Perpindahan Kalor

Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi:

1 Konduksi

Perpindahan konduksi terjadi dalam suatu bahan karena adanya perbedaan temperatur didalam bahan tersebut. Moda ini dapat terjadi didalam semua zat tapi paling sering diasosiasikan dengan zat-zat padat. Moda ini diekspresikan secara matematis melalui hukum perpindahan kalor fourier, yang untuk bidang satu dimensi memiliki bentuk:

Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut.

1. Jika suatu benda mendapat energi panas maka energi panas tersebut digunakan untuk menggetarkan partikel-partikel benda tersebut.  Pemanasan pada satu ujung benda menyebabkan partikel-partikel pada ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik. Partikel-partikel yang bergetar mempunyai energi kinetik lebih besar ini, memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel tetangganya melalui tumbukan sehingga partikel tetangga bergetar dengan energi kinetik lebih besar pula. Setelah itu partikel tetangga ini memindahkan energi ke partikel tetangga berikutnya.  Begitu seterusnya sampai proses pemindahan energi ke bagian ujung benda yang suhunya rendah. Proses perpindahan kalor seperti ini berlangsung lambat karena untuk memindahkan lebih banyak kalor diperlukan beda suhu yang tinggi di antara kedua ujung.

2. Pada logam, perpindahan kalor terjadi melalui gerakan-gerakan elektron bebas yang terdapat dalam struktur atom logam.

Elektron bebas ialah elektron yang dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Di ujung logam yang terkena panas, energi kalor pada electron bertambah besar.  Oleh karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energi kalor ini dengan cepat dapat diberikan ke elektron-elektron lain letaknyalebih jauh melalui tumbukan. Dengan proses ini kalor pada logam dapat berpindahdengan cepat. Oleh karena itu,logam tergolong konduktor  yang sangat baik.  Dari penjelasan proses konduksi tersebut, kita dapat mengetahui bahwa logam adalahkonduktor yang sangat baik. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dibagiatas dua golongan besar, yaitu konduktor  dan isolator.

Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menggunakan alat-alat yang terbuat dari kertas, plastik, karet, lilin, kayu, alumunium, bahkan bahan yang terbuat dari besi dan baja. Ada benda yang bersifat konduktor dan ada pula yang bersifat isolator. Benda-benda yang termasuk konduktor misalnya: aluminium, besi, dan baja.

Sedangkan benda-benda yang termasuk isolator misalnya: kertas, plastik, karet, lilin, dan kayu. Memasak air akan lebih cepat mendidih bila menggunakan alat/wadah yang terbuat dari logam, karena logam merupakan penghantar panas (konduktor) yang baik. Bandingkan jika menggunakan alat/wadah yang terbuat dari tanah liat. Begitu pula tangkai atau pegangan alat masak atau alat penggorengan, biasanya menggunakan kayu atau karet. Sebab, kayu dan karet merupakan benda penyekat panas (isolator) yang baik atau penghantar panas yang kurang baik.

Dari uraian di atas dapat kita simpulkan bahwa benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik di sebut konduktor, sedangkan benda yang tidak dapat menghantarkan panas dengan baik disebut isolator.

a. Mengidentifikasi Benda Isolator dan Konduktor

Dari sekian banyak benda yang ada di bumi ini, tentunya kita dapat membedakan benda-benda yang terbuat dari benda isolator dan konduktor.

1. Wajan dan panci

Alat dapur yang sering berhubungan dengan api, menggunakan sifat konduktor dan isolator panas. Bagian benda yang menempel pada api terbuat dari bahan konduktor misalnya logam. Sedangkan benda yang digunakan sebagai pegangan umumnya terbuat dari isolator untuk menyekat panas.

2. Setrika

Alat listrik ini mengubah energi listrik menjadi energi panas. Panas yang dihasilkan digunakan untuk merapikan pakaian. Agar panasnya sampai dari kabel listrik ke pakaian maka pada alas atau bagian bawah setrika dibuat dari bahan logam. Sedangkan bagian pegangan setrika terbuat dari plastik yang bersifat isolator.

3. Jaket

Jaket terbuat dari bahan kain yang bersifat isolator. Pada saat suhu udara dingin, jaket akan menahan panas yang ada dalam tubuh keluar. Dengan demikian, kita akan tetap merasa hangat. 

Berdasarkan kemampuanya dalam menghantarkan kalor/panas,benda-benda itu dibagi menjadi 2 macam/golongan, yaitu :

1. Konduktor, Yakni benda yang mudah menghantarkan kalor/panas secara konduksi, contonya itu seperti aluminium, besi, dan raksa

2. Isolator, yakni benda-benda yang sukar/sulit menghantarkan kalor/panas, contohnya itu seperti kayu, kaca, plastik, udara, dan air.

2  Konveksi

Perpindahan konveksi terjadi ketika energi dipindahkan dari suatu permukaan padat kesuatu fluida yang bergerak. Ini merupakan kombinasi dari energi yang dipindahkan melalui konduksi dan adveksi ( perpindahan energi yang disebabkan oleh pergerakan umum dari fluida); oleh karena itu, jika tidak terdapat pergerakan fluida, tidak ada perpindahan kalor konvektif. Konveksi di ekspresikan dalam bentuk perbedaan temperatur antara temperatur umum fluida T  dan temperatur permukaan T_s. Hukum pendinginan newton mengekspresikan ini sebagai :

Koefisien perpindahan kalor konvektif bergantung pada properti-properti dari fluida (termasuk kecepatannya) dan geometri dinding. Konveksi bebas terjadi hanya karena perbedaan temperatur, sedangkan konveksi paksa terjadi karena fluida yang dipaksa, seperti misalnya oleh sebuah kipas.  Contoh dari perpindahan konveksi kalor sebagai berikut :

a. Pada siang hari, permukaan Bumi di daratan lebih cepat panas daripada lautan, karena kalor jenis tanah lebih kecil daripada kalor jenis air.   Akibatnya, udara di atas daratan yang lebih panas akan naik ke atmosfer yang lebih tinggi karena tekanannya kecil.  Ruang yang ditinggalkan udara panas itu selanjutnya diisi udara yang lebih dingin dari permukaan lautan.  Aliran udara dari permukaan laut inilah yang disebut angin laut.

b. Ketika memasak air, massa air yang berada tepat di atas kompor akan menerima kalor dan menjadi lebih panas.  Air panas ini akan bergerak ke atas hingga mencapai permukaan air karena massa jenisnya lebih kecil daripada massa air yang lebih dingin. Akibatnya, massa air yang lebih dingin di bagian atas akan terdesak dan bergerak turun menggantikan ruang yang sebelumnya ditinggalkan massa air yang lebih panas. Kejadian ini berulang terus-menerus hingga seluruh massa air di dalam panci itu mendidih.

3 Radiasi

Perpindahan radiasi adalah energi yang dipindahkan sebagai foton-foton. Perpindahan dapat terjadi melalui hampa udara atau melalui zat-zat transparan seperti air. Perhitungannya dilakukan dengan menggunakan hukum stefan-boltzman dan memperhitungkan energi yang dilepas dan energi yang diserap dari lingkungan:

Contoh perpindahan kalor secara radiasi adalah hangatnya tubuh anda ketika berada di dekat tungku api dan perpindahan kalor dari matahari menuju bumi. Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 Kelvin), sedangkan bumi memiliki suhu yang lebih rendah.  Adanya perbedaan suhu antara matahari dan bumi menyebabkan kalor berpindah dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah).  Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara alias medium, sebagaimana perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi; kalor harus melewati ruang hampa (atau hampir hampa). Jika tidak ada sumbangan kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada karena kehidupan membutuhkan energi.  Contoh lain perpindahan kalor secara radiasi adalah panas yang dirasakan ketika kita berada di dekat nyala api.  Panas yang kita rasakan bukan disebabkan oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. S eperti yang telah dijelaskan sebelumnya, udara yang panas akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang.  Akibatnya udara yang massa jenisnya berkurang bergerak vertikal ke atas, tidak bergerak horisontal ke arah kita. Tubuh kita terasa hangat atau panas ketika berada di dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah).