pemicu 1 “perpindahan kalor konduksi tunak dan sistem

Pemicu 1 “Perpindahan Kalor Konduksi Tunak dan Sistem Insulasi Perpipaan

1 PERPINDAHAN KALOR | KELOMPOK 1

PEMICU : 1

TOPIK :

PERPINDAHAN KALOR KONDUKSI TUNAK

DAN SISTEM INSULASI PERPIPAAN

Oleh :

KELOMPOK : 1

ANGGOTA :

1. Afdal Adha (1106011890)

2. Anifah (1106011461)

3. Inez Nur Aulia Afiff (1106009500)

4. Johan (1106052966)

5. Sirly Eka Nur Intan (1106005055)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FTUI

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK, 201



MIND MAP : PEMICU 1 “PERPINDAHAN KALOR KONDUKSI TUNAK DAN SISTEM PERPIPAAN”

Aplikasi

KONDUKSI

TUNAK

Faktor Umum Gambaran Umum

Konduktivitas Termal

Luas Permukaan

Temperatur

Gambaran Umum

Persamaan dan

Penurunan Rumus

Definisi

Faktor – faktor yang

mempengaruhi

Nilai laju perpindahan kalor

Nilai koefisien

perpindahan kalor

konduksi menuyeluruh

Definisi

Fungsi

Faktor – faktor yang

mempengaruhi desain

Karakteristik material

Hubungan antar parameter

(massa, volume, luas

permukaan)

Sistem Insulasi

Perpipaan

Proses

Alasan Sistem Insulasi

masuk Konduksi Tunak

Efektivitas sistem

menghambat kalor

Kondisi – kondisi batas

Konvektif

Persamaan Fourier

Konduksi

Konduksi Tunak

Ketebalan

Faktor Khusus

Perbedaan antara sistem

insulasi dan tidak

Ketebalan kritis Isolator Definisi

Cara Menentukan

Mekanisme Kerja

Persamaan Laplace

Persamaan Poisson

Hubungan di

antara 3 persamaan

Kondisi tunak

1 dimensi

Kondisi tunak

multi dimensi

Sistem dengan

penampang berbeda

Sistem dengan

sumber kalor



DAFTAR ISI

COVER ........................................................................................................................................... 1

MIND MAP KONDUKSI TUNAK .............................................................................................. 2

DAFTAR ISI ................................................................................................................................... 3

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang................................................................................................................ 4

B. Rumusan Masalah .......................................................................................................... 4

C. Tujuan Penulisan ............................................................................................................ 4

D. Metode Penulisan ............................................................................................................ 5

E. Sistematika Penulisan ..................................................................................................... 5

BAB II PEMBAHASAN

JAWABAN PERTANYAAN KONDUKSI TUNAK

A. Tugas I ........................................................................................................................... 6

B. Tugas II ......................................................................................................................... 9

C. Tugas III ........................................................................................................................ 21

BAB III PENUTUP

A. Kesimpulan ................................................................................................................... 26

B. Saran .............................................................................................................................. 26

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................................... 27



BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Kalor merupakan salah satu bentuk energi, sehingga dapat berpindah dari satu sistem ke

sistem yang lain karena adanya perbedaan suhu. Kalor mengalir dari sistem bersuhu tinggi

ke sistem yang bersuhu lebih rendah. Sebaliknya, setiap ada perbedaan suhu antara dua

sistem maka akan terjadi perpindahan kalor. Perpindahan Kalor adalah salah satu ilmu

yang mempelajari apa itu perpindahan panas, bagaimana panas yang ditransfer, dan

bagaimana relevansi juga pentingnya proses tersebut.

Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses.

Terdapat 3 jenis mekanisme perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada

makalah ini, penulis hanya terfokus pada perpindahan kalor secara konduksi, lebih

tepatnya konduksi tunak.

Konduksi terjadi ketika adanya gradien suhu melalui suatu padatan atau fluida stasioner.

Secara umum, konduksi dibagi menjadi 2 jenis, yakni konduksi tunak dan konduksi tak

tunak. Konduksi tunak adalah mekanisme perpindahan kalor secara konduksi di mana tidak

terdapat perubahan variabel tertentu terhadap perubahan waktu. Sementara, konduksi tak

tunak adalah mekanisme perpindahan kalor secara konduksi di mana terdapat perubahan

variabel tertentu terhadap perubahan waktu. Variabel yang dimaksud pada pernyataan di

atas adalah perbedaan temperatur.

Dalam pembelajaran konduksi, maka ada persamaan dasar yang harus dikuasai yakni

Persamaan Fourier juga pengetahuan mengenai nilai konduktivitas termal dari suatu bahan.

Pada konduksi tunak, akan dibahas lebih lanjut mengenai nilai koefisien perpindahan kalor

menyeluruh, ketebalan kritis suatu isolator, nilai laju perpindahan kalor konduksi tunak

pada sistem dengan penampang yang berbeda dan sistem dengan sumber kalor. Untuk

menyelesaikan masalah konduksi tunak, dapat digunakan metode analitik, metode grafik,

dan metode numerik.

Topik untuk konduksi tunak pada makalah ini adalah mekanisme kerja sistem insulasi

perpipaan, faktor – faktor yang perlu dipertimbangkan dalam desain sustu sistem insulasi,

dan karakteristik yang perlu dimiliki oleh suatu bahan atau material jika dimanfaatkan

sebagai isolator.

B. RUMUSAN MASALAH

Pokok permasalahan dalam hal ini adalah mekanisme kerja sistem insulasi dan proses

perambatan kalor yang terjadi melalui suatu bahan atau material.

C. TUJUAN PENULISAN

Tujuan dari pembuatan laporan ―Pemicu 1 – Konduksi Tunak dan Sistem Insulasi

Perpipaan‖ adalah untuk memperdalam pengetahuan dan wawasan mengenai Konduksi

Tunak serta Sistem Insulasi Perpipaan. Informasi dan prinsip dalam 2 hal tersebut sangat

berguna karena hal tersebut dapat diaplikasikan dalam kehidupan sehari – hari.



D. METODE PENULISAN

Metode yang digunakan dalam penulisan laporan ini adalah metode tinjauan pustaka.

Materi tinjauan pustaka ini didapatkan dari berbagai sumber seperti buku dan situs – situs

internet. Selanjutnya, hasil dari pencarian materi tersebut akan didiskusikan dan

dirumuskan lebih lanjut dalam bentuk laporan.

E. SISTEMATIKA PENULISAN

COVER

KATA PENGANTAR

MIND MAP

DAFTAR ISI

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

B. Rumusan Masalah

C. Tujuan Penulisan

D. Metode Penulisan

E. Sistematika Penulisan

BAB II PEMBAHASAN

JAWABAN PERTANYAAN KONDUKSI TUNAK

A. Tugas I

B. Tugas II

C. Tugas III

BAB III PENUTUP

A. Kesimpulan

B. Saran

DAFTAR PUSTAKA



BAB II

PEMBAHASAN

JAWABAN KONDUKSI TUNAK

Tugas I :

1. Jelaskan mekanisme kerja suatu sistem insulasi!.

Pembahasan:

Sistem insulasi bekerja dengan memanfaatkan prinsip perpindahan kalor secara

konduksi. Kalor secara alami mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang

bersuhu lebih rendah. Perpindahan kalor secara konduksi terjadi jika ada dua benda, di

mana keduanya memiliki perbedaan suhu, yang saling bersentuhan sama lain. Salah satu

faktor yang mempengaruhi besarnya nilai dari laju alir kalor untuk proses konduksi adalah

konduktivitas termal. Konduktivitas termal ini merupakan properti yang dimiliki oleh

setiap material, artinya nilai konduktivitas termal setiap material pasti berbeda-beda.

Konduktivitas termal inilah yang menjadi sasaran utama untuk sistem insulasi. Setiap

material yang digunakan sistem insulasi umumnya memiliki nilai konduktivitas termal

yang rendah. Akibatnya, oleh karena konduktivitas termal dirumuskan berbanding lurus

terhadap laju alir, maka laju alir kalor pun menjadi semakin lambat dengan semakin

kecilnya nilai konduktivitas termal suatu material. Hal ini sesuai dengan tujuan dari sistem

insulasi, yaitu untuk menghambat laju alir kalor sehingga nilai lajunya menjadi sangat

kecil dan kalor semakin lambat untuk berpindah (bukan berarti laju alir kalornya menjadi

nol).

2. Faktor – faktor apa yang perlu dipertimbangkan dalam desain suatu sistem insulasi?.

Pembahasan:

a. Material insulasi.

Material insulasi yang biasa digunakan adalah material yang tahan panas. Di bawah

ini merupakan material yang pada umumnya digunakan untuk sistem insulasi., di

antaranya adalah sebagai berikut:

1) Calcium Silicate.

a) Material yang umum digunakan.

b) Material yang mudah ditemukan dan digunakan.

c) Memiliki ketahanan panas yang cukup baik yaitu hingga 1200oF (649

oC).

2) Cellullar Glass.

a) Material ini cukup mudah untuk ditemukan.

b) Memiliki ketahanan panas yang lebih rendah daripada Calcium Silicate yakni

hanya mencapai 800oF (427

oC).

3) Mineral Wool.

a) Memiliki ketahanan panas yang serupa dengan Calcium Silicate yakni hanya

mencapai 1200oF (649

oC).



b) Akan tetapi, penggunaannya memiliki beberapa batasan dan ketentuan terutama

pada saat fabrikasi. Salah satunya fabrikasi hanrus dilakukan dengan

menggunakan treatment silicone pada pH antara 6 – 8.

4) Perlite.

a) Material ini dapat digunakan sebagai bahan insulasi apabila densitas (massa jenis)

fluida mencapai 12 lb/ft3.

b) Memiliki ketahanan panas yang serupa dengan Calcium Silicate yakni hanya

mencapai 1200oF (649

oC).

b. Hubungan antara material insulasi dengan bentuk dan kondisi pipa.

1) Untuk jaringan perpipaan yang berkelok – kelok biasanya digunakan jenis foam

karena jika digunakan fiberglass maka akan mudah retak.

2) Untuk pipa yang dekat dengan sumber panas tidak dapat menggunakan jenis foam

(karena foam mudah meleleh), tetapi sebaiknya menggunakan fiberglass (karena

tahan panas).

c. Jenis kebutuhan insulasi.

Insulasi terbagi menjadi 2 bagian, yakni:

1) Insulasi kering memerlukan penghalang (barrier) luar untuk mencegah water

ingress.

Tipe yang umum digunakan, adalah sebagai berikut:

a) Extruded Polystyrene.

b) Fiberglass.

c) Mineral Wool.

d) Closed Cell Polyurethane Foam (CCPUF).

e) Open Cell Polyurethane Foam (OCPUF).

f) Polyisocyanurate Foam (PIF).

g) Vaccuum Insulation Panels (VIP).

2) Insulasi basah tidak memerlukan penghalang (barrier) luar untuk mencegah water

ingress.

Tipe yang umum digunakan, adalah sebagai berikut:

a) Polyurethane.

b) Polyproylane.

c) Multi layered.

d) Synthetic Polyurethane.

e) Synthetic Polypropylene.

d. Densitas atau Massa jenis.

Densitas atau massa jenis suatu material dapat menentukan sifatnya dalam

menghantarkan panas. Makin besar nilai densitas atau massa jenis, maka makin mudah

material tersebut dalam menghantarkan panas. Hal tersebut dapat terjadi karena susunan

atom yang makin rapat akan lebih mudah menghantarkan energi panas.

e. Difusivitas termal.

Merupakan rasio dari panas yang dihantarkan terhadap panas yang disimpan per

satuan volume. Menggambarkan seberapa cepat energi panas berdifusi melewati suatu

material. Difusivitas termal dapat didefinisikan melalui persamaan di bawah ini:



Nilai k di atas menggambarkan seberapa baik suatu material tersebut mampu

menghantarkan panas, sedangkan kapasitas panas mendefinisikan seberapa banyak

energi dari suatu bahan yang disimpan per unit volume.

f. Konduktivitas termal.

Menunjukkan kemampuan bahan tersebut dalam menghantarkan panas. Nilai

konduktivitas termal yang besar berarti bahwa bahan tersebut adalah konduktor yang

baik. Sehingga, makin rendah nilai konduktivitas termal, maka bahan tersebut sulit

menghantarkan panas.

g. Nilai R.

Merupakan rasio suhu pada seluruh materi dan perpindahan panas melaluinya. Makin

tinggi nilai R suatu material, maka makin baik sifat isolasinya terhadap perpindahan

panas. h. Permeabilitas udara.

Merupakan sifat suatu material yang memungkinkan masuknya udara untuk

melewati pori – porinya. Makin tinggi permeabilitas udara, maka makin kecil nilai

konduktivitas termalnya dan makin sulit untuk menghantarkan panas.

i. Suhu jangkauan.

Merupakan suhu dari lingkungan yang dapat dilindungi oleh material tersebut. Suhu

jangkauan ini adalah faktor yang penting kareana dengan adanya data ini, maka dapat

diketahui apakah material tersebut dapat bersifat sebagai konduktor yang baik pada

suhu tertentu atau tidak.

3. Karakteristik apa sajakah yang perlu dimiliki oleh suatu bahan / material bila ingin

dimanfaatkan sebagai isolator?.

Pembahasan:

Isolator merupakan suatu bahan atau material yang sulit dalam hal menghantarkan

panas. Suatu bahan dapat dikatakan isolator apabila bahan tersebut memenuhi sifat – sifat

di bawah ini:

a. Sifat Kelistrikan (Kekuatan Listrik)

1) Memiliki kekuatan kerak (tracking strength) yang tinggi agar tidak terjadi erosi

karena tekanan listrik permukaan.

2) Memiliki kekuatan dielektrik (penyekat) yang tinggi, agar dimensi isolasi menjadi

kecil, sehingga harga menjadi ekonomis karena hanya membutuhkan bahan sedikit.

Kekuatan listrik ditujukan untuk mencegah terjadinya kebocoran arus listrik di antara ke

dua penghantar yang berbeda potensial atau mencegah loncatan listrik ke tanah.

b. Sifat Kimia

1) Daya serap air rendah.

2) Memiliki daya tahan terhadap minyak dan ozon.

3) Memiliki kekedapan dan kekenyalan higroskopis yang tinggi.



4) Stabil ketika mengalami radiasi.

5) Tidak berubah oleh perubahan suhu, siraman air, kelembaban, sinar matahari, dan

polaritas listrik.

Sifat kimia teresbut berfungsi untuk menjaga agar susunan tidak berubah.

c. Sifat Mekanis

1) Kekuatan tekan (pressure strenght) biasanya untuk isolator antena.

2) Kelenturan terhadap tarikan.

3) Kerapuhan Bahan tidak mudah rapuh akibat dari kondisi tertentu.

4) Keregangan (tensile strenght) biasanya untuk isolator hantaran udara.

5) Ketebalan isolasi optimal yang ditentukan berdasarkan rule of thumb mengenai

biaya, iklim, dan kenyamanan.

d. Sifat Panas (Termal)

1) Kemampuan menahan panas tinggi (daya hantar panas rendah).

2) Koefisien muai panas rendah.

3) Konduktivitas panas rendah.

4) Memiliki tahanan jenis yang tinggi dan tidak mudah terbakar.

Tugas II :

1. Apa yang anda ketahui mengenai perpindahan kalor konduksi? Dan apa pula yang

anada ketahui mengenai perpindahan kalor konduksi tunak?.

Pembahasan:

Konduksi adalah proses perpindahan kalor jika panas mengalir dari tempat yang

suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, tetapi medianya tetap. Perpindahan

kalor secara konduksi tidak hanya terjadi pada padatan saja tetapi bisa juga terjadi pada

cairan ataupun gas, hanya saja konduktivitas terbesar pada padatan. Jadi,

Konduktivitas padatan > konduktivitas cairan dan gas

Pada media gas, molekul – molekul gas yang suhunya tinggi akan bergerak dengan

kecepatan yang lebih tinggi daripada molekul gas yang suhunya lebih rendah. Karena

adanya perbedaan suhu, molekul – molekul pada daerah yang suhunya tinggi akan

memberikan panasnya kepada molekul yang suhunya lebih rendah saat terjadi tumbukan.

Pada media berupa cairan, mekanisme perpindahan panas yang terjadi sama dengan

konduksi pada media gas, hanya kecepatan gerak molekul cairan lebih lambat daripada

molekul gas. Tetapi, jarak antar molekul pada cairan lebih pendek daripada jarak antar

molekul pada fase gas.

Konduksi dalam keadaan tunak atau steady state berarti bahwa kondisi, temperatur,

densitas, dan semacamnya di semua titik dalam daerah konduksi tidak bergantung pada

waktu. Persamaan dasar dari konsep perpindahan kalor konduksi adalah hukum Fourier.

2. Apa yang anda ketahui tentang Persamaan Fourier dan nilai konduktivitas termal suatu

bahan?.

Pembahasan:

Besar fluks kalor yang berpindah berbanding lurus dengan gradien temperatur pada

benda tersebut. Secara matematis dinyatakan sebagai berikut:



Dengan memasukkan konstanta kesetaraan yang disebut konduktivitas termal,

didapatkan persamaan yang disebut Hukum Fourier tentang Konduksi Kalor.

Hukum Fourier merupakan hukum dari konduksi panas yang menyatakan bahwa

kecepatan perpindahan kalor melalui sebuah material sebanding dengan gradien negatif

suhu ke area sudut kanannya. Hukum tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut: Di mana:

q = energi panas atau laju perpindahan kalor konduksi (W)

A = luas cross section (m2)

k = konduktivitas material (Wm-1

K-1

) (konstanta proporsionalitas) = gradien temperatur ke arah normal terhadap luas A

T = suhu (K)

x = jarak (m)

Konstanta positif k disebut konduktivitas termal suatu benda. Sementara itu, tanda

minus di atas menunjukkan bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala

suhu (untuk memenuhi hukum II Termodinamika).

Konduktivitas termal merupakan sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa

bahan tersebut merupakan suatu konduktor atau isolator. Konduktivitas termal

menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir dalam suatu bahan. Umunya, besarnya

konduktivitas termal bergantung pada suhu. Hal tersebut disebabkan karena makin cepat

molekul bergerak, maka makin cepat pula molekul tersebut mengangkut energi.

Konduktivitas termal pada setiap fase berbeda – beda. Dalam zat gas, konduktivitas

termal berubah berdasarkan akar pangkat 2 dari suhu absolut. Pada sebagian besar gas

pada tekanan sedang, konduktivitas termal merupakan fungsi suhu saja. Dalam zat cair,

mekanisme konduksi termal tidak berbeda dari zat gas. Akan tetapi, situasinya menjadi

lebih rumit kareana molekul – molekulnya lebih berdekatan satu sama lain, sehingga

mengakibatkan medan gaya molekul memiliki pengaruh yang lebih besar.

3. Bagaimana menentukan nilai koefisien perpindahan kalor konduksi menyeluruh dan

ketebalan kristis suatu isolator?.

Pembahasan:

Cara Menentukan Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konduksi Menyeluruh

Koefisien perpindahan kalor konduksi merupakan suatu besaran untuk menyatakan

keadan sistem di mana perpindahan kalor konduksi terjadi dengan daerah yang dibatasi

oleh perpindahan kalor konveksi. Sistem ini diibaratkan sebagai kalor yang mengalir di

antara kedua bagian dinding, dengan dinding sebelah dalam bersentuhan dengan fluida

panas dan dinding sebelah luarnya bersentuhan dengan fluida dingin. Asal usulnya nilai

koefisien perpindahan kalor konduksi menyeluruh adalah persamaan: dengan penyederhanaan yang ditulis sebagai:

pemicu 1 “perpindahan kalor konduksi tunak dan sistem

Documents