8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
1/38
MAKALAH PEMICU 1
PERPINDAHAN KALOR KONDUKSI
MATA KULIAH PERPINDAHAN KALOR
Disusun oleh:
KELOMPOK 7
Adinda Diandri Putri (1406553013)
Alver B. Mahdapati (1406607754)Andika Putra Brahma (1406607893)
Nur Safitrah Setiawati (1406607741)
Reza Adhitya (1406608006)
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
2/38
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena akhirnya tim penulis dapat
menyelesaikan laporan perpindahan kalor pemicu 1 mengenai perpindahan kalor konduksi.
Sebagai calon insinyur teknik kimia sudah semestinya mempelajari berbagai hal terkait
perpindahan kalor, termasuk didalamnya perpindahan kalor konduksi. Hal tersebut dipandang
sangat penting, untuk menjadi dasar mempelajari proses pada teknik kimia nantinya.
Walaupun banyak kendala yang dihadapi sepanjang pembuatan laporan ini, tim penulis
tetap bertekad untuk menyelesaikan laporan ini sebagai komitmen dan tanggung jawab demi
memenuhi tugas mata kuliah perpindahan kalor. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih
kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan laporan ini.Tim penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena
itu, tim penulis mengharapkan adanya kritik serta saran supaya laporan ini lebih baik lagi untuk
kedepannya.
Tim penulis berharap agar laporan ini bisa bermanfaat bagi para pembaca dan dapat menambah
wawasan kami khususnya mahasiswa teknik kimia.
Depok, 22Maret 2016
Tim penulis
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
3/38
2
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ..................................................................................................................... i
DAFTAR ISI ................................................................................................................................... ii
BAB I : PENDAHULUAN...................................................................................................................... 1
BAB I : LANDASAN TEORI .........................................................................................................3
BAB II : JAWABAN PERTANYAAN .........................................................................................12
Soal Kasus ..................................................................................................................................12
Soal 1 ..........................................................................................................................................18
Soal 2 ..........................................................................................................................................20
Soal 3 ..........................................................................................................................................24
Soal 4 ..........................................................................................................................................25
Soal 5 ..........................................................................................................................................30
DAFTAR PUSTAKA....................................................................................................................34
LAMPIRAN...................................................................................................................................35
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
4/38
3
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Konduksi adalah peristiwa perpindahan kalor yang membutuhkan medium perambatandan kontak langsung. Adanya gradien suhu menyebabkan perpindahan kalor dari suatu benda ke
benda lainnya. Konduksi bisa dianalisis dari sudut pandang satu dimensi ataupun multidimensi.
Prinsip mengenai konduksi sudah banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Dalam
makalah ini, pembahasan mengenai konduksi akan dititikberatkan pada konduksi tunak dan tak
tunak serta aplikasinya dalam sistem insulasi. Secara umum perpindahan kalor secara konduksi
dapat dibagi menjadi dua berdasarkan berubah atau tidaknya suhu terhadap waktu, yaitu
konduksi tunak ( steady) dan konduksi tak tunak (unsteady). Konduksi tunak dapat dijelaskan
sebagai konduksi ketika suhu yang dihantarkan tidak berubah atau distribusi suhu konstan
terhadap waktu. Sebaliknya, konduksi tak tunak jika suhu berubah terhadap waktu.
Makalah ini juga dibuat untuk mendalami perpindahan kalor konduksi baik secara tunak
maupun tak tunak. Dengan memahami pengetahuan mengenai perpindahan kalor konduksi
secara tunak dan tak tunak, penulis berharap konsep di atas dapat diaplikasikan dalam kehidupan
sehari-hari serta dalam proses industri.
1.2. RUMUSAH MASALAH
a) Apa yang dimaksud perpindahan kalor konduksi pada kondisi tunak dan tak tunak?
b) Bagaimana cara menganalisis perpindahan kalor dalam berbagai kondisi?
c) Bagaimana cara menyelesaikan kasus perpindahan panas konduksi dengan berbagai metodedan sudut pandang?
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
5/38
4
1.3. TUJUAN PENULISAN
Tujuan dari penyusunan makalah ini adalah :
a) Mengetahui dan memahami mengenai perpindahan kalor konduksi tunak dan tak tunak beserta
prinsipnya.
b) Mengetahui dan dapat mengaplikasikan cara-cara untuk menganalisis perpindahan kalor
kondisi dalam berbagai kondisi.
c) Mengetahui dan dapat menjelaskan aplikasi konduksi dalam sistem insulasi.
d) Menjelaskan fenomena perpindahan konduksi panas
e) Menerapkan Hukum Fourier
f) Menyelesaikan kasus perpindahan panas konduksi dengan berbagai metode dan menentukan
sudut pandang
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
6/38
5
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Perpindahan Kalor Konduksi
Perpindahan kalor secara umum terjadi karena adanya gradien suhu pada suatu benda,
dimana kalor tersebut berpindah dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah. Perpindahan kalor
secara konduksi terjadi apabila laju perpindahan kalor sebanding dengan gradien suhu. ~ atau = − (2.1-1) Dimana q merupakan laju perpindahan kalor dan adalahgradien suhu pada arah x. Persamaan inilah yang disebut dengan Hukum Fourier tentang kalor
konduksi. Persamaan ini juga merupakan persamaan dasar untuk konduktivitas termal.
Konduktivitas termal setiap bahan berbeda-beda, nilai-nilai tersebut menunjukkan seberapa cepat
kalor dapat mengalir di dalam bahan tersebut. Nilai dari konduktivitas termal tersebut
bergantung pada kecepatan suatu molekul bergerak dan juga medan gaya molekul tersebut dalam
proses tumbukan.
2.2.Perpindahan Kalor Konduksi Tunak
Hukum Fourier Berdasarkan Bentuk Benda
Hukum Fourier adalah hukum empiris laju perpindahan kalor dengan sistem konduksi.
Hukum ini menyatakan bahwa laju aliran panas (dq/dt) melalui homogen padat berbanding lurus
dengan luas perpindahan kalor pada arah aliran kalor (A) dan beda suhu di pangkal dan ujung
lapisan (dT), namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan (dx). Rumus hukum Fourier
adalah persamaan (1). = − (2.1-2)Konstanta positif k disebut konduktivitas termal atau kehantaran termal benda.
Sedangkan alasan pemberian tanda minus dalam rumus Fourier adalah untuk memenuhi hukum
nol termodinamika dimana kalor akan berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Hukum Fourier
berdasarkan bentuk benda digambarkan dalam tabel berikut:
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
7/38
6
Tabel 1. Hukum Fourier berdasarkan pada bentuk benda
(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer 10th Edition. New York: McGraw-Hill)
2.2.1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh pada Bidang Datar
Pada satu sisi bidang datar di bawah terdapat fluida panas A, dan pada sisi lainnya fluida B yang
lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh
= ℎ = ∆ = ℎ
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
8/38
7
Perpindahan kalor menyeluruh dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh
dengan jumlah tahanan termal :
= + ∆ +
= + ∆ +
Nilai
menunjukkan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bias dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor
menyeluruh ( U ), yang dirumuskan dalam hubungan
= ∆ dimana A ialah luas bidang aliran kalor. Sehingga koefisien kalor menyeluruh ialah:
= 1 + ∆ +
U sendiri memiliki nilai yang sebanding dengan nilai resistansi termal dipangatkan satu,
atau
= 1
2.2.2. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh pada Silinder
Untuk silinder bolong yang terkena lingkungan konveksi di permukaan bagian dalam dan
luarnya, analogi tahanan listriknya seperti gambar di bawah ini, di mana T Adan TBialah suhu
kedua fluida. Dalam hal ini luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua fluida. Luas bidang
ini bergantung dari diameter dalam tabung dan tebal dinding.
Gambar 1. Analogi listrik seri pada aliran plat
berlapis
(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer
10th Edition. New York: McGraw-Hill)
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
9/38
8
Perpindahan panas menyeluruh dari zat alir di dalam pipa ke zat alir di luar pipa adalah
= + +
Luas permukaan untuk perpindahan panas zat alir :
di dalam pipa, =2 di luar pipa, =2
sehingga,
= + + = 2
+ +
Koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas bidang dalam atau bidang
luar tabung.
Bidang dalam,
= +
+
= 2 +
+
= 1 +
+
Gambar 2. Analogi listrik seri pada aliran silinder bolong
(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer 10th Edition.
New York: McGraw-Hill)
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
10/38
9
Bidang luar,
= +
+
= 2 +
+
= 1 +
+
Hubungan nilai koefisien U terhadap resistansi termal R menjadi
= 1Σ =
1Σ,
2.2.3. Sistem Insulasi
Sistem insulasi atau insulasi termal ialah sistem yang bertujuan untuk mengurangi laju
pengurangan kalor. Insulasi mengendalikan aliran panas pada suatu benda dengan sifat
material tertenu. Bahan yang digunakan disebut insulator atau isolator. Nilai R Kemampuan
suatu bahan insulasi untuk menahan atau mengurangi perpindahan dari satu sisi ke sisi yang
lain ditunjukkan dengan nilai R. Semakin besar nilai R maka semakin baik suatu bahan
dijadikan isolator. Nilai R dirumuskan
R =∆
/ (2.1-17)dengan Δ merupakan perbedaan suhu, qadalah laju perpindahan kalor, dan A adalah luasarea. Tebal Kritis Insulasi Suatu pipa sirkular yang membawa suatu cairan panas diselubingi
oleh insulator yang berfungsi untuk mempertahankan temperatur cairan tersebut atau untuk
memilimalisasi kalor yang keluar dari cairan dalam pipa. Jika pipa tidak diberi selubung,
maka kalor cairan akan banyak berpindah ke lingkungan sehingga suhu cairan akan mudah
turun. Dalam dunia industri, peristiwa ini akan memberi dampak negatif dan tidak efisien.
Selubung yang diberikan harus sesuai dengan kebutuhan. Apabila berlebih, maka menjadi
kurang efisien. Apabila kurang dari tebal minimal, maka insulasi justru mempercepat proses
pelepasan kalor dari cairan di dalam pipa.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
11/38
10
Gambar 3. Tebal kritis insulasi
(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer 10th Edition. New York: McGraw-Hill)
Perpindahan kalor yang terjadi dirumuskan sebagai berikut :
dimana
ro= jari-jari kritis insulator terhadap pusat pipa
ri = jari-jari pipa
L = panjang pipa
h = koefisien perpidahan kalor konveksi di luar pipa
Ti= suhu di dalam insulator (di dalam sistem)∞ = suhu lingkunganSistem insulasi akan efektif apabila turunan dari total laju perpindahan kalor di dalam pipa
terhadap jari-jari (tebal) kritis insulator bernilai nol. Persamaannya ialah :
(2.1-19)
yang kemudian menghasilkan persamaan seperti berikut :
R 0= h
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
12/38
11
2.3. Perpindahan Kalor Konduksi Tidak Tunak
2.3.1. Sistem Kapasitas Kalor Tergabung
Metode kapasitas kalor tergabung atau tergumpal (lumped-heat-capacity method )
merupakan metode untuk menganalisis perpindahan kalor konduksi tak tunak dengan cara suhu
system dianggap seragam. System ini merupakan suatu idealisasi karena di dalam setiap bahan
selalu ada gradient suhu (temperature gradient ) apabila pada bahan tersebut ada kalor yang
dikonduksi ke dalam atau ke luar. Pada umumnya, makin kecil ukuran benda makin realistic pula
pengandaian tentang suhu seragam itu; dan pada limitnya kita dapat menggunakan diferensial
volume sebagaimana dalam penurunan persamaan umum konduksi kalor.
Jika sebuah boleh baja panas dicelupkan ke dalam air dingin, kita boleh menggunakan
metode analisis kapasitas-kalor-tergabung apabila kita dapat membenarkan pengandaian suhu
seragam di dalam bola, selama proses pendinginan itu berlangsung. Distribusi suhu di dalam
bola bergantung dari konduktivitas termal (thermal conductivity) bahan bola itu, dan kondisi
perpindahan kalor dari muka bola ke fluida lingkungan, yaitu koefisien perpindahan-kalor
konveksi-permukaan ( surface-convection heat-transfer coefficient ). Distribusi suhu yang cukup
seragam di dalam bola bisa kita dapatkan jika tahanan terhadap perpindahan kalor konduksi kecil
bila dibandingkan dengan tahanan konveksi pada permukaan, sehingga gradient suhu terdapat
terutama pada lapisan fluida di permukaan bola. Analisis kapasitas-kalor-tergabung
mengandaikan bahwa tahanan dalam benda dapat diabaikan terhadap tahanan luar.
Convection heat loss suatu benda terlihat dari penurunan energy dalam ( internal energy)
benda tersebut, seperti pada gambar 1.
= ∞
= (1) A = luas permukaan konveksi
V = volume
Keadaan awal adalah = pada = 0.Sehingga penyelesaian persamaan (1) adalah
−∞
−∞ = −[/] (2) ∞
= suhu lingkungan konveksi
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
13/38
12
Gambar 5. Nomenklatur untuk analisis kapasitas-kalor satu gabungan
(Sumber: Holman, J. P. 2010. Heat Transfer 10th Edition. New York: McGraw-Hill)
Jaringan termal untuk kapasitas-tunggal ( single-capacitysystem) ditunjukan pada gambar
1 (b). Dalam jaringan ini terlihat ahwa kapasitas termal system mula – mula dimuati oleh
potensial T0 dengan menutup sakelar S. Kemudian bila sakelar itu dibuka, energy yang tersimpan
dalam kapasitas termal dibuang melalui tahanan
. Analogi antara system termal ini dengansystem listrik cukup ketara dan kita dengan mudah dapat menyusun system listrik yang tingkah
lakunya sama dengan system termal, yaitu dengan membuat perbandingan
= = =
Sama dengan
dimana ialah tahanan dan adalah kapasitansi. Dalam systemtermal kita menyimpan energis edangkan dalam system listrik kita menyimpan muatan listrik.
Aliran energy dalam system termal disebut kalor, aliran muatan listrik diebut arus listrik.
Besaran disebut konstanta waktu (time constant ) dari system itu, karena mempunyai dimensi
waktu.
Bila
= Terlihat bahwa beda suhu ∞mempunyai nilai 36,8 persen dari beda awal ∞.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
14/38
13
Penerapan Anal iti s Kapasitas Tergabung
Telah diketahui bahwa analisis seperti kapasitas-tergabung mengandaikan distribusi suhu
seragam pada seluruh benda padat tersebut, dan pengandaian itu sama artinya dengan
mengatakan bahwa tahanan konveksi – permukaan ( surface –
convection resistance) lebih besardaripada tahanan konduksi – dalam (internal conduction resistance). Analisis demikian dapat
diharapkan menghasilkan perkiraan yang memadai apabila kondisi di bawah ini dipenuhi
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
15/38
14
BAB II
JAWABAN PERTANYAAN
A. Soal Kasus
Gelombang Mikro Pada Microwave
Oven microwave menggunakan gelombang mikro untuk memasak atau memanaskan
makanan. Gelombang mikro yang digunakan oven microwave untuk memanaskan makanan
mempunyai panjang gelombang 12.2 cm dan frekuensi 2.45 Gigahertz (2.45 juta getaran per
detik). Spektrum gelombang ini terletak antara gelombang radio FM (frequency modulation) dan
sinar infra merah.
Gelombang radio pada rentang frekuensi ini mempunyai sifat yang menarik, Karena
dapat diserap oleh air, lemak, dan gula. Saat gelombang ini terserap suatu benda, gelombang ini
langsung berubah menjadi panas gerakan atom. Gelombang mikro pada frekuensi ini mempunyai
sifat menarik lainnya yaitu gelombang ini tidak terserap oleh kebanyakan jenis plastik, gelas atau
keramik. Logam memantulkan gelombang mikro sehingga wadah yang terbuat dari logam tidak
cocok untuk digunakan sebagai wadah dalam microwave.
Prinsip Kerja Microwave
Berikut adalah cara kerja dari sebuah microwave oven dalam memanaskan sebuah makanan:
1. Arus listrik bolak-balik dengan beda potensial rendah dan arus searah dengan beda
potensial tinggi diubah dalam bentuk arus searah.
2. Magnetron menggunakan arus ini untuk menghasilkan gelombang mikro dengan
frekuensi 2.45 GHz.
3. Gelombang mikro diarahkan oleh sebuah antenna pada bagian atas magnetron ke dalam
sebuah waveguide.
4. Waveguide meneruskan gelombang mikro ke sebuah alat yang menyerupai kipas, disebut
dengan stirrer. Stirrer menyebarkan gelombang mikro di dalam ruang oven.
5. Gelombang mikro ini kemudian dipantulkan oleh dinding dalam oven dan diserap oleh
molekul-molekul makanan.
6. Karena setiap gelombang mempunyai sebuah komponen positif dan negatif, molekul-
molekul makanan didesak kedepan dan kebelakang selama 2 kali kecepatan frekuensi
gelombang mikro, yaitu 4,9 juta kali dalam setiap detik.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
16/38
15
Gelombang mikro merupakan hasil radiasi yang dapat ditransmisikan, dipantulkan atau
diserap tergantung dari bahan yang berinteraksi dengannya. Oven microvawe memanfaatkan 3
sifat dari gelombang mikro tersebut dalam proses memasak. Gelombang mikro dihasilkan oleh
magnetron, gelombang tersebut ditransmisikan ke dalam waveguide, lalu gelombang tersebut
dipantulkan ke dalam fan stirrer dan dinding dari ruangan didalam oven, dan kemudian
gelombang tersebut diserap oleh makanan. Microwave oven dapat membuat air berputar, putaran
molekul air akan mendorong terjadinya tabrakan antar molekul. Tabrakan antar molekul inilah
yang akan membuat molekul-molekul tersebut memanas.
Perlu diingat bahwa sebagian besar makanan memiliki kadar air didalamnya dan jika
makanan tersebut memiliki kadar air berarti efek yang sama akan terjadi jika makanan tersebut
dimasukan dalam microwave oven. Selain itu harus dingat juga bahwa molekul makanan yang
lain akan menjadi panas karena ada kontak langsung antara molekul tersebut dengan molekul air
yang memanas.
Melalui perpindahan energi, panas disebabkan oleh pergerakan molekul-molekul.
Perpindahan energi ini dapat terjadi dengan 3 cara berbeda, yaitu:
1. Konduksi
Terjadi karena adanya kontak langsung dengan sumber panas, contoh papan pengorengan yang
menjadi panas setelah bersentuhan dengan sumber api pada kompor.
2. Konveksi
Konveksi terjadi ketika uap panas naik atau uap berputar di dalam ruangan tertutup seperti oven.
Panas uap ini akan memanaskan bagian luar makanan dan diteruskan sampai bagian dalam
makanan tersebut.
3. Radiasi
Terjadi karena adanya gelombang elektromagnetik yang membuat molekul-molekul air
bergerak.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
17/38
16
Komponen-komponen utama sebuah oven microwave
1. Pertimbangan-pertimbangan dalam mendesain alat pemanas masakan
a. Fungsi alat pemanas masakan
Seperti yang kita tahu bahwa fungsi dari alat pemanas masakan adalah untuk
mematangkan masakan ataupun hanya sekadar untuk memanaskan masakan. Salah
satu alat pemanas masakan yaitu oven. Oven berfungsi untuk mematangkan masakan
yang akan diolah menjadi makanan. Pertimbangan dalam mendesain alat pemanas
yaitu alat pemanas masakan harus memiliki fungsi umum dari alat pemanas masakan
tersebut.
b. Masakan cepat matang dan hasilnya memuaskan
Dalam memasak, tentu saja kita mengharapkan masakan yang kita masak cepat
matang. Maksudnya adalah untuk menghemat materi dan juga waktu. Oleh karena itu,
alat pemanas masakan yang mampu membuat masakan lebih cepat perlu menjadi
pertimbangan dalam mendesain alat.
c. Bahan dapat menghantarkan panas dengan baik
Bahan yang akan dibentuk menjadi oven harus memiliki daya hantar panas yang
baik. Hal ini ditujukan agar tingkat efisiensi oven atau alat pemanas masakan lainnya
menjadi tinggi sehingga bahan pembuatan pun dapat menjadi bahan pertimbangan.d. Bentuk alat pemanas yang praktis
Bentuk alat pemanas yang praktis dapat memudahkan kita dalam proses
pemasakan. Hal ini karena sesuatu yang bersifat praktis di masa modern ini sangat
diperlukan agar tidak memakan space yang terlalu banyak di dapur.
e. Harga
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
18/38
17
Dalam membeli sesuatu, pasti yang menjadi pusat perhatian adalah harga dari
sesuatu yang akan yang kita beli tersebut. Harga yang relatif murah dengan bahan alat
yang baik akan menjadi incaran dari semua orang. Oleh karena itu harga wajib
dipertimbangkan.
2. Langkah – langkah yang ditempuh dalam mendesain alat
Dalam menciptakan inovasi alat pemanas masakan, diperlukan banyak tahapan untuk dapat
mewujudkan inovasi tersebut menjadi produk yang bisa diproduksi missal dan diterima oleh
masyarakat. Langkah - langkah yang dibutuhkan yang ditempuh untuk merancang produk
inovasi alat pemanas adalah sebagai berikut:
1. Market Research dan Feasibi li ty Study Market Research
Pada tahap ini kita bisa mencari tahu kekurangan atau kelebihan dari produk yang
telah beredar di masyarakat sekarang. Langkah ini dilakukan untuk mengetahui selera
pasar pada umumnya. Dari market research ini bisa didapatkan produk seperti apa yang
konsumen butuhkan atau inginkan.
Pada langkah ini kita bisa mencari tahu dan mendapatkan data bagaimana
perkembangan alat pemanas sekarang ini, apa saja kekurangan atau kelemahan dari alat -
alat pemanas yang sudah ada sekarang dan alat pemanas jenis apakah yang menjadi
selera pasar sekarang dalam lingkup bentuk, harga, fungsi dan lain-lain.
2. Brainstorming
Brainstorming , atau dalam bahasa Indonesia juga disebut sebagai curah pendapat,
adalah proses mengumpulkan ide-ide untuk mencari solusi/jalan keluar dari masalah yang
didapat dari hasil market research. Dari proses berdiskusi ini akan didapatkan garis besar
barang yang akan dibuat, cara kerja, komponen yang akan dipakai, dan lain sebagainya.
Pada tahap ini kita sudah mulai mengolah data - data tentang permasalahan yang
telah didapatkan pada tahap selanjutnya mengenai alat pemanas dan dari hal itu kitasudah dapat mendapatkan gambaran bagaimana produk inovasi alat pemanas yang akan
dibuat. Kita sudah memiliki gambaran fungsi alat pemanas tersebut, material alat
pemanas yang digunakan, alat - alat atau suku cadang yang dibutuhkan dalam alat
pemanas makanan tersebut.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
19/38
18
3. Menentukan Tujuan dan Batasan Produk
Tujuan dan batasan diperlukan agar kita tidak berlebihan dalam merancang
produk tersebut yang akan berakibat mahalnya harga jual ke konsumen. Konsumen tentu
saja menginginkan nilai tambah yang ditawarkan dalam produk tersebut sepadan dengan
biaya yang dikeluarkannya (reasonable price). Tentu saja market research diperlukan
untuk mengetahui selera pasar. Dari menentukan tujuan dan batasan ini kita memperoleh
spesifikasi komponen-komponen dan material apa saja yang akan dipakai.
Misal dalam alat pemanas yang akan kita rancang kita membatasi bahwa produk
alat pemanas ini hanya sebatas digunakan untuk memanaskan makanan, bukan untuk
memasak makanan mentah menjadi matang. Dari hal itu kita bisa memperkirakan kira-
kira material yang dipakai seperti apa.
4.
Menggambar Produk
Dengan menggambarkan produk berdasarkan hubungan dimensi komponen-
komponen yang sudah ditentukan dalam tahap - tahap di atas, kita akan mendapatkan
ilustrasi produk jadi. Produk bisa digambar dalam 2 dimensi atau 3 dimensi, biasanya
gambar 3 dimensi lebih mudah dimengerti oleh sebagian besar orang. Merancang produk
dalam 3 dimensi bisa dilakukan dengan menggunakan software SolidWorks, Inventor,
Catia dan lain - lain. Dari tahap - tahap sebelumnya kita bisa mulai mengilustrasikan
produk alat pemanas yang akan kita buat.
5. Review Produk
Produk review dilakukan untuk mengevaluasi apakah ada kekurangan pada
rancangan yang sudah dibuat desainnya sampai tahap gambar ini. Diskusi dengan melihat
gambar produk biasanya lebih mudah berkembang daripada hanya membayangkannya
saja. Pada tahap ini kembali dilakukan brainstorming untuk mendapatkan hasil yang
optimal dan meminimalisir masalah yang akan timbul ketika produksi masal nanti. Pada
tahap ini pula biasanya produk yang sedang dirancang perlu akan dibenahi.
Pada tahap ini ilustrasi produk alat pemanas yang akan kita buat kita evaluasi
kira-kira dengan desain produk seperti ini apakah akan menimbulkan masalah - masalah
tertentu. Dari masalah - masalah yang bisa kita temukan, kita bisa memperbaiki
rancangan desain produk yang telah kita buat.
6. Membuat Prototype/Sample
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
20/38
19
Pembuatan prototype/sample diperlukan untuk mengetahui apakah produk yang kita
buat benar-benar dapat diwujudkan dan untuk memberikan gambaran fisik bagi kita
maupun bagi masyarakat tentang produk yang akan dibuat. Untuk produk-produk yang
sudah umum tidak perlu sampai membuat sample barangnya (produk-produk dari besi),
seperti produk alat pemanas, namun memerlukan ketelitian dalam menggambar dan tidak
boleh ada kesalahan gambar yang bisa berakibat fatal: barang reject.
7. Uji Coba
Sebelum dipasarkan tentu kita perlu menguji apakah barang yg kita buat ini benar-
benar dapat berfungsi dengan baik atau tidak. Untuk alat pemanas kita mengujinya dari
mengukur besar panas yang dikeluarkan dari pengukuran temperatur pada sekian waktu
apakah telah sesuai dengan yang telah dirancang sebelumnya, dan lain - lain.
Jika ditemukan hal-hal yang tidak memuaskan tentu saja produk tersebut perlu
didesain ulang (kembali ke tahap 3). Hal-hal yang memuaskan tentu saja harus dilihat
dari sudut pandang konsumen, bukan produsen. Begitulah produsen-produsen besar saat
ini mengkaji terus menerus produk mereka agar nama produk yang mereka buat tetap
terjaga.
8. Produksi Massal
Dalam produksi masal perlu adanya kontrol kualitas agar konsumen tidak sampai
menerima barang yang rusak.
9. Garansi
Garansi adalah layanan purna jual yang diberikan oleh perusahaan yang membuat
produk tersebut agar konsumen tenang jika sewaktu-waktu ada kerusakan pada barang
tersebut.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
21/38
20
B. Soal Hitungan
1. Sebuah peti es dibuat dari bahan busa styrofoam (k = 0,033 W/m oC) dengan dimensi dalam
25 x 40 x 100 cm dan tebal dinding 5,0 cm. Bagian luar peti berada dalam udara yang
suhunya 25 oC dengan h = 10 W/m2oC. Jika peti berisi penuh dengan es, hitunglah waktu
yang diperlukan sampai seluruh es mencair.
Penyelesaian :
Diketahui:
K styrofoam = 0,03 W/m. °C
P x L x T styrofoam = dimensi 25 x 40 x 100 cm
Tebal styrofoam = 5 cm
T˷ = 25 °C
Ditanya: Waktu (t) untuk es mencair?
Jawab:
Gambar Sistem Soal Nomor 1:
Gambar 1. Ilustrasi pada sistem dan ilustrasi peti es
Asumsi:
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
22/38
21
Suhu styrofoam= 25 °C.
Peti terisi penuh dengan es maka udara sangat sedikit, hampir tidak ada, sehingga konveksi
dengan udara di dalam peti bisa diabaikan
Suhu permukaan dalam dan luar styrofoam konstan, yaitu 0 °C dan 25 °C.
Es merupakan benda yang besar sehingga tidak dapat dimasukan pada analisis kalor
tergabung, dapat dipastikan bilangan biot es lebih dari 0,1.
Perpindahan kalor pada dasar peti diabaikan.
Sistem tunak.
Suhu es = 0 °C.
Kalor lebur es suhu 0 °C = 333,7 kJ/kg.
ρ es pada suhu 0 °C = 0,9987 g/cm3.
(dari appendix A.2-3 buku Transport Process and Unit Operation, Christie J. Geankopolis).
Tahap 1: Mencari luas permukaan (area) perpindahan kalor
A = 2(30 cm x 15 cm) + 2(15 cm x 90 cm) + 2(30 cm x 90 cm)
A = 9000 cm2 = 0,9 m2
Tahap 2: Mencari laju perpindahan kalor pada peti
Laju Q′ = kA∆TL
′ = 0,03Wm . °C 0,9 2250°C0,05
′ = 13.5 WTahap 3: Mencari massa es
= m = (30 x 15 x 90)cm3 x 0,99987 kg/m3
m = 40447.35 g
m = 40.447 kg
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
23/38
22
Tahap 4: Menghitung total kalo yang dibutuhkan untuk mencairkan es
Q = mL
Q = (40.447 kg)(333,7 kJ/kg)
Q = 13497,164 kJ
Q = 13497164 J
Tahap 5: Menghitung waktu perpindahan kalor
∆ = ′
∆ = 13497164 kJ13.5 / ∆ = 999789.926
∆t = 11.57 hari
Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk es sepenuhnya mencair adalah 11.57 hari.
2. Suatu sistem isolasi dipilih untuk dinding tanur yang suhunya 1000o
C dengan menggunakan
lapisan blok wol mineral dan diikuti dengan lapisan papan kaca serat. Bagian luar isolasi
berada dalam lingkungan dengan suhu 40oC dan h = 15 W/m2.oC. Hitunglah tebal masing-
masing lapisan isolasi, jika suhu antar lapisan tidak lebih dari 400oC dan suhu bagian luar
tidak lebih dari 55oC!
Diketahui:
Temperatur wol mineral = 400 oC
Temperatur Tanur = 1000 oC
Temperatur papan kaca serat = 55 oC
T∞ = 40 oC
h = 15 W/m2.oC
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
24/38
23
Ditanya
Tebal masing-masing lapisan isolasi ?
Penyelesaian:
Pertama kita harus menentukan asumsi dan mengumpulkan data yang kita dapatkan dari soal:
Data batas suhu dan konduktivitas :
Batas suhu bawah-atas Wol Mineral = 450oC – 1000oC
Batas suhu bawah-atas Papan kaca serat = 20oC – 450oC
Batas k bawah-atas wol mineral = 52 mW/m2 .oC – 130 mW/m2 .oC
Batas k bawah-atas papan kaca serat = 33 mW/m2 .oC – 52 mW/m2 .oC
wm ks
T∞ = 40oC Ttanur =1000oC
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
25/38
24
Gambar 1. Sistem Isolasi Dinding Tanur
Asumsi yang dapat dibuat
Nilai k pada fluida tanur tidak diketahui, sehingga perhitungan dimulai dari konduksi isolasi
wol mineral.
Setelah menentukan asumsi yang akan kita gunakan dalam penyelesaian masalah,
berikutnya kita mencari persamaan umum untuk menyelesaikan masalah matematis ini.
Rumus umum yang paling menggambarkan keadaan ini adalah sebagai berikut :
h
T T k X
T T k X
T T k A
q ks A
B
kswm B
A
wmur A 1
tan
..........(i)
Kita tinggal mensubstitusikan dengan k A merupakan k wm (konduktivitas wol mineral) dan
k A merupakan k ks (konduktivitas papan kaca serat). Persamaan menjadi:
ks
kswmks
wm
wmur A
X
T T k
X
T T k
A
q
tan
........(ii)
Pertama-tama, kita mencari nilai acuan konduksi dengan cara menghitung kalor
konveksinya :
2
2
225
15
1
4055
1 mW
C mW
C C
h
T T
A
q ks
Kemudian, kita mencari konduktivitas dari setiap bahan isolasi dengan menghitung suhurata-rata dan melihat konduktivitasnya pada tabel. Bila tidak ada angka yang tepat sama, kita
dapat melakukan interpolasi
k wm (konduktivitas wol mineral)
Suhu rata-rata: C C C
7002
4001000
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
26/38
25
C mmW k
C mmW
C mmW x
C
C
C mmW C mmW
C mmW x
C C
C C
wm
2
2
2
22
2
/08745,0
/78
/52
550
250
/52/130
/52
4501000
450700
k ks (konduktivitas papan kaca serat)
Suhu rata-rata: C C C
5,2272
55400
C mmW
C mmW
C mmW x
C
C
C mmW C mmW
C mmW x
C C
C C
2
ks
2
2
22
2
/042,0k
/19
/33
430
5,207
/33/52
/33
20450
205,227
Setelah kita mendapatkan konduktivitasnya, kita dapat menghitung tebal isolasi dari
setiap bahan dengan menggunaka rumus (ii)
Tebal isolasi wol mineral :
m x
mW
C C C mW
Aq
T T X X
wm
wmur kmwm
24,0
/225
4001000/09,0
2
2tan
Tebal isolasi papan kaca serat :
m x
mW
C C C mW
Aq
T T X X
ks
kswm
kmks
0644,0
/225
55400/042,0
2
2
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
27/38
26
Jadi,tebal masing-masing isolasi adalah : 0.24 m untuk tebal isolasi wol minera dan
0,0644 m untuk tebal isolasi papan kaca serat
3. Sebuah pipa uap ditanam di dalam tanah tanpa lokasi. Diameter pipa 4 inci, panjang 100
yard, dan di dalamnya mengalir uap pada suhu tidak kurang dari 300F. Pipa ditanam pada
kedalaman 9 inci diukur dari sumbu pipa. Asumsi: konduktivitas termal tanah = 1.2 W/m 2C.
Menurut anda, amankah instalasi pipa tersebut?
Asumsi dan Diketahui :
- Konduktivitas termal tanah = 1,2 W/m.C
- Suhu permukaan tanah = 5C
- Suhu uap = 300F = 148,89C = 422,038K
- Kedalaman pipa (D) = 9 inci = 0,2286 m = 22,86 cm
- Diameter pipa (d) = 4 inci = 0,1016 m = 10,16 cm
- Jari-jari pipa (r) = 2 inci = 0,0508 m = 5,08 cm
- Panjang pipa (L) = 100 yard = 91,44 m = 9144 cm
Pipa memiliki dimensi L >> r dan D > 3r maka berdasarkan Tabel 3-1 mengenai faktor
bentuk konduksi pada buku Heat Transfer 8th edition oleh J. P. Holman,
Faktor bentuk konduksi dapat kita cari dengan rumus :
=
(
)
= 2 × 3,14 × 91,44 ln ,,
= 574,243 1,947 = ,
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
28/38
27
Sehingga perhitungan heat flow pada pipa tersebut,
= × × ∆ = 1 , 2
.° × 381,8 × 148,89 ° 5°
= , = , =, Apabila uap yang mengalir pada pipa adalah uap jenuh, maka energy yang dibawa oleh 10 kg
uap (asumsi) pada suhu 300F berdasarkan steam table adalah ( hv = 1180 Btu/lbm =2744,68
kJ/kg )
=2744,68 10 = 27446,8 Instalasi pipa tergolong aman atau baik apabila energi yang hilang akibat heat loss tidak
melebihi 30 % dari energy total yang dibawa uap, dengan kata lain heat loss maksimum yang
diperbolehkan adalah
=0,3 2744,68 = 8234,04 Dengan memperhitungkan laju heat loss yaitu 50,937 maka waktu tempuh minimum yangdiperlukan oleh uap agar heat loss yang terjadi tidak melebihi batas maksimum adalah
= 8234,04
65,929
= 124,9
Dengan kata lain kecepatan minimum uap adalah, , =0,73 = 2,628 . Nilai
kecepatan uap ini masuk akal dalam kehidupan nyata sehingga kesimpulannya adalah
sistem instalasi pipa uap ini tergolong aman dan baik.
4. Sebuah bola kuarsa-lebur mempunyai difusivitas termal 9 x 10-7 m2/s, diameter 2,5 cm, dan
konduktivitas termal 1,52 W/m.C. Bola tersebut mula-mula berada pada suhu seragam
25C, dans secara tiba-tiba dberi lingkungan konveksi dengan suhu 200
C. Jika koefisien
perpindahan kalor konveksi sebesar 110 W/m2.C, hitunglah suhu pada pusat bola setelah 4
menit. Dapatkah system di atas dianggap sebagai system dengan kapasitas kalor tergabung?
Metode penyelesaian mana yang paling tepat untuk soal diatas?
Diketahui:
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
29/38
28
- Difusivitas termal = 9,5 x 10-7 m2/s
- Diameter bola = 2,5 cm = 0,025 m
- Jari – jari bola = 1,25 cm = 0,0125 m
- Konduktivitas termal = 1,52 W/m.C
- Suhu bola awal (uniform) = 25C
- Suhu lingkungan konveksi = 200C
- Koefisien perpindahan kalor konveksi = 110 W/m2.C
Ditanya:
a. Hitung suhu pada pusat bola setelah 4 menit!
b. Dapatkah system dianggap system dengan kapasitas kalor tergabung?
c. Metode penyelesaian apa yang paling tepat untuk soal?
Jawab:
Tahap pertama adalah menghitung Angka Biot untuk mengetahui dapatkah system pada
soal diatas dianggap system kapasitas kalor tergabung. Jika < 0, 1maka sistemmemenuhi syarat sebagai sistem kapasitas kalor tergabung.
=
= 1102 .° 0,0125 1,52 .°
= , > , 1 =
10,9046 =1,1055
Angka Biot yang didapat lebih besar dari 0,1 sehingga dapat disimpulkan untuk
menjawab pertanyaan (b) bahwa sistem bukan sistem kapasitas kalor tergabungdan
soal diatas tidak dapat diselesaikan menggunakan analisis kapasitas kalor
tergabung.
Karena Angka Biot yang didapat pada tahap pertama lebih besar dari 0,1 maka untuk
meyelesaikan soal diatas kita menggunakan Analisis Transien.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
30/38
29
Tahap kedua adalah menghitung Angka Fourier. Jika < 0 , 2 maka tahap selanjutnyakita menggunakan Bagan Fourier, jika > 0 , 2 maka tahap selanjutnya kitamenggunakan Bagan Heisler.
= =
= =9,5 240 0,0125 =,>0,2
Angka Fourier yang didapat lebih dari 0,2 sehingga kita dapat menggunakan Bagan
Heisler.
Tahap ketiga adalah membaca grafik atau Bagan Heisler untuk mengetahui suhu pada
pusat bola setelah 4 menit. Grafik yang digunakan adalah grafik 4.9 pada buku Heat
Transfer 8th edition oleh J. P. Holman. Grafik ini adalah grafik yang menghubungkan
suhu pusat bola dan jari-jari bola. Jadi, untuk menjawab pertanyaan (c) Metode yang
digunakan adalah metode grafik karena metode ini merupakan yang paling tepat dan
paling mudah dilakukan pada kasus ini. Akan tetapi, tidak menutup kemungkinan
digunakan metode perhitungan lain yang lebih akurat sehingga perbandingan hasil yang
diperoleh antara metode grafik dengan metode yang lain sangatlah diperlukan.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
31/38
30
Nilai yang ingin didapatkan dari pembacaan grafik adalah
. Grafik 4.9 pada buku Holman
halaman 134 merupakan grafik dengan skala logaritmik. Nilai yang didapat adalah 0,05.
Nilai ini kemudian dimasukkan ke dalam rumus:
= ∞ ∞
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
32/38
31
= 200 ℃25200℃
0,05= 200 ℃175 ℃
= 191,25 ℃ Jadi, jawaban untuk pertanyaan (a) yaitu suhu pusat bola setelah 240 detik adalah 191,25°C. Cara lain untuk mencari suhu pusat bola setelah 240 detik adalah dengan menggunakan
table Koefisien untuk Solusi Heisler yang terdapat pada Appendix C di buku Heat
Transfer 8th edition oleh J. P. Holman.
- Difusivitas termal = 9,5 x 10-7 m2/s
- =0,9046 - Waktu = 240 detik
- Jari – jari =0,0125 m
- Dari table diatas didapatkan nilai dan dengan menggunakan interpolasi pada dataAngka Biot 0,9 dan 1,0
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
33/38
32
Untuk nilai :10,9046
1 0 , 9 =1,2558
1,25581,2048
= 1,207146 Untuk nilai : 10,90461 0 , 9 =
1,20711,20711,1902
= 1,1909774 - Nilai , , Difusivitas termal, waktu, dan jari – jari dimasukan ke dalam persamaan
berikut
= exp =1,1909774exp1,207146 9,5 10−240
0,0125 =0,142050 =
∞ ∞
0,142050= 200 ℃175 ℃ = 175,14 ℃
Jadi, jika kita menggunakan Tabel Heisler suhu pusat bola setelah240 detik adalah 175,14°C.
5. Sepotong bahan keramik yang cukup tebal berada pada suhu seragam 30 °C. Untuk menguji
ketahanan bahan tersebut, dilakukan dengan menaikkan suhu permukannya menjadi 2 kali
lipat semula secara tiba - tiba. Metode apakah yang anda gunakan untuk menyelesaikan
problem di atas? Jelaskan dasar anda dalam memilih metode tersebut. Gambarkan grafik
distribusi suhu sebagai fungsi waktu pada kedalaman 1 cm, selama proses pengujian
berlangsung?
Jawab
Diketahui: = 30 ° ; = 60 ° (suhu permukaan dinaikkan dua kali dari semula).
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
34/38
33
Ditanya: Tujuan dari soal di atas adalah untuk menguji ketahanan suatu bahan dengan
kenaikan suhu permukaan dua kali lipat dari suhu awal dan mengukur temperatur bahan
tersebut pada kedalaman bahan tertentu selama proses kenaikan temperatur dengan
menggambarkannya dalam grafik distribusi suhu.
Asumsi:
Benda padat semi-tak-hingga karena di dalam soal tidak diketahui ukuran keramik yang
sebenarnya. Di dalam soal hanya diberitahukan bahwa bahan keramik cukup tebal.
To konstan, karena tidak ada fluks kalor tertentu yang ditambahkan.
Distribusi suhu fungsi waktu selama 150 s.
Konduktivitas termal keramik sebesar 3.0 W/m.°C, massa jenis keramik sebesar 1600
kg/m3, c = 0.8 kJ/kg.
Metode yang dipakai untuk menyelesaikan problem di atas adalah metode aliran transien karena
kita mengasumsikan bendanya sebagai benda semi-tak-hingga.
Penghitungan:
Tahap 1. Menghitung difusivitas termal:
= /.
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
35/38
34
= 31600.800= 2.344 10−6 ²/ Tahap 2. Karena To diasumsikan konstan, kita menggunakan persamaan sebagai berikut:
, =erf
√ 2
, = +erf √ 2
, =60+erf 0.01 22.344×10− 3060
, =60erf 4.62√ 30 Untuk memudahkan perhitungan dan memudahkan dalam membuat grafik distribusi suhu,
persamaan di atas bisa dibuat dengan tabel seperti berikut:
Untuk menghitung error function, kita menggunakan referensi Tabel A-1 Appendix A pada buku
Perpindahan Kalor J. P. Holman. Untuk prosedur dalam mendapatkan nilai error function akan
dijelaskan di bawah ini :
Pertama-tama kita hitung terlebih dulu nilai =2 dalam tabel adalah nilai 4.62 .
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
36/38
35
Lalu, kita cari nilai error function pada Tabel A-1 Appendix A. Sebagai contoh, kita
ambil ketika τ = 5 s di dalam tabel dimana, =2 =2.07. Karena 2.07 berada pada titik di antara 2.00 dan 2.10, untuk mendapatkan nilai error
function pada titik 2.07 kita harus melakukan interpolasi antara titik 2.00 dan 2.10.
Hasil interpolasi memberikan nilai y=0.9965
Setelah kita melengkapi Tabel 1 (Tabel Penghitungan Distribusi Suhu), untuk mendapatkan
suatu grafik distribusi suhu pada waktu tertentu pada kedalaman 1 cm. Plot τ sebagai sumbu x
dan T(x, τ) sebagai sumbu y.
Didapatkan persamaan garisnya adalah y=0.1155x + 32.73
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
37/38
36
DAFTAR PUSTAKA
Cengel, Y. 2006. Heat Transfer 2nd Edition. New York: Mc. Graw-Hill.
Kern, Donald Q. 1965. Process Heat Transfer. New York: Mc.Graw-Hill Company, Inc.
Incropera, Frank P.; David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine
(2007). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6th ed.). John Wiley & Sons. pp. 260 –
261
Halliday and Resnick. 1991. Fisika Jilid 1 (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga.
McAdams, W.H., “Heat Transmision”, 3rd edition, McGraw Hill Book Company, Inc., New York.
Holman, J.P., “Heat Transfer ”, sixth edition, McGraw Hill, Ltd., New York, 1986.
Buchori, L. “Perpindahan Panas (Heat Transfer)”. Semarang: Universitas Diponegoro
8/18/2019 Makalah Pk Pemicu 1 Hg 8
38/38
LAMPIRAN