan

merupakan suhu,

maka diperoleh

(3.2)

Setiap bahan memiliki panas jenis yang berbeda-beda. Di bawah
ini diberikan data nilai panas jenis dari berbagai bahan.
Tabel 1. Panas jenis untuk beberapa bahan (Barnes, Gleeen, 2009)
Bahan

Bahan

Aluminium

896

Asbes

841

Tembaga

383

Batu bata

840

Stainlis steel

461

Gelas

800

Kayu

2385

Mentega

2300

Beton

878

Daging domba

3430

Air (pada 200C

4187

Kentang

3520

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
30

B. Konduksi Panas pada Proses Pendinginan Air
Panas dari sebuah obyek menjadi hilang karena adanya penukaran
energi panas dengan sekitarnya. Jika perbedaan suhu antara permukaan
dari suatu obyek dan sekitarnya menjadi bertambah, maka diharapkan
panas menjadi cepat hilang.
Diasumsikan bahwa laju dari aliran panas adalah berbanding
langsung dengan perbedaan suhu diantara permukaan dan sekitarnya. Dari
asumsi tersebut dirumuskan Hukum Newton pada keadaaan pendinginan,
yang akan berlaku juga pada masalah pemanasan.
Perubahan suhu akibat pertukaran panas menurut Newton adalah
berbanding lurus dengan waktu. Bila suhu obyek lebih tinggi dari pada
suhu sekitarnya maka akan terjadi pendinginan pada obyek atau penurunan
suhu dan demikian pula sebaliknya. Perbandingan ini dapat dijadikan
persamaan dengan melibatkan suatu faktor konstanta, sehingga

dengan

(

dan

)

masing-masing merupakan suhu obyek dan suhu

sekitarnya. Tanda negatif menunjukkan terjadinya penurunan suhu bila
.
Perbedaan suhu ditentukan dari panas pada permukaan yang dapat
menghilang ataupun bertambah. Jika
obyek, suhu

adalah luas permukaan dari sebuah

dari sebuah obyek lebih tinggi dari suhu

maka dapat ditulis

di sekitarnya,

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
31

{

}

{

}

(

)

{

}

2

3

(3.3)
Ketika suhu pada sekitar lebih tinggi daripada suhu pada obyek
(

), maka laju penukaran panas sebagai berikut,
{

}

(

)
(3.4)

Jadi, hukum Newton pada masalah pendinginan maupun
pemanasan dirumuskan sebagai berikut,
{

}

(3.5)

dengan
= perbedaan suhu
= luas permukaan yang panasnya hilang ataupun bertambah (diukur
dalam m2)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
32

= koefisien pendinginan Newton (diukur dalam watt/m2/0C) .
Konduksi merupakan perpindahan panas dari daerah yang bersuhu
tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu media. Media tersebut
dapat berupa zat padat, zat cair maupun gas. Perpindahan terjadi karena
molekul bersinggungan secara langsung tanpa adanya perpindahan
molekul yang cukup besar. Suhu elemen suatu zat sebanding dengan
energi kinetik (energi yang diakibatkan karena suatu gerak) rata-rata dari
molekul-molekul yang membentuk zat tersebut. Energi yang dimiliki suatu
elemen zat yang diakibatkan adanya kecepatan dan posisi relatif molekulmolekulnya merupakan energi dalam.
Misalnya ada secangkir kopi panas di atas meja dan ingin diminum
sesegera mungkin. Jika kopi bersuhu 600C, berapa lama harus menunggu
untuk meminumnya ketika suhu kopi tersebut menjadi 400C?Pada masalah
ini terlihat perbedaan antara panas dan suhu. Panas dan suhu sangat
penting untuk menyelesaikan masalah tersebut.
Pada masalah secangkir kopi di atas terdapat hubungan antara laju
perubahan panas dan laju perubahan suhu. Untuk mendeskripsikan panas
yang terkandung dalam secangkir kopi, ditunjukkan sebagai berikut
{

}

{

}

(3.6)

Jadi, persamaan konduksi panas pada masalah pendinginan air
sebagai berikut
(

)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
33

(
(

(

)

)

(

)

)

(3.7)
Nilai
awal (

dapat ditentukan dari suhu awal. Jika suhu pada saat

) bernilai

maka

)

(

Jadi, penyelesaian persamaan (3.7) adalah sebagai berikut
(

)

(3.8)
Tanda negatif menunjukkan adanya panas yang hilang ke sekitar atau
terjadinya pendinginan.
Untuk

maka fungsi suhu pada persamaan (3.8) akan menjadi

sebagai berikut
(

)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
34

Koefisien pendinginan Newton ( ) memiliki nilai yang berbeda-

beda. Di bawah ini diberikan nilai pendinginan Newton pada suatu

lempengan dengan ketebalan 0,5 m. Nilai koefisien pendinginan Newton
semakin besar pada saat laju aliran udara semakin besar. Akibatnya, nilai
koefisien pendinginan Newton sangat berpengaruh terhadap aplikasi
model yang telah diperoleh.

Tabel 2. Nilai koefisien pendinginan Newton

Lempengan pada udara terbuka

4.5

Lempengan dengan laju aliran udara 2 m/s

12

Lempengan dengan laju aliran udara 35 m/s

75

Koefisien pendinginan Newton pada udara terbuka digunakan pada
keadaan normal, yakni keadaan dimana tidak ada hembusan udara.
Koefisien pendinginan Newton pada lempengan dengan laju aliran udara 2
m/s digunakan ketika ada tiupan atau angin sepoi-sepoi. Sedangkan
koefisien pendinginan Newton pada lempengan dengan laju udara 35 m/s
digunakan pada saat terjadi angin kencang seperti angin topan.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
35

Contoh 3.1
Dari data secangkir kopi yang memiliki diameter 7cm dan tinggi
8cm, massa dari kopi tersebut adalah 0,2 kg. Diketahui bahwa suhu sekitar
dari kopi tersebut adalah 260C dan suhu awal dari kopi 780C. Misalkan
cangkir tersebut terbuat dari gelas sehingga panas jenisnya adalah 800 dan
koefisien pendinginan Newton 4,5. Berapa lama waktu yang dibutuhkan
untuk menunggu saat kopi siap diminum pada susu 550C?

Penyelesaian:
Dari masalah tersebut diketahui bahwa koefisien pendinginan Newton ( )
adalah4,5, panas jenis ( ) adalah 800 watt/kg 0C. Massa dari bahan yang
akan di dinginkan ( ) adalah 0.2 kg. Suhu awal (
0

) dari bahan adalah 78

C dan suhu sekitarnya ( ) adalah 26 0C. Cangkir tersebut memiliki

diameter 7 cm dan tinggi 8 cm, sehingga jari-jari cangkir adalah 3.5 cm.

Dari data di atas, maka luas permukaan gelas dapat didekati sebagai luas
permukaan tabung tanpa tutup sebagai berikut
= Luas cangkir
= Luas tabung dengan tutup
= Luas alas + luas selimut tabung + luas tutup
=

, dengan

= jari-jari cangkir dan

tinggi cangkir

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
36

)

=(
=(

=
=

)

cm2

(

(

)

(

)

(

) cm2

)

m2

Waktu yang dibutuhkan untuk menunggu agar suhu kopi turun dari 78 0C
menjadi 55 0C diperoleh dengan menggunakan persamaan (3.7) adalah
sebagai berikut
(

)
(

)
(

)

(

(

)

(

)
(

)

)

s
menit
Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk menunggu suhu dari kopi
menjadi 550C adalah sekitar 822 s atau 14 menit.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
37

Dari data di atas dapat diilustrasikan dalam bentuk grafik sebagai
berikut

Gambar 3.1. Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pendinginan air.

Jika air didinginkan dalam waktu yang lama maka suhunya akan
menjadi sebagai berikut

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
38

Jadi, jika air didinginkan dalam waktu yang sangat lama maka suhu dari
air tersebut akan mendekati suhu sekitarnya. Dari grafik pada Gambar 3.1.
dapat dilihat bahwa untuk

maka

( )

. Pada Gambar 3.1.

tampak bahwa grafik turun sesuai dengan fungsi eksponensial. Setelah
dilakukan praktek secara nyata dengan diukur menggunakan termometer
ternyata waktu yang dibutuhkan untuk menunggu suhu dari kopi turun
menjadi 55 0C adalah sekitar 17 menit. Pada masalah secangkir kopi ini
diasumsikan bahwa cangkir atau gelas seakan-akan tidak ada, sehingga
waktu yang dibutuhkan untuk menunggu kopi menjadi dingin pada suhu
55 0C menjadi lebih cepat daripada dalam keadaan real. Jadi hasil dari
model sudah mendekati nilai yang sesungguhnya. Model ini sudah
dikatakan baik karena ketika menunggu air sampai berapa lamapun suhu
hanya akan mendekati suhu sekitar.

C. Konduksi Panas pada Pemanas Air
Pada contoh pemanas air, persamaan diferensial untuk suhu
diperoleh dari air yang dipanaskan dengan elemen pemanas elektrik.
Masalah pemanas air ini pada dasarnya mempunyai prinsip yang sama
dengan masalah secangkir kopi, bedanya bahwa pada masalah pemanas
air, panas ditambahkan melalui elemen pemanas.
Beberapa contoh alat pemanas air adalah ceret dan ketel. Masalah
pemanas air menggunakan elemen elektrik yang biasa digunakan di tiaptiap rumah, biasanya berisi 2 liter air, dengan tinggi pemanas air 20 cm

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
39

dan diameter 15 cm. Awalnya diasumsikan air menjadi bersuhu 150C.
Elemen pemanas yang digunakan untuk memanaskan memiliki laju
konstan (per jam) 3,6 Kw (yang lain biasanya menggunakan 4,8 kW/jam).
Pada gambar di bawah ini menunjukkan ilustrasi dari panas yang keluar
dan masuk dari sistem. Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk
mengambil air tersebut saat bersuhu 600C?

air

Elemen pemanas

Gambar 3.2. Diagram skema dari pemanas air.

Dalam menyelesaikan masalah pemanas air dikenalkan beberapa
notasi. Misalkan
awal air,

( ) sebagai suhu air pada waktu ,

merupakan suhu akhir air,

dipanaskan dan

merupakan suhu

sebagai massa dari air yang akan

sebagai laju persediaan energi panas.

(dalam m2)

menunjukkan luas permukaan dari pemanas air atau tangki yang panasnya
keluar.
Pertama, asumsikan air pada tangki seluruhnya bersuhu homogen.
Tanpa asumsi tersebut masalah akan menjadi lebih komplek, karena suhu
akan menjadi fungsi dari waktu dan posisi. Dengan asumsi tersebut yang

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
40

dipertimbangkan hanya suhu dari air sebagai fungsi terhadap waktu.
Kedua, asumsikan bahwa panas yang hilang dari permukaan tangki
menurut hukum Newton pada pendinginan. Akhirnya, asumsikan bahwa
panas konstan, sebagai panas jenis dan koefisien pendinginan Newton.
Untuk mendeskripsikan masalah pemanasan air pertimbangkan
sistem yang mengaplikasikan hukum keseimbangan seperti ditunjukkan
pada gambar berikut ini.

Panas dari

panas yang hilang

Panas pada
tangki

elemen pemanas

ke sekitar

Gambar 3.3. Skema perpindahan panas.

Panas pada tangki yang berasal dari elemen pemanas akan sama besarnya
dengan panas yang hilang ke sekitar.
Keseimbangan

panas

untuk

sistem

dideskripsikan

dengan

persamaan berikut ini,

{

}

{

}

{

}

(3.9)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
41

Perubahan

suhu

digunakan

untuk

memperoleh

persamaan

matematika. Persamaan dasar yang digunakan untuk merelasikan panas
dengan suhu adalah sebagai berikut,

}

{

(3.10)

sebagai massa dari air dan ( )

dengan adalah panas tertentu dari air,
menunjukkan suhu pada waktu .

Asumsikan bahwa elemen pemanas memproduksi panas dengan
laju konstan per unit waktu, yang dinyatakan dengan . Jadi,

{

}

(3.11)

Laju panas yang hilang ke sekitar dirumuskan dengan
menggunakan hukum Newton pada pendinginan, yaitu

{

}

*

+
( ( )

dengan

adalah luas permukaan dari pemanas dan

)

(3.12)

adalah koefisien

pendinginan Newton. Perbedaan suhu merupakan perbedaan antara suhu
arus air ( ( )) dan suhu sekitar ( )

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
42

Dengan mensubstitusikan persamaan (3.10), (3.11) dan (3.12) ke
dalam

persamaan

(3.9)

diperoleh

persamaan

diferensial

yang

mendeskripsikan variasi suhu terhadap waktu sebagai berikut,
( ( )

)

(3.13)

Atau dapat ditulis
( ( )

)

( )
( )

Misalkan,

maka

( )

atau

Dengan demikian, ruas kanan persamaan (3.14) menjadi

(3.14)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
43

Jika persamaan tersebut diintegralkan akan diperoleh





Di substitusikan ke dalam ruas kiri persamaan (3.14) menjadi sebagai
berikut,



( ))

(

( ))

(

(3.15)

( ))

(

( ))

(
)

(
.

( ))

(
/

( )

( )
.

/

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
44

.

( )
Nilai

/

(3.16)

dapat diperoleh dari persamaan (3.15) sebagai berikut

( ))

(
( ))

(
(

( ))

Jadi, penyelesaian dari persamaan (3.16) adalah
/

.

dengan

Untuk

)

(

(3.17)

maka fungsi suhu pada persamaan (3.17) akan menjadi

sebagai berikut

.

)/

(

.

(

)/

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
45

Contoh 3.2
Sebagai contoh dari masalah pemanas ini adalah memanaskan air
dengan menggunakan pemanas. Diketahui pemanas tersebut memiliki
diameter 10 cmdan tinggi 20 cm, massa dari air yang akan dipanaskan 1,5
kg, suhu awal air dan suhu sekitar sama yaitu 26 0C, karena pemanas
terbuat dari stainlis steel maka panas jenisnya adalah 461, diberikan
koefisien pendinginan atau pemanasan Newton 4,5 dan misalkan laju
panas yang digunakan adalah 100 watt. Berapa lama waktu yang
dibutuhkan untuk menunggu air tersebut sampai mendidih 100 0C ?

Penyelesaian :
Dari data tersebut diketahui bahwa suhu awal (

) dari bahan adalah 26 0C

dan suhu sekitar ( ) adalah 26 0C. Diberikan koefisien pemanasan

Newton ( ) adalah 4,5 dan panas jenis ( ) 461 watt/kg 0C. Massa dari
bahan yang dipanaskan ( ) adalah 1,5 kg. Laju panas ( ) yang digunakan
100 watt. Diketahui pemanas memiliki diameter 10 cm dan tinggi 20 cm,
sehingga jari-jari dari pemanas adalah 5 cm.
Dari data di atas, maka luas permukaan pemanas dapat didekati sebagai
luas permukaan tabung tanpa tutup sebagai berikut

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
46

= Luas pemanas
= Luas alas
=

, dengan

=

tinggi cangkir

)

=(
=(

= jari-jari cangkir dan

) cm2

m2

Waktu yang dibutuhkan untuk menunggu sampai air mendidih pada suhu
100 0C diperoleh dengan menggunakan persamaan (3.14) adalah sebagai
berikut
.

(

dengan
=

=
=
=

))
(

(

(
(

)

/

)

)

)

Sehingga waktu yang dibutuhkan yaitu
.

/

(

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
47

(

100=

.

)

/

/

.

100 =

/

.

/

.

.

/

/

.
.

(

/

)
(

(
)

s
menit.

)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
48

Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk menunggu air sampai mendidih pada
suhu 100 0C adalah sekitar 531 s atau 9 menit.
Dari data di atas dapat diilustrasikan melalui grafik sebagai berikut

Gambar 3.4. Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan air dengan
.

Jika air dipanaskan dalam waktu yang lama maka suhunya akan menjadi
sebagai berikut

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
49

0

C.

Jadi, jika air dipanaskan dalam waktu yang sangat lama akan mendekati
suhu 2857 0C. Padahal dalam keadaan real, jika air dipanaskan dalam
waktu yang sangat lama akan habis karena adanya penguapan.

Untuk

maka waktu yang dibutuhkan untuk menunggu air sampai

mendidih pada suhu 100 0C adalah sebagai berikut

.

(

dengan
=

=
=

))
(

(

(
(

)

)

)

/

)

(

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
50

=
Sehingga waktu yang dibutuhkan yaitu
.

(

100=

/

.

)

/

.

100 =

/

/

.

/

.

/

.
.

/
.

/

)

(
(

(
)

)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
51

s
menit.

Jadi, jika ingin menunggu air sampai mendidih 1000C maka dibutuhkan
waktu sekitar 163 s atau sekitar 3 menit. dengan diketahui bahwa daya
yang digunakan adalah 350 watt.
Dari data untuk

dapat diilustrasikan melalui grafik sebagai

berikut

Gambar 3.5. grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan air dengan
.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
52

Jika air dipanaskan dalam waktu yang lama maka suhunya akan menjadi
sebagai berikut

0

C.

Jadi, jika air dipanaskan dalam waktu yang sangat lama akan mendekati
suhu 9934 0C. Padahal dalam keadaan real, jika air dipanaskan dalam
waktu yang sangat lama akan habis karena adanya penguapan.
Untuk

, maka waktu yang dibutuhkan untuk menunggu air sampai

mendidih pada suhu 100 0C adalah sebagai berikut
.

(

dengan
=

=
=
=

))
(

(

(
(

)

)

)

/

)

(

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
53

Sehingga waktu yang dibutuhkan yaitu
.

(

100=

/

/

.

)

/

.

100 =

.

/

.

/

/

.
.

/
.

/

)

(
(

(
)

)

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
54

s
menit.

Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk menunggu air sampai mendidih dalam
suhu 1000C adalah sekitar 131 s atau sekitar 2 menit. Dengan diketahui
bahwa daya yang digunakan adalah 450 watt.
Dari data untuk

dapat diilustrasikan melalui grafik sebagai

berikut

Gambar 3.6. Grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan air dengan
.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
55

Jika air dipanaskan dalam waktu yang lama maka suhunya akan menjadi
sebagai berikut

0

C.

Jadi, jika air dipanaskan dalam waktu yang sangat lama dengan
menggunakan daya sebesar 450 watt maka suhu akan mendekati 12765 0C.
Padahal dalam keadaan real, jika air dipanaskan dalam waktu yang sangat
lama akan habis karena adanya penguapan.
Jika grafik kenaikan suhu dengan

dan

dijadikan satu maka akan menjadi sebagai berikut

Gambar 3.7. grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan air
dengan

dan

.

PLAGIAT
PLAGIATMERUPAKAN
MERUPAKANTINDAKAN
TINDAKANTIDAK
TIDAKTERPUJI
TERPUJI
56

Gambar 3.8. grafik fungsi suhu terhadap waktu pada proses pemanasan air dengan
dan

untuk waktu yang lama dan suhu yang sangat tinggi.

Dari Gambar (3.7) tampak bahwa waktu yang dibutuhkan untuk
menunggu air sampai mendidih pada suhu 100 0C semakin cepat ketika
yang digunakan semakin besar nilainya. Dari Gambar (3.8.) tampak bahwa
nilai

sangat berpengaruh terhadap waktu yang dibutuhkan untuk

menunggu air sampai mendidih. Perbandingan suhu antara penggunaan
dan

sangat jauh berbeda. Semakin besar nilai

yang

digunaka