Panas adalah salah satu bentuk energi. Tidak hanya menopang kehidupan, panas juga membuat nyaman dan membantu kita mempersiapkan makanan. Pemahaman terkait karakteristik panas mungkin tidak begitu penting bagi masyarakat awam, namun sangat berarti di kalangan peneliti sains dan pelaku industri.
Bagaimana tidak, panas bukan hanya sekedar pemasak makanan, tapi lebih dari itu. Handphone, laptop, TV, komputer, pembangkit listrik, AC, dan lebih dari itu, semua yang kalian rasakan adalah aplikasi dari konsep panas, lebih detailnya adalah tentang perpindahan kalor (panas).
Pengertian Konduksi
Konduksi adalah mekanisme perpindahan energi panas melalui kontak fisik dengan benda padat tanpa diikuti perpindahan medium zat perantara nya. Artinya benda padat dimana panas tersebut menyebar tidak ikut bergerak. Berbeda dengan konveksi yang medium perantaranya ikut bergerak.
Konduksi adalah fenomena alami yang terjadi dengan sendirinya, asalkan kondisi dan syaratnya terpenuhi. Syarat utama konduksi ada dua, yakni sumber panas dan benda padat sebagai medium perantara. Kedua nya harus bersentuhan agar proses konduksi bisa terjadi.
Pada tingkatan molekul, saat panas diserap oleh benda padat, molekul yang ada pada benda tersebut bergetar sebagai reaksi dari energi panas. Molekul ini bergerak dengan sangat cepat dan menabrak molekul lain di sebelah nya.
Selama benda dipanaskan, mekanisme ini terus berlanjut hingga semua molekul bergetar. Molekul yang bergetar inilah yang menghasilkan panas pada bagian lain permukaan benda.
Faktor daya hantar panas
Ada 4 faktor utama yang mempengaruhi kemampuan konduksi dalam menghantar panas diantaranya perbedaan temperatur dua sisi, luas penampang, jarak tempuh panas, dan karakteristik bahan yang digunakan. Faktor ini nantinya akan digunakan saat analisa dan kalkulasi.
Luas area penampang dan panjang benda termasuk dalam karakteristik geometri. Semakin besar besar suatu benda, semakin banyak pula energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu nya. Juga, semakin luas bagian yang terekspos ke udara, semakin tinggi panas yang bisa hilang.
Untuk beberapa kasus, kita ingin agar panas itu hilang. Contohnya pada perangkat elektronik dimana panas yang berlebihan bisa menyebabkan kerusakan komponen, karena itu panas harus dikeluarkan salah satunya dengan mekanisme konduksi.
Selain dilihat dari geometri benda penghantar panas, kemampuan daya hantar panas juga dilihat dari bahan yang digunakan. Ini berarti bahwa daya hantar setiap benda itu berbeda. Yakni ada yang cepat menyalurkan panas, sebaliknya ada yang lebih lambat.
Kalau bahannya punya nilai K (thermal conductivity coefficient) yang tinggi, artinya benda tersebut bagus dalam menghantar panas. Sebaliknya, jika benda tidak bagus dalam menghantar panas, maka bisa dijadikan sebagai insulator atau penghambat panas.
Contoh bahan penghantar panas yang baik adalah logam dan besi, sedangkan yang buruk itu seperti kayu, kain, dan masih banyak lagi.
Contoh konduksi dalam keseharian
- Merebus air. Panas dari api akan menyebar ke panci. Ketika kalian memegangnya, akan ada sensasi panas pada seluruh penampang panci.
- Electric kettle. Logam dalam water heater membuat air menjadi panas dengan menggunakan konsep konduksi.
- Batang besi dan api. Ketika kalian memanaskan api pada ujung batang besi, maka panas ini akan merambat ke ujung lain satunya. Jika kalian menyentuhnya, maka kewarasan kalian perlu dipertanyakan sampai mau menyentuh benda panas.
- Setrika. Menghantar panas pada seluarah permukaan area secara merata
- Peralatan elektronik. Seperti laptop yang terasa panas saat digunakan dalam waktu lama. Ini terjadi karena masih ada panas yang tertinggal
- Pasir pantai. Kaki mu akan terasa panas jika berjalan di pasir pantar tanpa alas di bawah matahari terik.
- Kondenser. Memiliki logam yang memindahkan panas dengan cara konduksi
- dan masih banyak lagi
Analisa Perpindahan Panas – Konduksi
Mulai dari yang paling mendasar, inilah formula yang digunakan:
Q dot = [k.A.(T2-T1)]/dx
dimana,
- k adalah koefisien konduktivitas suatu bahan (W/mK)
- A adalah luas penampang (m^2)
- T2-T1 adalah perbedaan suhu antara 2 tempat (Kelvin)
- dx adalah jarak 2 tempat (m)
Penjelasan rumus (penting): bahan, luas penampang dan perbedaan temperatur berbanding lurus dengan laju daya hantar panas. Artinya, semakin besar nilai ketiga faktor ini, semakin besar panas yang bisa dihantarkan.
Sebaliknya, dx atau jarak adalah variabel yang berbanding terbalik dengan laju hantar panas. Semakin besar nilai dx, maka semakin kecil jumlah watt panas yang bisa dihantar. Logikanya, dx adalah jarak, semakin jauh jarak semakin lama proses perpindahan panas .
Contoh soal:
Sebuah logam yang memiliki panjang 10 cm dan luas penampang 9 cm^2 harus memindahkan suhu dari tempat A 100 derajat Celcius ke tempat B bersuhu 20 derajat Celcius. Jika koefisien konduktivitas bahan yang digunakan adalah 5 W/mK, maka berapakah laju hantaran kalornya?
Jawab:
Diketahui, k = 5 W/mK,
A rea= 0.0009 m^2,
T2-T1 = 100 – 20 = 80 K
dx = 0.1 m
Q dot = [(5)(0.0009)(80)]/0.1 = 3.6 Watt
jadi laju perpindahan kalor dari tempat A ke B adalah 3.6 watt atau 3.6 Joule tiap detiknya.
Pemanfaatan Konduksi
Ada tiga manfaat utama dari proses konduksi tergantung dari tujuan daya hantar konduksi. Konduktor panas yang baik akan menjadi penghantar dan penghilang panas, sedangkan yang buruk akan digunakan sebagai isolator.
1. Konduksi sebagai penghantar
Salah satu manfaat utama konduksi ialah membantu pekerjaan rumah tangga. Contoh paling nyata ialah dalam urusan masak memasak, menyetrika dan lain sebagainya.
Memasak tentunya memerlukan panas yang cukup. Bahan makanan bisa direbus ataupun dipanaskan melalui sebuah panci ataupun penggorengan. Panci penggorengan adalah menggunakan bahan konduktor panas yang baik sehingga dapat menghantar panas dengan cepat ke makanan.
Sama halnya dengan menyetrika. Setrika dibuat dari bahan logam/besi yang dilengkapi dengan konverter energi. Ketika aliran listrik masuk ke dalam komponen, listrik ini diubah menjadi energi panas. Panas inilah menyebar pada logam dengan mekanisme konduksi. Nantinya bisa dimanfaatkan untuk menyetrika pakaian.
2. Konduksi sebagai penghilang panas
Tidak kah kalian pikir kalau handphone, laptop, komputer yang setiap hari dipakai itu menghasilkan panas. Apabila panas tersebut tidak dikeluarkan, perangkat elektronik kalian pasti sudah seperti batu api bahkan meledak. Lantas kemana panas ini pergi?
Tentu saja panas ini dikeluarkan dengan mekanisme tertentu. Di sinilah peranan konduksi sangat sangat penting. Konduksi menghantar panas keluar dari sumbernya, melalui perantara yang bisa dengan cepat menghantar panas, kemudian mengeluarkannya ke udara.
Intinya, konduksi membantu mendinginkan komponen tertentu dalam suatu sistem. Bukan hanya pada sistem elektronik, tapi juga pada sistem pendingin transportasi mobil.
3. Konduksi sebagai insulator
Insulator atau penghambat panas, sesuai namanya, berfungsi untuk mencegah panas keluar masuk pada suatu tempat. Bahan yang biasa digunakan untuk insulator adalah yang memiliki nilai K yang rendah. Yang paling sering kalian lihat adalah termos. Yup, termos mencegah agar air tetap panas dengan bahan insulator.
Contoh lain penggunaan insulator panas ada pada rumah pada pemukiman dingin. Dinding rumah mereka terbuat dari insulator panas untuk mencegah panas keluar dan menjaga suhu dalam ruangan agar tetap hangat.
Selain itu, insulator juga digunakan pada praktek industri pembangkit listrik tenaga uap, seperti boiler. Boiler adalah tempat memberi panas ke fluida agar berubah menjadi uap. Dalam kasus ini, panas dianggap sangat berharga dan didapatkan dengan membakar batu bara. Karena itu, insulator dibuat agar bisa menahan panas yang ada di dalam boiler untuk tidak keluar dan terbuang. Singkatnya, membuang panas berarti membuang uang.
Kesimpulannya, konduksi adalah sebuah peristiwa terjadinya perpindahan energi panas pada obyek yang mengalami kontak fisik secara langsung dengan sumber panas. Energi ini bergerak dari ujung satu ke ujung lainnya tanpa adanya pergerakan dari media perantaranya. Mengetahui karakteristik dari proses konduksi menghasilkan perkembangan yang cukup pesat dalam produk teknologi, khusunya produk yang menghasilkan panas dari dalam komponen.
