Materi Perpindahan Kalor: Pengertian, Proses, Rumus dan Aplikasinya

Kalor adalah bentuk energi yang berpindah dari suatu benda yang memiliki suhu tinggi ke benda dengan suhu lebih rendah.

Proses perpindahan kalor ini sangat penting untuk dipahami karena mempengaruhi banyak aspek dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi, seperti pemanasan, pendinginan, dan pengaturan suhu. Ada tiga mekanisme utama perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Artikel ini akan menjelaskan secara mendetail mengenai ketiga mekanisme perpindahan kalor, beserta contoh-contoh nyatanya dan persamaan matematika yang mendukung pemahaman tentang fenomena ini.

Pengertian Perpindahan Kalor

Pernahkah kalian memasukkan sendok ke dalam air panas dan kenapa sendok bisa menjadi panas? Atau pernahkah kalian merasa hangat ketika duduk di dekat api unggun? Kalian dapat memahami bahwa peristiwa tersebut adalah bentuk dari perpindahan kalor.

Perpindahan kalor adalah proses di mana kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah, disertai dengan perpindahan energi panas yang terdapat dalam sebuah benda.

Perpindahan kalor ini terbagi menjadi tiga jenis, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi

Konduksi

Perpindahan kalor tidak diikuti perpindahan partikel zat disebut konduksi. Apabila ujung sebatang logam dipanaskan di atas api, maka ujung yang lain akan menjadi panas.

Hal ini menunjukkan kalor berpindah ke bagian yang memiliki suhu yang lebih rendah. Konduksi umumnya terjadi pada zat padat terutama yang bersifat konduktor.

Laju perpindahan kalor secara konduksi (laju kalor konduksi) sebanding dengan luas penampang dan perbedaan suhu antara titik yang lebih panas dan lebih dingin. Persamaan yang menghubungkan beberapa besaran yang mempengaruhi laju kalor konduksi ditunjukkan dengan persamaan berikut:

$$ H = \frac{Q}{t} = k A \frac{\Delta T}{\Delta x} = k A \frac{T_{panas} – T_{dingin}}{\Delta x} $$

Dengan \(H = \frac{Q}{t}\) adalah laju kalor konduksi (Watt atau J/s), \(A\) adalah luas permukaan (m³), \(\Delta x\) adalah tebal bahan (m), \(k\) adalah konduktivitas termal bahan (Jm⁻¹K⁻¹), dan \(T\) adalah suhu (K atau °C).

Contoh Perpindahan Kalor Secara Konduksi:

• Benda yang terbuat dari logam akan terasa hangat atau panas jika ujung benda tersebut dipanaskan. Misalnya, ketika kita memegang kembang api yang sedang dibakar, atau memegang penggaris besi yang ujungnya dipanaskan dengan lilin.
• Knalpot motor menjadi panas saat mesin dihidupkan.
• Tutup panci menjadi panas saat dipakai untuk menutup rebusan air.

Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses perpindahan kalor yang terjadi pada suatu zat dengan disertai perpindahan partikel-partikel dari zat tersebut. Jika partikelnya berpindah dan mengakibatkan kalor merambat, dan terjadilah konveksi. Konveksi umumnya terjadi pada fluida (zat cair dan gas).

Terdapat dua jenis konveksi, yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi ini terjadi karena adanya perbedaan massa jenis pada bagian-bagian fluida tersebut. Ketika dipanaskan, bagian fluida yang berdekatan dengan sumber panas akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang (terjadi pemuaian volume).

Akibatnya bagian fluida yang massa jenisnya lebih rendah ini akan berpindah ke atas. Sedangkan konveksi paksa adalah konveksi yang dibantu oleh benda eksternal seperti kipas, pompa, dan pengaduk.

Persamaan yang menghubungkan beberapa besaran yang memengaruhi laju kalor konveksi ditunjukkan dengan persamaan di bawah:

$$H = \frac{Q}{t} = h A \Delta T$$

Dengan \(H = \frac{Q}{t}\) adalah laju kalor konduksi (Watt atau J/s), \(A\) adalah luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m²), \(h\) adalah konduktivitas konveksi (Wm⁻²K⁻¹), dan \(\Delta T\) adalah beda suhu antara benda dan fluida (K atau °C).

Contoh Perpindahan Kalor Secara Konveksi:

• Gerakan naik dan turun air ketika dipanaskan.
• Gerakan naik dan turun kacang hijau, kedelai, dan sebagainya ketika dipanaskan.
• Terjadinya angin darat dan angin laut.

Radiasi

Perpindahan kalor yang terjadi dalam bentuk perambatan gelombang elektromagnetik tanpa adanya zat perantaranya disebut radiasi. Radiasi juga biasanya dapat disertai cahaya. Setiap benda memancarkan ataupun menyerap radiasi menurut persamaan Stefan-Boltzmann.

Persamaan yang menghubungkan beberapa besaran yang memengaruhi laju kalor radiasi ditunjukkan oleh persamaan berikut ini.

$$H = \ \frac{Q}{t} = e A \sigma T^4$$

Dengan \(H = \frac{Q}{t}\) adalah laju kalor konduksi (Watt atau J/s), \(A\) adalah luas permukaan benda (m²), \(e\) adalah emisivitas benda (0 ≤ \(e\) ≤ 1), \(T\) adalah suhu mutlak (K), dan \(σ\) adalah konstanta Boltzmann yang bernilai 5,67 x 10⁻⁸ Wm⁻²K⁻⁴.

Emisivitas adalah rasio energi dari karakteristik suatu bahan yang tergantung pada jenis zat dan permukaannya. Permukaan yang hitam kusam, seperti arang, mempunyai emisivitas mendekati 1, yang berarti dapat memancarkan dan menyerap radiasi sangat baik. Sedangkan, permukaan yang putih mengkilat mempunyai emisivitas mendekati 0 yang berarti benda kurang baik dalam memancarkan dan menyerap radiasi.

Contoh Perpindahan Kalor Secara Radiasi:

• Panas matahari bisa sampai ke bumi walaupun melalui ruang hampa di luar angkasa.
• Tubuh terasa hangat ketika berada di dekat sumber api, misalnya api unggun.
• Panas dari lampu ketika menghangatkan telur unggas.
• Pakaian menjadi kering ketika dijemur akibat panas dari matahari.

Aplikasi Perpindahan Kalor

Dalam kehidupan sehari-hari, kita banyak menjumpai peristiwa perpindahan kalor. Perpindahan kalor dapat dimanfaatkan agar mempermudah hidup kita. Maka dari itu, para ilmuwan mengaplikasikan perpindahan kalor terhadap hal-hal berikut:

• Aplikasi perpindahan kalor secara konduksi adalah solder listrik. Panas dari solder listrik akan dialirkan pada timah. Konsep pemuaian dan perubahan wujud timah terjadi pada proses tersebut.

• Aplikasi perpindahan kalor secara konveksi yaitu, cuaca. Perbedaan suhu dan kelembapan mempengaruhi pergerakan awan dan akan berakibat pada cuaca di suatu daerah.

• Aplikasi perpindahan kalor secara radiasi adalah oven microwave. Oven ini memancarkan gelombang mikro melalui magnetron yang disalurkan dalam oven. Ketika gelombang bertemu makanan, molekul air di dalamnya menyerap energi dan menghasilkan panas secara efisien.

Selain berbagai aplikasi perpindahan kalor di atas, ada satu benda yang dapat menahan ketiga cara perpindahan kalor sekaligus, yaitu termos air. Pada bagian-bagian penyusun termos, memiliki fungsi agar menahan terjadinya perpindahan kalor agar air di dalamnya tetap dingin ataupun panas.

Seperti bagian permukaan mengkilat atau dinding kaca luar berfungsi mencegah perpindahan panas secara radiasi. Dan bagian tutup termos dengan karet membuat ruang dalam termos menjadi vakum, dapat mencegah perpindahan panas secara konveksi dan konduksi.

Kesimpulan

Kalor adalah energi yang mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Ketika dua benda bersentuhan, maka secara spontan akan terjadi perpindahan energi panas tersebut.

Perpindahan kalor akan berhenti ketika kondisi benda sudah berada dalam kesetimbangan termal. Kesetimbangan termal adalah ketika dua benda telah mencapai suhu yang sama dan berhenti bertukar energi.

Perpindahan kalor itu sendiri dapat terjadi melalui tiga cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Aplikasi perpindahan kalor sangat bermanfaat untuk kehidupan sehari-hari.