Perpindahan Panas – Konduksi, Konveksi dan Radiasi

Perpindahan Panas

Kalor merupakan suatu bentuk energi yang diterima sebuah benda sehingga suhunya atau wujudnya berubah dan kalor merupakan suatu ukuran atau jumlah panas. Satuan kalor yang digunakan adalah kalori atau joule, yaitu banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram zat sehingga suhunya naik 1oC (Cengel 2003). Energi dapat terwujud dalam berbagai bentuk seperti panas, mekanik, kinetik, potensial, elektrik, magnetik, kimia, dan nuklir, dan total komponen-komponennya dalam energi total E dari sebuah sistem (Çengel dan Turner 2001).

Kalor mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Akan tetapi, gaya dorong untuk aliran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin (Masyithah dan Haryanto 2006).

A. Kalor jenis

Kalor jenis didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu unit massa zat pada peningkatan satu derajat. Secara umum, energi ini bergantung pada bagaimana prosesnya terjadi (Çengel dan Turner 2001). Kalor jenis dalam termodinamika terbagi menjadi dua jenis yaitu kalor jenis pada volume konstan Cv dan kalor jenis Cp. Kalor jenis pada volume konstan dapat menunjukkan bahwa energi diperlukan untuk menaikkan suhu pada suatu unit massa suatu zat sebesar satu derajat sebagai volume konstan. Energi yang dibutuhkan untuk hal yang sama pada tekanan dianggap konstan disebut kalor jenis pada tekanan konstan (Cengel 2003).

Unit umum untuk kalor jenis adalah J/kgºC atau kJ/kg K. Kedua unit ini identik karena ∆T(ºC) = ∆T(K), dan perubahan 1ºC dalam suhu, ekivalen dengan perubahan 1 K. Kalor jenis menurut Çengel dan Turner (2001) terkadang dalam bentuk satuan molar basis. Salah satu contoh kalor jenis adalah kalor jenis air 4.200 J/kg°C, artinya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1°C adalah 4.200 J. Kalor jenis suatu zat dapat diukur dengan menggunakan alat kalorimeter (Giancoli 1998). 

Joule menggabungkan dua tangki dalam eksperimen klasiknya dengan sebuah pipa dan keran dalam sebuah bak air. Satu tangki berisi udara dengan tekanan yang tinggi dan tangki lainnya dikosongkan. Saat keseimbangan kalor dicapai, dia membuka keran untuk membiarkan udara melewati satu tangki ke tangkin lainnya sampai tekanan pada kedua tangki sama.joule menemukan bahwa tidak ada perbahan suhu dalan bak air dan asumsikan tidak ada panas yang dipindahkan ke atau dari udara. Karena tidak ada perubahan, dia mengasumsikan bahwa energi internal dari udara tidak berubah walaupun volume dan tekanan berubah. Oleh karena itu, dia menyimpulkan, energi internal adalah suatu fungsi suhu dan bukan fungsi tekanan atau spesifik volume. 

Rumus kalor jenis dengan menggunakan definisi entalpi dan ekuasi dari gas ideal adalah:

h = u + Pv

Pv = RT h = u + RT

R konstan dan u = u(T), entalpi gas ideal juga merupakan fungsi dari suhu:

h = h(T)

Besar nilai u dan h hanya bergantung pada temperatur saja untuk gas ideal, kalor jenis Cv dan Cp juga tergantung hanya pada suhu (Çengel dan Turner 2001).

B. Kalor laten

Energi internal juga berhubungan dengan gaya antar molekul antara molekul dari suatu sistem. Energi ini merupakan kekuatan yang mengikat molekul satu sama lain, dan seperti yang diharapkan, mereka terkuat di padatan dan paling lemah dalam gas. Jika cukup energi ditambahkan ke molekul padat atau cair, mereka akan mengalahkan kekuatan molekuler tersebut dan hanya melepaskan diri, mengubah sistem gas. Hal ini merupakan sebuah proses fase perubahan dan karena energi tambahan ini, sebuah sistem pada fase gas berada pada tingkat energi internal yang lebih tinggi daripada di padat atau fase cair. Energi internal yang berhubungan dengan sistem fase ini disebut energi laten atau kalor laten (Cengel 2003). 

Jumlah energi yang diabsorsi atau dilepaskan selama proses perubahan bentuk disebut kalor laten. Definisi secara spesifik, jumlah energi yang diserap selama pencairan disebut fusi kalor laten dan ekivalen dengan jumlah energi yang dikeluarkan selama pembekuan. Besar kecilnya nilai kalor laten bergantung pada suhu atau tekanan saat perubahan bentuk sedang terjadi. Pada tekanan 1 atm, kalor jenis fusi air adalah 333,7 kJ/kg dan kalor laten penguapan adalah 2257.1 kJ/kg. Selama proses perubahan bentuk, tekanan dan suhu secara nyata bergantung pada komponen-komponennya, dan berhubungan nyata (Çengel dan Turner 2001).

C. Perpindahan Panas

Perpindahan panas pada bahan pangan merupakan salah satu fenomena transpor yang penting dalam pengolahan. Panas digunakan untuk menaikkan suhu makanan atau panas diambil dari bahan makanan seperti halnya pada proses pendinginan atau pembekuan. Panas berperanan dalam merangsang atau menghambat suatu reaksi kimiawi misalnya dalam reaksi pencoklatan atau proses inaktivasi enzim. Pengambilan panas dalam refrigerator dapat menurunkan kecepatan reaksi. Panas itu sendiri berpengaruh terhadap perubahan aroma, flavor serta struktur bahan pangan yang diolah (Wirakartakusumah et al. 1992 ).

Perpindahan panas adalah suatu bentuk dari energi yang dapat ditransfer atau pindahkan dari suatu sistem ke sistem lain sebagai akibat perbedaan temperatur. Perpindahan panas terjadi ketika suatu objek yang berbeda temperatur dibawa masuk ke kontak thermal, aliran panas dari objek yang temperatur tinggi ke temperatur yang rendah (Cengel 2003). 

Mekanisme panas yang dipindahkan ke atau dari dalam bahan pangan terbagi menjadi tiga yaitu secara konduksi, konveksi dan radiasi. Mode konduksi merupakan mode Perpindahan panas dari molekul ke molekul. Adanya gerakan atau vibrasi molekul akan meningkatkan kecepatan Perpindahan panas. Mode konveksi adalah mirip dengan Perpindahan panas secara konduksi hanya perpindahannya dikaitkan dengan adanya gerakan bahan secara curah (bulk) dari bahan yang bersuhu tinggi ke bagian bahan yang bersuhu lebih rendah. Mode Perpindahan panas secara radiasi, energi dipindahkan dalam bentuk gelombang elektromagnet yang dipancarkan oleh bahan yang mempunyai energi tersebut. Gelombang ini kemudian diserap oleh permukaan dan dikonversikan ke dalam bentuk energi panas (Wirakartakusumah et al. 1992).

1. Konduksi

Konduksi atau hantaran merupakan pengangkutan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah (Masyithah dan Haryanto 2006).

Konduksi terjadi jika adanya gradien suhu dalam suatu unsur berkelanjutan, panas dapat mengalir sendiri dengan berbagai gerakan yang terlihat. Aliran ini disebut dengan konduksi. Konduksi termal pada metalik padat merupakan hasil dari pergerakan elektron yang dilepaskan, dan di sana terjadi penyesuaian antara konduktivitas thermal dan konduktivitas elektrik (Zemansky 1957).

Suatu bahan dapat menghantar kalor secara sempurna namun ada bahan yang tidak dapat menhantar kalor secara sempurna. Bahan yang dapat menghantar ka1or dengan baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator (Masyithah dan Haryanto 2006). Proses perpindahan panas secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Perpindahan panas secara konduksi, setiap material mempunyai nilai konduktivitas panas (k) [Btu/hr ft F], yang mempengaruhi besar perpindahan panas yang dilakukan pada suatu material (Lesmana 2007).

B. Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi di dalam kemasan terjadi karena dua macam, yaitu akibat perubahan densitas dari cairan yang disebabkan oleh perubahan suhu pada dinding kaleng (disebut konveksi alami atau free/natural convection) atau terjadinya pergerakan karena pergerakan kemasan oleh rotasi (disebut forced convection). Proses Perpindahan panas secara konveksi dimulai dari Perpindahan panas secara konduksi saat menembus dinding kaleng dan mengenai cairan di bagian dinding kaleng (Kusnandar et al. 2009). Besarnya perpindahan panas secara konveksi tergantung pada luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A), perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (ΔT), dan juga koefisien konveksi (h), yang tergantung pada: viskositas fluida (μ), kecepatan fluida (v), perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida (ΔT), kapasitas panas fluida (Cp), dan rapat massa fluida (ρ) (Lesmana 2007).

Proses perpindahan ka1or secara konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai (Masyithah dan Haryanto 2006). Konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir, maka bentuk pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus di bawa ke suhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau yang pertama dipanaskan memperoleh masa jenis yang lebih kecil daripada bagian massa yang lebih dingin sehingga terjadi sirkulasi, kemudian kalor akhimya tersebar pada seluruh zat (Cengel 2003).

Pada makanan yang mengandung bahan padat dan cair seperti manisan buah-buahan di dalam kaleng yang diberi sirup terdapat kombinasi dari perambatan panas secara konduksi dan konveksi. Proses di dalam makanan kaleng atau bahan yang dipanaskan terdapat tempat (titik) yang paling lambat menerima panas yaitu yang disebut “cold point”. Pada bahan-bahan yang merambatkan panas secara konduksi, “cold point” terdapat di tengah atau di pusat bahan tersebut, sedangkan pada bahan-bahan yang merambatkan panas secara konveksi, “cold point” terletak di bawah atau di atas pusat yaitu kira-kira seperempat bagian atas atau bawah sumbu. Perambatan panas secara konveksi jauh lebih cepat daripada perambatan panas secara konduksi. Semakin padat bahan pangan, maka perambatan panas akan semakin lambat (Winarno et al. 1980).

C. Radiasi

Radiasi termal merupakan suatu zat atau bahan yang distimulasi untuk memancarkan radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda dalam beberapa cara yaitu (Zemansky 1957):

1. sebuah konduktor elektrik membawa frekuensi tinggi arus bolak-balik memancarkan gelombang radio
2. sebuah padatan atau cair memancarkan radiasi termal
3. sebuah gas membawa muatan listrik keluar sehingga dapat terlihat memancarkan atau radiasi ultraviolet.

Pancaran ialah perpindahan kalor mela1ui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk menerangkan bagaimana proses radiasi itu terjadi.

Semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energi kalor tertentu. Semakin tinggi suhu bahan maka semakin tinggi pula energi ka1or yang disinarkan. Proses radiasi merupakan fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi pada bagian da1am bahan. Apabila sejumlah energi ka1or menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan, sebagian akan diserap ke da1am bahan, dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Suatu fisik permukaan akan dilibatkan da1am perpindahan ka1or radiasi (Masyithah dan Haryanto 2006).