Konduksi kalor atau konduksi sederhana adalah proses perpindahan panas yang terjadi di dalam padatan, karena perbedaan suhu. Dalam konduksi, energi kalor ditransfer antara atom dan molekul padatan tanpa transfer materi, hingga kondisi kesetimbangan termal tercapai.
Fenomena konduksi ini terjadi pada semua zat, terlepas dari keadaan fisiknya, meskipun lebih sering terjadi pada zat padat. Ini karena, dalam keadaan padat, posisi tetap atom, yang diatur dalam jaringan kristal, mendukung pertukaran energi antara atom karena frekuensi terjadinya tumbukan antara partikel-partikel ini.
Pengertian konduksi
Konduksi adalah transfer energi internal dengan tumbukan partikel-partikel mikroskopis dan pergerakan elektron bebas di dalam benda. Partikel bertabrakan, yang mengandung molekul, atom, dan elektron, mentransfer energi kinetik dan Ep, bersama-sama disebut energi internal. Konduksi panas terjadi di semua fase materi: padat, cair, dan gas.
Tingkat di mana energi dihantarkan sebagai panas antara dua benda tergantung pada perbedaan suhu antara dua benda yang bersentuhan satu sama lain.
Panas secara otomatis mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Misalnya, panas mengalir dari piring panas kompor ke bagian bawah panci saus yang bersentuhan dengannya.
Dalam proses konduksi panas, panas mengalir di dalam dan melalui objek itu sendiri. Di sisi lain, dalam transfer panas oleh radiasi termal, perpindahan panas sering antara tubuh, yang dapat dipisahkan secara spasial.
Dalam perpindahan panas konveksi, energi internal mengalir di antara tubuh dengan memindahkan bahan pembawa. Dalam padatan, konduksi dilakukan dengan kombinasi tumbukan dan getaran molekul.
Contoh Konduksi Perpindahan Panas
Berikut adalah beberapa contoh konduksi panas:
- Peralatan yang digunakan untuk menangani arang atau zat yang sangat panas lainnya. Ingatlah bahwa pegangannya itu panjang sehingga perpindahan panas lebih lambat.
- Es, ketika dimasukkan ke dalam secangkir air mendidih, meleleh sepenuhnya.
- Saat Anda mendidihkan air, nyala kompor gas mentransmisikan panas ke panci dan dari satu saat ke saat berikutnya air sudah dipanaskan.
- Panas yang berasal dari peralatan dapur ketika Anda meninggalkannya di sebuah wadah, praktis wadahnya ikut panas.
Bagaimana konduksi kalor terjadi?
Proses konduksi kalor ditandai oleh interaksi antara atom-atom dari temperatur yang berbeda. Ketika kita memanaskan benda, atom-atomnya mulai berosilasi dengan amplitudo yang lebih besar. Atom-atom yang lebih gelisah ini memindahkan sebagian energi kinetiknya ke atom-atom tetangga dengan tabrakan dan getaran, sehingga mereka melambat, sedangkan yang kurang gelisah menambah kecepatan. Melalui mekanisme ini, panas secara bertahap dipindahkan dari daerah dengan suhu lebih tinggi ke daerah dengan suhu lebih rendah, hingga seluruh sistem berada pada suhu yang sama.
Dalam gas, misalnya, perpindahan panas secara konduksi terjadi secara eksklusif melalui tumbukan antar atom. Dalam padatan non-logam, konduksi termal terjadi melalui getaran di sepanjang jaringan kristal material. Dalam padatan logam – konduktor panas terbaik – konduksi terjadi baik oleh perambatan getaran dalam jaringan kristal dan oleh pergerakan kacau elektron bebas.
Konduksi panas dalam padatan
Dalam padatan, atom dan molekul dikemas berdekatan. Mereka terus bergetar tentang posisi rata-rata mereka. Apa yang terjadi ketika salah satu ujungnya dipanaskan? Atom atau molekul yang ada di ujung itu mulai bergetar lebih cepat. Mereka juga bertumbukan dengan atom atau molekul tetangga mereka. Dengan melakukan hal itu, mereka mengalirkan sebagian energinya melalui konduksi ke atom atau molekul yang berdekatan selama tumbukan dengan mereka akan meningkatkan getaran mereka. Atom-atom atau molekul-molekul ini meneruskan sebagian energi ke partikel-partikel tetangga. Dengan cara ini, beberapa panas mencapai bagian lain dari padatan secara konduksi. Konduksi ini adalah proses yang lambat dan perpindahan panas yang sangat kecil terjadi dari bagian panas ke dingin di padatan.
Bagaimana logam berbeda dari non-logam dalam hal menghantarkan panas?
Logam memiliki elektron bebas. Elektron bebas ini bergerak dengan kecepatan sangat tinggi di dalam benda-benda logam. Mereka membawa energi pada tingkat yang sangat cepat dari bagian panas ke dingin pada objek saat bergerak. Dengan demikian, panas mencapai bagian dingin benda logam dari bagian kerasnya jauh lebih cepat daripada bukan logam.
Semua logam adalah konduktor panas yang baik. Zat yang tidak mudah dihantarkan oleh panas disebut sebagai konduktor atau insulator yang buruk. Kayu, gabus, kapas, wol, kaca, karet, dll adalah konduktor atau isolator yang buruk.
Contoh bahan konduktif
| Perak murni | Gallium |
| Tembaga yang dikeraskan (**) | Nikel |
| Aluminium | Grafit |
| Seng murni | Tantalum |
| Perunggu fosfor | Perunggu |
| Nikel | Baja |
| Kuningan | Logam galvanis |
| Tungsten | Besi |
| Besi cor | Tembaga |
| Emas | Udara terionisasi |
Insulator dan konduktor termal
Keadaan materi yang berbeda mengirimkan panas melalui mekanisme yang berbeda. Bahan yang menghantarkan kalor secara konduksi disebut konduktor, misalnya, adalah yang mampu mentransfer panas dengan sangat mudah – ini adalah kasus pada kebanyakan logam. Bahan isolator, pada gilirannya, adalah mereka yang menghambat perjalanan panas, seperti styrofoam, karet, kayu dll.
Perbedaan konduksi, konveksi dan radiasi
Konduksi, konveksi dan radiasi adalah tiga cara berbeda untuk menyebarkan panas. Titik umum antara ketiga proses ini adalah bahwa harus ada perbedaan suhu antara benda yang berbeda atau pada titik yang berbeda pada benda yang sama.
Konduksi, sebagaimana dikatakan, terjadi melalui kontak langsung antara molekul, yang, ketika tumbukan, mentransfer energi kinetik ke molekul tetangga mereka. Dalam transfer panas jenis ini, tidak ada transportasi materi. Konveksi, pada gilirannya, terjadi secara eksklusif dalam cairan dan, seperti halnya dalam konduksi, itu hanya terjadi pada media material. Perbedaan antara konduksi dan konveksi adalah, dalam hal ini, ada transportasi massa oleh arus konvektif. Radiasi adalah perpindahan panas oleh gelombang elektromagnetik, sehingga proses perpindahan panas ini dapat terjadi dalam ruang hampa.
1. Konduksi Panas
Konduksi panas adalah suatu proses di mana panas dipindahkan dari bagian yang lebih panas ke bagian yang lebih dingin dalam tubuh tanpa melibatkan pergerakan sebenarnya dari molekul-molekul tubuh. Perpindahan panas terjadi dari satu molekul ke molekul lain sebagai hasil dari gerakan getaran molekul. Perpindahan panas melalui proses konduksi terjadi pada zat yang bersentuhan langsung satu sama lain. Biasanya terjadi di padatan.
Contoh konduksi: Saat menggoreng sayuran dalam wajan. Perpindahan panas terjadi dari nyala ke wajan dan kemudian ke sayuran.
Berdasarkan konduktivitas panas, zat dapat diklasifikasikan sebagai konduktor dan isolator. Zat yang melakukan panas dengan mudah dikenal sebagai konduktor dan mereka yang tidak melakukan panas dikenal sebagai isolator.
2. Konveksi Panas
Dalam proses ini, panas dipindahkan dalam cairan dan gas-gas dari daerah dengan suhu lebih tinggi ke daerah dengan suhu lebih rendah. Perpindahan panas konveksi terjadi sebagian karena pergerakan molekul yang sebenarnya atau karena perpindahan massa.
Sebagai contoh. Pemanasan susu dalam panci.
3. Radiasi Panas
Ini adalah proses di mana panas ditransfer dari satu tubuh ke tubuh lain tanpa melibatkan molekul medium. Perpindahan panas radiasi tidak tergantung pada medium.
Sebagai contoh: Dalam microwave, zat dipanaskan langsung tanpa media pemanas.
Aliran panas atau Hukum Fourier
Jumlah kalor yang ditransfer antara dua titik di dalam benda, setiap detik, disebut aliran panas. Konsep ini menyangkut kecepatan perpindahan kalor di dalam benda. Beberapa bahan memiliki kapasitas perpindahan panas yang besar, jadi kita mengatakan bahwa mereka adalah konduktor panas yang baik, karena mereka dapat membuangnya dengan lebih cepat.
Aliran panas, yang didefinisikan sebagai konstanta k, diukur dalam watt (W), menurut Sistem Satuan Internasional, tetapi juga dapat diukur dalam kalori per detik. Aliran energi ini sebanding dengan perbedaan suhu antara dua titik dalam tubuh dan sesuai dengan jumlah energi yang mengalir, dalam bentuk panas, untuk setiap meter persegi permukaan, selama interval waktu satu detik.
Rumus yang digunakan untuk menghitung konduksi termal, juga dikenal sebagai rumus aliran panas atau Hukum Fourier, adalah sebagai berikut:
- Φ – aliran panas (kal / s atau W)
- Q – kalor (kalori atau J)
- Δt – interval waktu
- A – area (m² atau cm²)
- T2 dan T1 – suhu titik 1 dan 2 (K atau ºC)
- k – koefisien konduktivitas termal (J / s.m.K atau cal / s.cmºC)
Koefisien konduktivitas termal (k) menentukan apakah benda merupakan konduktor panas yang baik atau tidak. Koefisien ini menyangkut sejumlah besar sifat materi, seperti suhu, keadaan fisik, kemurnian, kepadatan, dll. Selain itu, rumus tersebut menunjukkan bahwa jumlah panas Q yang mengalir melalui area A, selama periode waktu Δt, sebanding dengan perbedaan suhu (T2 – T1) antara dua permukaan area tersebut dan juga berbanding terbalik dengan ketebalan. dan, itu memisahkan mereka. Perhatikan diagram berikut, yang menunjukkan konduksi termal dalam medium padat, sesuai dengan variabel yang disajikan:
Latihan soal konduksi kalor
Soal 1). Selama hari yang cerah, sejumlah besar panas – sekitar 180 kal – melewati jendela kendaraan yang diparkir di ruang terbuka selama 15 menit. Tentukan aliran panas melalui jendela kendaraan dalam situasi ini.
a) 10.000 cal / s
b) 2000 cal / s
c) 50 kal / dtk
d) 300 kal / dtk
e) 500 cal / s
Jawab: B
Pembahasan:
Untuk menyelesaikan soal latihan ini, hitung saja jumlah panas yang melewati jendela kendaraan setiap detik.
Menurut perhitungan, sekitar 2.000 kalori melewati jendela kendaraan setiap detik, jadi alternatif yang benar adalah huruf B.
Soal 2). Periksa alternatif di mana hanya konduksi panas terjadi:
a) Air panas dicampur dengan air dingin.
b) Kertas dibakar oleh sinar matahari, dikonsentrasikan oleh kaca pembesar.
c) Setrika untuk membakar kemeja.
d) Uap air memasak sayur.
Jawab: C
Pembahasan:
Di antara proses yang tercantum, yang pertama adalah transmisi kalor secara konveksi; selanjutnya, kita memiliki radiasi, dalam opsi B; konduksi, dalam huruf C; akhirnya, di alternatif terakhir, konveksi lagi. Karena itu, alternatif yang benar adalah pilihan C.
Faktor Yang Mempengaruhi Perpindahan kalor
Sekarang kita akan membahas laju perpindahan panas atau faktor-faktor yang menjadi penyebabnya. Tingkat perpindahan panas tergantung pada yang berikut:
ΔQΔt ∝ A (T1 – T2) x
Jadi persamaan perpindahan panas keluar menjadi, ΔQΔt = K A (T1-T2) x di mana, K adalah koefisien perpindahan panas. Di sini jika aliran panas positif maka kita dapat menyimpulkan T1> T2. Jadi panas mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah. Kita dapat melihat bahwa analogi dengan listrik dapat ditarik, di sini suhu memainkan peran perbedaan potensial dan laju perpindahan panas seperti arus sedangkan sisanya dari ekspresi seperti hambatan listrik. Sekarang kita telah menggambar analogi, jadi harus ada hubungan seri dan paralel di sini juga,
1. Perpindahan panas secara seri
Biarkan suhu persimpangan menjadi T. Oleh karena itu untuk batang pertama,
⇒ ΔQΔt = K1 A1 (T1 – T) L1 —- (1)
Juga untuk batang kedua,
⇒ ΔQΔt = K2 A2 (T – T2) L2 —- (2)
Karena suhu konjungsi tetap konstan, maka laju perpindahan panas dalam (1) dan (2) harus sama. Dengan menggunakan persamaan kita dapat menemukan Nilai suhu ‘T ′.
2. Perpindahan panas secara paralel
ΔQΔt = K1A1 (T1 – T2) L —- (3)
Untuk batang 2,
ΔQΔt = K2 A2 (T1 – T2) L —- (4)
Jadi, aliran panas bersih adalah penjumlahan dari (3) dan (4). Misalkan suhu luar adalah T dan kedalaman danau adalah h. Berapa banyak waktu yang dibutuhkan untuk membekukan seluruh danau? Panas laten es adalah L dan konduktivitas termal adalah K.
Pada titik ini, laju perpindahan panas adalah, ⇒ dQdt = KATx
⇒ dQ = KATx dt —- (5)
Panas ini dikeluarkan dan lapisan es terbentuk.
dm = ρA.dx —- (6)
Juga,
dQ = dm.L
Menempatkan nilai dari (5) dan (6) kita dapatkan,
KATx dt = ρA.dx.L
⇒ ∫t0 dt = ρLKT∫h0x.dx
Integrasi dengan batasan yang kami dapatkan,
t = ρLh22KT
Manfaat konduksi panas dalam kehidupan kita sehari-hari
Gunakan konduktor panas yang baik
Peralatan memasak, panci, ketel, dan ketel terbuat dari logam yang melibatkan pemanasan langsung.
Besi solder terbuat dari besi dengan ujung yang terbuat dari tembaga karena tembaga adalah konduktor panas yang jauh lebih baik daripada besi.
Penggunaan insulator atau konduktor yang buruk
Beberapa aplikasi insulator yang umum diberikan:
- Gagang ceret dan sendok terbuat dari plastik atau kayu karena kayu adalah penghantar panas yang buruk.
- Dengan cara ini, ketel panas, peralatan, dan sendok dapat diambil tanpa membakar tangan kita.
- Pakaian atau selimut wol digunakan untuk membuat orang tetap hangat di hari yang dingin.
- Serbuk gergaji digunakan untuk menutupi balok es karena memiliki sifat isolasi yang baik.
Sumber gini.com
EmoticonEmoticon