Jurnal Ilmiah Teknik Mesin ITS 10 April 2012

KONDUKSI

Ahmad Adam A, Irfan Yuananto, Ratih Novie Arini, Rizky Yusuf Fernando S, M. Mujib Saifulloh

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya

Ahmad09@mhs.me.its.ac.id , Irfan_yuan@yahoo.com, ratih09@mhs.me.its.ac.id richy14@rocketmail.com , mujibsaiful99@yahoo.com ,

ABSTRAK. Suatu energi dapat ditransfer melalui interaksi pada suatu system terhadap lingkungan sekitar. Transfer energi dapat berlangsung melalui konduksi, konveksi, maupun radiasi. Pada praktikum ini metode yang digunakan adalah konduksi. Untuk mengetahui perbandingan dan estimasi nilai konduktifitas dan overall heat transfer coefficient serta mengetahui pengaruh kenaikan T terhadap nilai konduktifitas thermal pada logam solid maka dilakukan percobaan ini. Dalam percobaan ini dilakukan pengaturan set voltage sebesar 220, mengaktifkan pompa dan heater, mengatur set point thermo control pada 100. Mengambil data arus, tegangan dan temperatur, lalu melakukan variasi pengambilan data hingga set point mencapai nilai 175 dengan initial sebesar 25 pada masing masing specimen. Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh data V,A,T1,T2,T3,T4,T5,T6. Lalu data yang diperoleh dihitung dan diplotkan dalam grafik k=f (specimen) dan grafik k-Tavg serta menghitung nilai overall heat transfer

Kata kunci : Temperatur rata rata, konduktifitas thermal

ABSTRACT. An energy can be transferred by interaction of system to surroundings l. The energy transfer occur by conduction, convection, or radiation. In this practical work,the method that be used was conduction. This practical work can find out a comparison and conductivity value estimation, overall heat transfer coefficient and find out an influence of increment temperature to thermal conductivity value in solid metal. In this experiment voltage settings are set at 220, activate the pump and heater, thermo control set point set at 100. Taking the data current, voltage and temperature, and then do a variation of data collection to achieve the set point 175 to the initial value of 25 on each specimen. From the experiment can be obatained V,A,T1,T2,T3,T4,T5,T6 value. Then the data obtained were calculated and plotted in the k=f graph (specimen) and k-Tavg graph and calculate overall heat transfer value.

Keywords : Average themperature, thermal conductivity

I. PENDAHULUAN

Dalam pemahaman thermodinamika, kita telah mengetahui bagaimana suatu energi dapat ditransfer melalui interaksi pada suatu system terhadap lingkungan sekitar, dimana energi tersebut dapat berupa panas maupun dalam bentuk kerja. Dalam lingkup transfer energi panas, transfer energi dapat berlangsung melalui konduksi, konveksi maupun radiasi.

Untuk meningkatkan pemahaman dalam ruang lingkup perpindahan panas diperlukan analisa mengenai proses perpindahan panas yang terjadi pada setiap elemen kecil yang terkait pada suatu system yang akan dianalisa. Namun pemahaman yang paling mendasar yaitu apa yang dimaksud dengan perpindahan panas dan bagaimana hal itu terjadi. Praktikum perpindahan pans merupakan salah satu langkah dalam upaya meningkatkan

tingkat pemahaman dasar terhadap mekanisme proses perpindahan pans. Pada praktikum ini akan menstimuluskan prosesperpindahan panas secara konduksi.

Pada dasarnya konduksi adalah pemindahan panas tanpa disertai perpindahan bagian bagian zat perantaranya, dimana energi panasnya dipindahkan dari satu molekul ke molekul lain dari benda tersebut. Contohnya pemindahan panas melalui sepotong besi. Untuk lebih jelasnya mekanisme peristiwa konduksi dapat dilihat pada gambar di

bawah ini :

Gambar 1. Aktivitas molekul pada perpindahan panas konduksi

Harga T1 > T2 sehingga partikel partikel yang berada dekat dengan T1 akan bergerak secara acak (berputar dan bergetar) dan saling bertabrakan dengan partikel yang lainnya sehingga akan terjadi perpindahan energi yaitu berupa panas dari T1 ke T2.

Besarnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan

dalam bentuk Heat Flux q” ( ) yaitu

perpindahan panas per satuan luas, yang arahnya tegak lurus dengan luasan dan besarnya sebanding dengan gradient temperaturnya.

Gambar 2. Perpindahan panas konduksi satu dimensi

Secara Umum besarnya nilai perpindahan panas adalah

…………………………(1)

dalam arah x adalah

…………………………(2)

K adalah properties yang disebut sebagai konduktifitas thermal (-W/m K)

Dengan asumsi steady state conditions,

distribusi temperature pada konduksi adalah linier sehingga distribusi temperatur dapat dinyatakan:

…………………………..(3)

……………………………………….(4)

……………..(5)

Heat rate konduksi pada plane wall denganluasan A adalah q = q” A (Watt). Kemampuan suatu material untuk menyimpan energy panas adalah volumetric heat capacity (ρ Cp (J/m3K)) Kebanyakan solid dan liquid merupakan media penyimpan energy yang bagus yang mempunyai harga angka perbandingan heat capacity (ρ Cp > 1 (MJ/m3K)). Sedangkan gas merupakan media penyimpan energy panas yang kurang bagus (ρ Cp ≈ 1 (MJ/m3K)). Rasio thermal conductivity terhadap heat capacity disebut sebagai thermal diffusifity (a)

……………………………….(6)

Heat Diffusion Equation

Koordinat Kartesian

Gambar 3. Differential control volume dx, dy, dz

…………………..(7)

…………………..(8)

……………………(9)

Bentuk umum konservasi energy adalah

……………….(10)

dengan

…………………………(11)

energi bangkitan per unit volume (W/m3)

…………….….(12)

Persamaan (x) , (x) disubstitusikan ke persamaan (x)

..(13)

Substitusi persamaan (x)

………………….(14)

……………….…(15)

…………………(16)

…………………(17)

Maka substitusi (x) ke (x)

…………….(18)

Koordinat Silindris

Gambar 4. Differential control volume dr, rdΦ, dz

…….

(19)

………….

(20)

……………………….(21)

Tahanan Thermal

Plane Wall

Gambar 5. Perpindahan panas konduksi satu dimensi

……………………………………..

(22)

II. METODOLOGI PENELITIAN

Peralatan

Amperemeter, thermocouple selector, setpoint adjustor, voltmeter, thermocontrol, thermocouple 1, thermocouple 2, thermocouple 3, thermocouple 4, thermocouple 5, thermocouple 6, pompa, thermocouple referensi, elemen pemanas, logam perantara 1, specimen, isolator, logam perantara 2, dan penampung air

Langkah-Langkah percobaan

Dalam percobaan ini terdapat peosedur baku untuk memperoleh hasil yang akurat, berikut adalah langkah-langkah dalam melakukan percobaan.

1. Tahap persiapan

1) Pemasangan thermocouple pada tiap ujung

specimen yang akan diuji pada instalasi dengan menggunakan kaos tangan. 2) Pastikan thermocouple terpasang dengan baik dengan mengecek nilai yang ditunjukkan pada display

digital thermocouple. Apabila digital thermocouple tidak menampilkan nilai temperature yang relevan cek kembali thermocouple pada spesimen. 3) pemasangan specimen pada instalasi percobaan dengan menggunakan kaos tangan, tutup dan rapatkan isolator kemudian kencangkan baut untuk meletakkan heater dan logam penghantar pada bagian atas heater. 4) Memasang thermocouple referensi pada heater. 5) Cek kembali pembacaan temperatur pada digital thermocouple apabila digital thermocouple tidak menampilkan nilai temperatur yang relevan ulangi lagi mulai tahap 1.

2. Tahap pengambilan data

1) Putar setpoint voltage regulator pada nilai 220. 2) Aktifkan pompa dengan menyambungkan saklar atau daya kemudian nyalakan heater dengan menggunakan tombol on/off heater. 3) Putar setpoint thermocontrol pada nilai 100. 4) Data siap diambil dengan waktu tunggu minimum 10 menit

setelah prosedur 1. 5) Pengambilan data arus dan tegangan kemudian tekan tombol thermocouple selector untuk mengetahui temperatur tiap titik, sesuai dengan keterangan yang ada lalu catat data percobaan. 6) Lakukan prosedur diatas dengan kenaikkan setpoint sebesar 25 hingga setpoint mencapai nilai 175 serta waktu tunggu pengambilan data minimum 5 menit. 7) Lakukan prosedur persiapan hingga pengambilan data untuk masing-masing specimen.

Skema Instalasi Peralatan

Gambar 6. Instalasi Percobaan konduksi

III. Analisa Hasil Penelitian

Pembahasan Grafik T Fungsi x untuk stainless steel

Grafik 1. Grafik T fungsi x untuk stainless steel

Pada grafik T =F(x) dengan specimen stainless steel, trend grafik yang terjadi semakin menurun dari T1 sampai T6. Tren grafik T1 ke T2 tampak landai begitu juga T2 ke T3, T3 ke T4, T4 ke T5 begitu pula pada T5 ke T6. Keadaan grafik yang landai secara konstan ini terjadi karena tidak terdapat rongga pemisah antar specimen tembaga dengan stainless steel. Pada titik T5 ke T6 grafik lebih landai dari pada grafik T1-T5, hal ini disebabkan oleh jarak specimen tembaga 2 dari

pemanas lebih jauh dari pada tembaga 1 dan stainless steel dari heater.

Bila dilihat dari rumus, hubungan grafik dengan rumus yang sebenarnya adalah

q = k. A

Dengan keterangan

q = heat transfer (watt)

k = koefisien koduksi (w/m.k)

A = Luas permukaan (m)

L = Tebal dinding (m)

= Selisih temperature

Nilai q sebenarnya juga bisa didapatkan pada rumus

q = I . V

Dengan keterangan :

q = heat transfer (watt)

I = arus dari thermocontrol (ampere)

V = Voltage (volt)

Hubungan antara vovltage (v) dengan selisih

temperature ( ) yaitu semakin tinggi voltage

akan semakin tinggi pula perpindahan pansnya (q). Apabila nilai q meningkat makaselisih temperature

( ) juga akan mningkat. Pada grafik T = f(x)

stainless steel dengan set poin175 menempati posisi tertinggi. Sedangkan diposisi ke-2 merupakan set poin 150, lalu diposisi garis ke-3 set point 125 dan posisi garis grafik terendah adalah set point 100. Jadi semakin tinggi set point semakin tinggi pula nilai T nya.

Pembahasan Grafik T = F(x) specimen besi

Grafik 2. Grafik T = F(x) specimen besi

Pada grafik T=F(x) dengan specimen besi, terjadi tren grafik degan pola yang curam dan menurun dari T1 hingga T6. Tren grafik T1 ke T2 grafik menunjukkan garis yang landai karena distribusi T masih dlam satu specimen yaitu tembaga. Sedangkan pada grafik dititik T2 ke T3 garis sngat curam yang menunjukkan adanya thermal resistan berupa perbedaan specimen dan perbedaan konduktifitasnya pula. Dari T3 ke T4 grafik curam, tapi tak securam garis dari T2 ke T3, karena thermal konduktifitas dari besi yang berbeda dengan tembaga. T4 ke T5 grafik sangat curam karena terjadi thermal resistance kembali dri dua material yang berbeda. Dan dilanjutkan grafik landai di titik T5 ke T6.

Bila dilihat dari rumus, hubungan grafik dengan rumus sebenarnya

q = k. A

Dengan keterangan

q = heat transfer (watt)

k = koefisien koduksi (w/m.k)

A = Luas permukaan (m)

L = Tebal dinding (m)

= Selisih temperature

Nilai q sebenarnya juga bisa didapatkan pada rumus

q = I . V

Dengan keterangan :

q = heat transfer (watt)

I = arus dari thermocontrol (ampere)

V = Voltage (volt)

Hubungan antara voltage dengan selisih

temperature ( ). Semakin tinggi voltage ( V)

semakin tinggi pula perpindahan pans (q). Apabila nilai q meningkat maka nilai selisih temperature (

) jug meningkat. Pada grafik T=F(x) specimen

besi dengan set poin 175 menempati posisi tertinggi. Sedangkan set point 150 menempati posisi ke-2. Lalu set pont 125 menempati posisi ke-3 dan diteruskan pada posisi terendah ditempati oleh set point 100. Semakin tinggi set point semakin tinggi nilai T nya.

Pembahasan Grafik T = F(x) Aluminium

Grafik 3. Grafik T= F(X) aluminium

Pada grafik T = F(x) dengan specimen Aluminium, terjadi tern grafik dengan pola yang curam dan menurun dari T1 hingga T6 tren grafik T1 ke T2

grafik menunujukkan garis yang landai karena distribusi T masih dalam 1 spesimen yaitu tembaga. Sedangkan pada grafik dititik T2 ke T3 garis sangat curam yang menunujukkan adanya thermal resistance berupa perbedaan specimen dan perbedaan konduktifutasnya pula. Dari T3 ke T4 grafik curam, tapi tak securam garis dari T2 – T3, karena thermal konduksi dari aluminium yang berbeda dengan tembaga. T4 ke T5 grafik sangat curam karena terjadi thermal resistance kembali dari dua material yang berbeda. Dan dilanjutkan grafik landai di titik T5 ke T6

Bila dilihat dari rumus, hubungan grafik dengan rumus sebenarnya

q = k. A

Dengan keterangan

q = heat transfer (watt)

k = koefisien koduksi (w/m.k)

A = Luas permukaan (m)

L = Tebal dinding (m)

= Selisih temperature

Nilai q sebenarnya juga bisa didapatkan pada rumus

q = I . V

Dengan keterangan :

q = heat transfer (watt)

I = arus dari thermocontrol (ampere)

V = Voltage (volt)

Hubungan antara voltage dengan selisih

temperature ( ) semakin tinggi voltage (V)

semakin tinggi pula perpindahan panas (q). Apabila nilai q meningkat maka nilai selisih temperature (T) juga meningkat. Pada grafik T = F(x) specimen Aluminium dengan set point 175 menempati posisi tertinggi. Sedangkan set point 150 menempati posisi ke-2. Lalu set point 125 menempati posisi ke-3 dan diteruskan pada posisi

terendah ditempati oleh set point 100. Semakin tinggi set point semakin tinggi nilai T nya juga.

Pembahasan Grafik k fungsi T Avg

Grafik 4. Grafik k fungsi T Avg

Pada grafik k fungsi T avg, tren grafik aluminium teori menenmpati posisi paling atas, dilanjutkan dengan posisi kedua ditempati oleh besi teori dan stainless steel teori menempati posisi paling bawah diantara tern grafik yang lainnya. Untuk tren grafik stainless steel praktikum berada diposisi paling atas diantara tren grafik praktikum lainnya. Dilanjutkan dengan tren grafik besi praktikum lalu tren grafik aluminium praktikum.

Pada kondisi idealnya pada grafik dibuku incropera edisi 6 halaman 62, tren grafik secara teori, posisi paling atas ditempati oleh specimen aluminium, dilanjutkan dengan besi dan yang terakhir stainless steel. Train grafik tersebut menunjukkan adanya variasi nilai k demana k merupakan kemampauan dari material untuk menerima panas.

Berdasarkan percobaan yang telah dilanjutkan nilai k yang ada pada teori dan praktikum tidak berhimpit yang menunjukkan terjadi kesalahan pada percobaan yang dapat disebabkan oleh adanya rongga yang mengakibatkan specimen tidak berhimpit dengan tembaga, isolator yang tidak berjalan secara sempurna, termocontrol tidak menunjukkan nilai stabil maupun holding time yang berubah-ubah.

IV KESIMPULAN

1) Dari ketiga grafik T = f(x), dapat disimpulkan bahwa seluruh grafik set point 175 selalu berada diatas, lalu berurutan set point 150, set point 125 dan set point 100. Hal tersebut sesuai dengan teori

yang ada bahwa dengan semakin tinggi set point

maka nila juga semakin besar. 2) Dari grafik k

fungsi T avg didapatkan bahwa nilai antara k teori aluminium adalah yang terbesar diikuti oleh besi dan stainless steel. Hal ini sesuai dengan teori , namun terjadi perbedaan pada k praktikum, dimana k praktikum tidak sesuai dengan teori. Pada k praktikum, dimana stainless steel adalah yang terbesar diikuti besi dan aluminium. Hal ini terjadi karena kesalahan pada saat pembacaan maupun keterbatasan alat. 3) Dari ketiga grafik T = f(x), dapat disimpulkan bahwa pengaruh jarak terhadap temperature juga mengakibatkan penurunan tren grafik. Hal ini dikarenakan logam yang berdekatan dengan heater akan memiliki nilai temperature yang paling tinggi jika dibandingkan dengan yang lain. Hal ini dapat dibuktikan dengan besarnya T1 adalah yang terbesar dan T6 adalah yang terkecil.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Incropera, F., Dewitt, D., Bergman, T,. dan Lavine, A. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer sixth edition. Asia : Wiley

[2] Laboratorium perpindahan panas. (2012). Modul praktikum konduksi perpindahan panas.