Kalor dan-perpindahan-kalor

Minggu ke 3
KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR
PERPINDAHAN KALOR
Kalor adalah bentuk energi yang dirasakan oleh manusia. Energi mewujudkan
keadaan di mana jumlah energi yang dipindahkan antara manusia dan persekitarannya
mencapai keseimbangan secara termal (Weller dan Youle, 1981). Perpindahan kalor
merupakan sifat dasar alam persekitaran, iaitu Hukum Termodinamika. Hukum ini
menyatakan bahawa apabila terdapat suatu kawasan dengan kandungan kalor yang
tinggi, seperti suhu yang tinggi, dan satu lagi kawasan dengan kandungan suhu yang
rendah, akan terdapat kecenderungan serta merta untuk kalor berpindah daripada
kawasan yang tinggi kepada kawasan yang rendah.
Terdapat tiga mekanisme perpindahan, iaitu radiasi, konveksi, konduksi dan
perubahan bahan di mana setiapnya memiliki sifat tertentu. Radiasi termal merupakan
mekanisme dasar aliran kalor dan penting di mana bumi menerima energinya daripada
suria. Radiasi adalah aliran energi melalui gelombang elektromagnet yang melalui
bahan vakum atau lut sinar.
Seperti yang berlaku pada bahagian bangunan yang lain, perpindahan kalor
pada atap terdiri daripada empat jenis iaitu konduksi, konveksi, radiasi dan evaporasi.
Sebahagian kalor yang diserap daripada radiasi suria hilang melalui proses konveksi ke
udara luar. Sebahagian dilepaskan semula ke bahagian ruang, dan sisanya dihantarkan
melalui bahan atap untuk menaikkan suhu sisi bawah atap. Apabila atap curam disusun
dengan menggunakan lapisan-lapisan nipis, dan memiliki keberaliran yang tinggi, akan
berlaku kenaikan suhu yang tinggi. Kalor dari sisi bawah atap ini dihantarkan dari atap
ke siling secara evaporasi dan radiasi gelombang panjang.
Pusat Pengembangan Bahan Ajar - UMB Dr. Ir. M. Syarif Hidayat M.Arch
FISIKA BANGUNAN

Mekanisme perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi merupakan
pengangkutan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Prinsip yang sama
dengan ini ialah perpindahan uap air secara penyerakan atau konveksi iaitu
pengangkutan satu unsur daripada campuran yang sesuai dengan perbedaan tahap
pekatan.
Kalor adalah sebuah bentuk energi,merupakan suatu kuantitas yang dapat diukur.
Satuan kaor adalah Btu (British Thermal Unit) yang berarti jumlah kalor yang dibutuhkan
untuk menaikkan suhu 1 pon air pada 60 derajat F adalah 1 derajat F.
-Dalam sistem metrik (SI) satuan kalor disebut dengan kalori (kal) didefinisikan sebagai
jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pon air pada 15 derajat C,sebesar
1 derajat C.
Satuan kalor
Kalor adalah sebuah bentuk energi.
Satuan: Joule (J). 1 kJ (kilojoule) = 1000 Joule.
Suhu (t) adalah merupakan pertanda hadirnya kalor dalam suatu benda. Ia mengukur
keadaan termal benda tersebut.
Satuan suhu adalah Celcius (0
C). suhu terndah sama dengan suhu air yang membeku
pada 00
C . suhu didihnya adalah 100 0
C.
Suhu diukur dengan thermometer air raksa.
Kaitan antara kalor dan temperature disebut dengan konsep kalor spesifik (specific
heat). Kalor spesifik diartikan sebagai jumlah kalor energi yang dibutuhkan satuan
massa benda untuk naik suhunya. Satuan kalor spesifik : J/kg 0
C.
Kalor juga berkaitan dengan massa volume suatu benda yang disebut dengan volume
spesifik (cv). .
Terdapat 2 bentuk kalor :
a. Kalor Sensibel
Adalah merupakan kalor yang dapat dirasakan oleh indera. Dengan kata lain dia
adalah merupakan bentuk kalor yang bergandengan dengan perubahan suhu dari
benda yang terkait.
b. Kalor Laten
FISIKA BANGUNAN

Adalah energi termal yang terlibat dalam perubahan keadaan sebuah benda tanpa
perubahan temperatur. Contoh: perubahan dari padat ke cair atau dari cair ke padat.
Suhu adalah merupakan tanda hadirnya kalor dalam sebuah benda.
Satuan suhu adalah derajat celsius.
Prinsip Termodinamika
Termodinamika adalah ilmu yang berkaitan denganaliran kalor yang hubungannya
dengan kerja mekanik.
Hukum pertama Termodinamika:
Adalah merupakan prinsip kekekalan energi. Energi tidak dapat diciptakan atau
dimusnahkan, hanya diubah dari satu bentuk kebentuk lainnya.
Hukum kedua Termodinamika:
Perpindahan kalor atau energi dapat terjadi secara spontan hanya dalam satu arah, dari
benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin.
Dari zona suhu yang lebih tinggi kalor dapat mengalir menuju zona yang bersuhu yang
lebih rendah dengan 3 cara :
- konduksi
- konveksi
- radiasi
Perpindahan ini dapat diukur dengan 2 cara:
a. Sebagai aliran total dalam satuan waktu (kadar aliran kalor) melalui suatu luasan
tertentu sebuah benda atu ruang.
b. Sebagian berat jenis dari aliran ini, yaitu kadar aliran per-satuan luas(berat jenis
fluks)
Kita punya 2 kuantitas:
1. Kadar aliran kalor yang melalui sebuah bidang yaitu jumlah energi yang
melaluinya dalam satuan waktu (j/s= joule/second=w(watt))
FISIKA BANGUNAN

2. Berat jenis fluks adalah jumlah energi yang melalui sebuah unit luasan dari
sebuah benda atau ruang dalam satuan waktu diukur dalam watt/m2.
Apabila suhu pada setiap titik dalam sebuah objek adalah tetap pada setiap
masa maka keadaan ini dikatakan keadaan ‘mantap’ (Harkness, 1978). Bangunan
dalam keadaan mantap hanya akan berlaku apabila suhu udara luar dan dalam adalah
tetap. Dalam situasi sebenar, keadaan mantap tidak pernah berlaku. Suatu keadaan
hampir mantap akan diperolehi dalam bangunan apabila suhu luaran menunjukkan
perubahan harian yang kecil dan suhu dalaman dikekalkan melalui penyaman udara.
Keadaan mantap untuk udara luar dan dalam, jarang berlaku dalam keadaan
sebenar. Suhu udara harian dan radiasi suria berubah setiap masa. Perubahan ini
bersifat berkala yang berubah setiap 24 jam. Suhu udara mencapai kedudukan terendah
pada awal pagi dan meningkat sehingga maksimum pada waktu tengahari dan akan
turun semula.
Pengiraan gandaan secara terus ke atas kalor suria melalui sebuah unsur pada
keadaan ‘fana’ secara berkala yang berlaku di luar ataupun di dalam bangunan, sangat
rumit dan belum terdapat sebarang kaedah yang disediakan untuk menjawab persoalan
ini (Harkness, 1978). Walaubagaimanapun, pengiraan ini bukan lagi merupakan
masalah apabila Mitalas dan Stephenson (1976) memperkembangkan kaedah tersebut.
Mereka menyatakan bahawa penentuan gandaan kalor secara terus dapat dilakukan
dengan anggapan bahawa terdapat suhu yang berubah secara berkala dan suhu yang
tetap. Secara praktikalnya, anggapan ini berhubung dengan keadaan di mana dinding di
bahagian luar terdedah kepada perubahan udara luar manakala bahagian dalamnya
berada dalam keadaan tetap dengan menggunakan penyaman udara.
I.1. KONDUKSI
Konduksi termal adalah perpindahan kalor melalui satu bahan tanpa mengubah
kedudukan molekul bahan itu sendiri. Perpindahan kalor secara konduksi berlaku
apabila terdapat perbedaan suhu di antara dua titik. Dengan demikian konduksi berlaku
daripada bahagian objek yang lebih panas kepada bahagian yang lebih sejuk, daripada
objek yang sama atau daripada objek yang lebih panas kepada yang lebih sejuk melalui
sentuhan fizik. Proses in terutama berlaku pada bahan pepejal, namun boleh juga
FISIKA BANGUNAN

berlaku pada bahan cecair dan gas. Proses sebenar atau mekanisme daripada cara
perpindahan kalor ini berlaku di tahap molekul.
Semua bahan samada pepejal, cecair atau gas mengalirkan kalor. Daripada
bahan-bahan ini ada yang mengalirkan kalor lebih cepat ada pula yang lebih lambat. Hal
ini bergantung kepada kekuatan bahan tersebut untuk mengalirkan kalor. Sudah
diketahui bahawa bahan logam mengalirkan kalor lebih cepat berbanding dengan bahan
penebatan. Bahan-bahan yang tidak mengalirkan kalor, biasanya merupakan pengalir
elektrik yang buruk. Bahan-bahan bukan logam yang berliang mengandungi udara
dalam strukturnya dan mempunyai keberaliran termal yang lebih rendah berbanding
bahan tidak berliang seperti cermin. Kadar perpindahan kalor secara konduksi
bergantung kepada perbedaan suhu di antara kedua permukaan, keberaliran termal dan
dalam keadaan tertentu, muatan termal bahan tersebut.
Konduksi termal adalah perpindahan energi kalor dari bagian yang lebih panas kebagian
yang lebih dingin pada suatu benda yang sama atau dari yang lebih panas ke yang lebih
dingin dalam bentuk kontak fisik satu sama lain tanpa perpindahan partikel dari benda-
benda tersebut.
- Kadar perpindahan kalor tergantung pada hal-hal berikut:
a. Luas potongan melintang( A) tegak lurus terhadap aliran kalor. Satuan m2.
b. Ketebalan benda (b) yaitu panjang aliran kalor, satuan m.
c. Konduktifitas (K), yaitu ukuran kadar aliran kalor melalui satuan luasan dan
satuan ketebalan bahan tersebut dengan unit temperatur diantara 2 titik, satuan
w m/m2derajat cel.
Kebalikan dari konduktifitas adalah resistivitas, r=I/k, dengan unit m derajat cel/ wxm
=m2cel/w)
Kebalikan dari resistansi adalah konduktansi c=1/r=1/rb (=w/m2derajat celsius)
Untuk benda yang homogen k/b=c, maka aliran kalor konduksi melalui sebuah benda
adalah :
Qc= c x A x delta t
W= w/m2derajat cel x m2 x derajat celsius
Untuk benda yang terdiri dari beberapa lapisan, harus ditambahkan
FISIKA BANGUNAN

R= R1+R2+.....+Rm=r1b1+r2b2+.......rnbn=b1/k1+b2/k2+.......bn/kn
1.2. KONVEKSI
Konveksi dapat dimaksudkan sebagai perpindahan kalor melalui cecair atau gas.
Konveksi merupakan suatu mekanisme di mana energi kalor dipindahkan oleh
gabungan satu bahagian bendalir, iaitu gas atau cecair, dengan yang lain (Straaten,
1967). Oleh itu, konveksi sentiasa melibatkan gerakan atau aliran bahan. Konveksi oleh
udara tidak boleh berlaku tanpa kehadiran pergerakan udara, tetapi pergerakan udara
dapat berlaku tanpa perpindahan kalor. Perpindahan kalor secara konveksi berlaku
pada permukaan dinding, lantai dan atap atau paip, ataupun bendalir mengalir di luar
batas bahan pejal pada suhu yang berbeda.
Sebahagian besar konveksi ditentukan oleh perbedaan suhu antara permukaan
dengan udara, kasar atau tidaknya permukaan, gerakan udara ke atas permukaan dan
orientasi permukaan. Daya aliran konveksi merupakan kuantiti yang sentiasa berubah
(Billington, 1952).
Kalor dihantarkan melalui ruang udara secara konveksi dan radiasi. Rongga
udara ini merupakan sebuah rintangan (hampir sama seperti penebatan) dan percubaan
menunjukkan bahawa rongga udara normal memiliki rintangan kira-kira 0.21 m2 0
C/W
untuk kalor yang menuju ke bawah. Bagi kalor yang menuju ke atas, unsur konveksi
bertambah apabila permukaan panas menetapkan aliran konveksi di atasnya supaya
lebih banyak, lebih mudah berbanding di bawah, oleh itu rintangan jatuh sehingga 0.14
m2 0
C/W (Baker, 1987).
Apabila ruang diberi pengalihudaraan secara bebas, maka diharapkan terdapat
pengurangan perpindahan kalor kerana kalor dipindahkan melalui udara daripada luar.
Udara yang berada di dalam rongga ini dikeluarkan dan digantikan oleh udara tenang
(still air) daripada luar. Bagi pengalihudaraan yang cekap, mudah diperolehi dalam
ruang loteng yang besar dengan bukaan pengalihudaraan yang besar. Suhu udara di
dalam rongga ini akan tetap atau hampir kepada suhu udara luar. Maka mengurangkan
unsur konveksi dengan berkesan kepada sifar (Baker, 1987).
FISIKA BANGUNAN

Bagaimanapun, dalam ruang udara biasa, unsur konveksi bukan merupakan
unsur perpindahan kalor utama dalam rongga udara. Unsur utama adalah perpindahan
kalor secara radiasi. Penebatan terhadap radiasi berfungsi untuk mengurangkan
perpindahan kalor melalui rongga udara samada dengan mengurangkan keberpancaran
daripada sisi bawah atap yang panas atau dengan menambahkan daya pantulan
permukaan dalam yang sejuk daripada siling (Baker, 1987).
Perpindahan kalor dari satu permukaan sebuah benda padat ke sebuah benda cair,
yaitu cairan atau gas sebaliknya.
Konveksi tergantung kepada:
a. Luas daerah kontak antara benda dan zat cair. m2
b. Perbedaan tempertur antara benda dan zat cair. delta t= t1-t2 derajat cel.
c. Koefisien konveksi (hc), dalam w/m2derajat cel, tergantung pada kekentalan
(viscousitas) dan kecepatan zat cair dan juga konfigurasi dari zat cair/alir tsb.
Nilai koefisien konveksi :
Hc=3,0= untuk permukaan vertikal
Hc=4,3=aliran kalor naik. Udara ke plafon,lantai ke udara.
Hc=1,5=aliran kalor turun. Udara kelantai, plafon ke udara.
Permukaan yang menghadap angin = hc=5,8 +4,1 V
V=kecepatan angina (m/det)
Aliran kalor konveksi:
Qv=hc x A x delta t.
Persamaan ini sesuai untuk:
a. Konveksi bebas/alami, dimana aliran udara disebabkan oleh perbedaan berat
jenis.
b. Konveksi dipaksa : Dimana udara (fluida) dipompa atau didorong dari arah
sebelah benda.
Koefisien hc tergantung kepada :
a. Kecepatan fluida/angin
FISIKA BANGUNAN

b. Suhu fluida
c. Suhu permukaan
d. Konduktifitas
e. Kalor Spesifik fluida
f. Berat jenis fluida
g. Viskositas fluida
h. Bentuk kontak permukaan
i. Dimensi fisik sistem
Dalam arti yang luas ”konveksi” meliputi perpindahan kalor melalui fluida dari satu
permukaan benda padat ke permukaan lainnya.
Qv=m x Cp x delta t
Dimana: m= kadar aliran massa (kg/det)
Cp=kalor spesifik fluida (j/kg derajat cel)
Delta t=perbedaan suhu antara sumber dan permukaan.
1.3 RADIASI
Cahaya matahari yang jatuh pada bangunan dan menaikkan suhu dalaman
berlaku dalam dua keadaan. Pertama, apabila radiasi suria mengenai bahagian luar
litupan bangunan, energi yang diserap menaikkan suhu permukaan kemudiannya
menyebabkan kalor berpindah ke dalam melalui dinding dan atap. Kedua, apabila
radiasi suria mengenai tingkap, hampir semua energi masuk secara terus melalui cermin
ke dalam bangunan dan terperangkap di sana seperti kesan rumah cermin (Milne,
1981). Radiasi yang diterima diserap oleh permukaan dinding yang seterusnya
membebaskan radiasi gelombang panjang.
Perpindahan kalor radiasi adalah pertukaran energi kalor dalam bentuk
gelombang elektromagnet antara dua atau lebih objek pada suhu berbeda, yang
dipisahkan oleh ruang atau perantara lut sinar atau tidak menyerap gelombang kalor.
Straaten (1967) menyatakan bahawa perpindahan kalor daripada atap kepada siling
terutamanya berlaku secara radiasi, bukan konveksi ataupun pergerakan udara. Radiasi
tidak dipengaruhi oleh pengalihudaraan meskipun suhu udara boleh dikurangkan sedikit
kerana pengalihudaraan.
FISIKA BANGUNAN

Kalor radiasi mengacu kepada gelombang inframerah dari spektrum radiasi
elektromagnetik, yaitu:
-inframerah pendek, 700-2300 nm (0,7micro m)
-inframerah panjang, 2,3-100 micro m
Perpindahan kalor radiasi adalah pertukaran energi kalor dalam bentuk gelombang
elektromagnetik antara dua atau lebih benda pada suhu yang berbeda yang dipisahkan
oleh ruang atau medium yang transparan, yang tidak menyerap terhadap gelombang
kalor.
-Sifat dari gelombang elektromagnetik adalah ruang atau medium tempat dilaluinya
gelombang tersebut tidak menjadi panas.
Intensitas radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda tergantung kpd sifat dan suhu
benda tsb.
Persamaan umum radiasi adalah Hukum Stefan-Botzmann
qr=yEAT4
Dimana : qr=Total energi yang dipancarkan
y=Kimstanta Stefan-Botzmann
E=Emisifitas permukaan
A= luas permukaan
T= suhu mutlak derajat kelvin (K)
Kadar aliran kalor radiasi tergantung kepada suhu benda yang memancarkan dari benda
yang menerima dan kualitas permukaan absorban(alpha) dan emitan(E).
Aliran kalor radiasi dinyatakan dengan :
Qr=hr x A x delta t
Dimana delta t=t1-t2, nilai hr tergantung pada konfigurasi geometris dan juga sifat kedua
permukaan tersebut.
Apabila berat jenis radiasi diketahui (G),kalor yang diserap permukaan , Qr= A x G x
alpha.
FISIKA BANGUNAN

2.1.1.1 Evaporasi
Seperti dalam proses konduksi dan konveksi, perpindahan uap air dengan cara
penyerakan (diffusion) atau konveksi adalah pengangkutan satu unsur sebuah
campuran yang diakibatkan oleh perbedaan kepekatan. (Straaten, 1967). Apabila
sejumlah gas atau air tertentu dimasukkan dalam sebuah ruang, gas atau wap akan
diagihkan sama rata ke seluruh ruang tersebut akibat daripada percampuran zarah
secara rawak. Proses penyerakan atau percampuran zarah ini dipercepatkan oleh aliran
konveksi.
Zarah-zarah pada permukaan air hanya memiliki udara di atasnya untuk
dirempuh dan kebanyakan zarah terlepas ke udara. Evaporasi adalah proses
pelepasan zarah air ke udara. Apabila air dipanaskan, kehebatan gerakan atau tekanan
zarah bertambah akibat daripada energi yang bertambah dan evaporasi yang lebih
cepat. Kelajuan gerakan zarah ini berubah sesuai dengan kenaikan suhu. Bentuk energi
ini digambarkan dengan istilah ‘tekanan wap’.
Kadar evaporasi bergantung sepenuhnya kepada perbedaan antara tekanan
wap udara dan air di bawahnya. Apabila udara sangat kering, maknanya ia hanya
mengandungi sedikit sahaja wap. Tekanannya tentu akan rendah dan air akan menyejat
dengan lebih cepat. Apabila udara sangat, sangat kecil kemungkinan evaporasi akan
berlaku. Dua keadaan evaporasi yang ekstrim itu berlaku pada kadar yang berbeda
bergantung kepada kadar tekanan wap.
Perpindahan kalor deria secara konveksi dapat dicepatkan dengan
pengguncangan. Dengan cara yang sama, gerakan udara juga mencepatkan evaporasi.
Bagi manusia hal ini sangat penting kerana gerakan udara boleh digunakan untuk
menambah keadaan termal yang lebih selesa.
FISIKA BANGUNAN

Kalor dan-perpindahan-kalor

More Related Content

What's hot

Viewers also liked

Similar to Kalor dan-perpindahan-kalor

Kalor dan-perpindahan-kalor