LAPORAN PRAKTIKUM

PROSES OPERASI TEKNIK KIMIA 1

“ KONDUKSI “

Disusun Oleh Kelompok 11 :

Alfi Magfirwan

Fransiskus Adam Perkasa

Kezia Elkardiana

Yessica Hannauli

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK, 2013

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari suatu tempat

ketempat yang lain, secara alami kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda

yang bersuhu rendah. Seiring berjalannya waktu, kalor dianggap sebagai suatu bentuk energi

yang berkaitan erat dengan suhu. Kajian lanjut menunjukkan bahwa kalor dapat berpindah

melaluitiga cara yaitu, konduksi, konveksi dan radiasi.

Apabila dua jenis benda yang memiliki temperatur berbeda saling berkontak

termal,maka temperatur benda yang lebih panas akan perlahan mendingin, sedangkan

temperatur  benda yanglebih dingin akan menjadi panas hingga suhutertentu.Peristiwa terseb

ut terjadikarena adanya perpindahan kalor antara dua benda yang berkontak termal.

Perpindahan panasyang mana partikel-partikel dalam medium perpindahan panas tersebut

tidak berpindahdisebut konduksi. Pada peristiwa konduksi, koefisien perpindahan panas dan

koefisien kontak merupakan faktor yang penting, yang dalam percobaan ini akan ditentukan

besarnya untuk dua unit yang digunakan dalam percobaan.

I.2 Tujuan Percobaan

1. Menghitung koefisien perpindahan panas logam dan pengaruh suhu terhadap k,

dengan menganalisa mekanisme perpindahan panas konduksi steady dan unsteady.

2. Menghitung koefisien kontak.

III.3 Prosedur Percobaan

3. Memeriksa jaringan air pendingin masuk dan keluar peralatan konduksi, periksa

apakah air pendingin mengalir ke dalam alat dengan membuka kran pengontrol.

4. Mengalirkan alir pendingin dengan laju sangat kecil.

5. Menghubungkan kabel ke sumber listrik.

6. Memasang milivoltmeter, set mV meter pada penunjuk mV, DC.

7. Meng-ON-kan saklar utama dan unit 1/2 dan 3/4.

8. Mengeset heater unit 1/2 pada angka 5 dan unit 3/4 pada angka 400.

9. Mengamati suhu tiap node 1 s/d 10 setiap 5 menit untuk unit 2 dan 3.

10. Menghentikan pengamatan apabila suhu node 10 telah tidak berubah suhunya pada 3

kali pengamatan.

III.3 Instrumentasi

Pada percobaan Konduksi ini digunakan alat Scott Themal Conduction Sistem model

9051. Adapun gambar alat sebagai berikut:

Adapun komponen utama sistem ini ialah sebagai berikut :

- Unit berbentuk tubular yang terinsulasi, terdiri dari bagian tengah yang berupa tube

furnace bersuhu 1850 0F yang memanaskan 2 batang stainless steel yang hanya terpisah

sedikit jaraknya. Batang- batang stainless steel ini masing-masingterhubung pada

serangkaian logam. Sebelah kiri berhubungan dengan tembaga-batang besi. Sebelah

kanan berhubungan dengan alumunium lalu batang magnesium. Tiap susunan batang

ujungnya berakhir pada suatu heat sink yang didinginkan oleh fluida pendingin. Heat

sink ini digunakan untuk mengatur dan mengukur fluks panas yang melalui terminal

cross section batangan itu.

- Konduktor dengan variabel area dan konstan area yang masing-masing disusun secara

vertikal dan dipanaskan oleh hot plate 700 0F dan bagian atasnya berujung pada suatu

heat sink yang didinginkan oleh fluida pendingin. Semua pemanas dan elemen

penghantar diselubungui oleh suatu jaket insulasi.

- Termokopel Chromel – Alumel yang diinsulasi kaca. Termokopel ini diletakkan pada

10 titik kritis pada konduktor-konduktor diatas dan pada inlet dan outlet heat sink.

Semua dihubungkan pada sepasang terminal melalui suatu kotak penghubung yang

memiliki switch selektor individual dan group sehingga dengan cukup sebuah

potensiometer yang dihubungkan , pembacaan dari seluruh titik yang dipasangkan

termokopel itu dapat dilakukan semau kita.

- Power circuit 115 V AC dengan kontrol on/off untuk setiap sumber kalor

Sedangkan untuk lebih jelasnya untuk masing-masing percobaan pada alat ini ialah

sebagai berikut :

Percobaan unit 1 dan 2

Pada percobaan 1 dan 2 dititikberatkan pada perpindahan panas melalui logam-logam

yang bervariasi, tahanan dan interface. Penjelasan mengenai bagian dalam bisa dilihat

dalam ilustrasi sebagi berikut:

Untuk komponen alatnya dideskripsikan sebagi berikut:

- Tube Furnace

Bekerja sebagai AC-operated. Temperature operasi maksimum yang aman untuk

furnace ini adalah 18500F. Untuk menghitung neraca panas alat atau furnace loses,

input listrik dapat diukur dengan menghubungkan voltmeter dan amperemeter

kekontak pada bagian belakang furnace.

- Susunan batang logam.

Untuk kondisi panas dari zona temperatur tinggi didalam furnace menuju kedua sisi

alat, digunakan 2 batang stainless steel yang distabilkan. Material ini mejaga

keseragaman dan kondisi permukaan yang tahan lama. Hal ini penting karena

kebanyakan panas yang memasuki batang ditransmisikan dari elemen pemanas secara

langsung dengan radiasi. Serta setiap perubahan kondisi interface batangan setelah

beberapa kali operasi akan mempengaruhi pengukuran. Selanjutnya, kedua stainless

steel bar ini diberi sedikit jarak untuk mencegah batangan stainless steel itu menjadi

heat sink bagi batangan lainnya.

Untuk alat 1 : batangan terdiri daristainless steel-tembaga-baja karbon

Untuk alat 2 : batangan terdiri daristainless steel-alumunium-magnesium

- Pengukuran suhu

Pengukuran suhu digunakan termokopel seperti yang telah disebutkan pada bagian

komponen utama. Semua termokopel diletakkan pada titik-titik yang perlu untuk

pengukuran.

- Pengukuran fluks panas

Pengukuran fluks panas dapat dilakukan pada heat sink yang ada.

- Insulasi

Furnace, batangan serta heat sink diselubungi oleh insulasi untuk menghindari

kehilangan panas konveksi yang besar sehingga alat dapat sensitif untuk pengukuran

dengan temperatur range yang rendah.

Percobaan unit 3 dan 4

Pada percobaan unit 3 dan 4 kita menghitung perpindahan panas dengan konduktor

yang seragam dengan memvariasikannya dengan luas penampang yang berbeda. Untuk

unit 3 dan 4 menggunakan konduktor tembaga. Deskripsi alat bisa dilihat pada gambar

sebagi berikut:

Pada alat 3 luas penampang konduktor bervariasi dengkan pada alat 4 luas penampang

konduktor dibuat konstan. Adapun komponen-komponennya sebagai berikut :

- Hot plate-type heat sources (2)

Input listrik maksimum adalah 750 watt

- Fluks panas melalui batang silinder dengan luas permukaan yang meningkat dari bawah

ke atas(tapered bar) serta fluks panas melalui batangan silinder dengan luas permukaan

yang seragam.

- Pada batangan silinder dengan luas yang seragam, densitas fluks panas konstan per unit

area sepanjang batangan. Pada tapered bar, densitas fluks panas semakin keatas semakin

berkurang (karena luas semakin keatas semakin besar)

- Pengukuran suhu

Sepuluh termokopel yang diletakkan di pusat tiap batang pada posisi tertentu(pada tiap

node) memungkinkan pengukuran suhu.

BAB II

LANDASAN TEORI

Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, akan terjadi perpindahan energi berupa

kalor dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah. Salah satu cara

perpindahan energi ini melalui mekanisme yang disebut konduksi atau hantaran.

Konduksi dapat diartikan sebagai transmisi energi (panas) dari satu bagian padatan yang

bersuhu tinggi ke bagian padatan lain yang kontak dengannya dan memiliki suhu lebih

rendah.

Besarnya perpindahan kalor sebanding dengan gradien suhu yang dinyatakan dalam

persamaan:

qA

≈ ∂T∂ X

Apabila konstanta proporsionalitas dimasukkan dalam persamaan tersebut, didapat:

q=− k A∂ T∂ X

Persamaan di atas disebut hukum Fourier tentang konduksi kalor. Pada persamaan di

atas, q menyatakan laju perpindahan kalor dan ∂T

∂ X merupakan gradien suhu ke arah

perpindahan kalor. Konstanta k melambangkan konduktivitas termal benda, sedangkan

tanda minus diberikan untuk memenuhi hukum kedua termodinamika yaitu kalor

berpindah ke tempat yang suhunya lebih rendah.

Untuk konduksi kalor satu dimensi dapat digunakan persamaan:

−kA∂ T∂ x

+qAdx=ρ cA∂ T∂ τ

dx−A [k ∂T∂ x

+ ∂∂ x (k

∂T∂ x )dx ] ∂

∂ x (k∂ T∂ x )+q= ρc

∂T∂ τ

Sedangkan untuk aliran kalor tiga dimensi, kita perlu memperhatikan kalor yang

dihantarkan ke dalam dan ke luar satuan volume dalam tiga arah kordinat. Dengan

menggunakan neraca energi akan didapat persamaan:

∂∂ x (k

∂ T∂ x )+ ∂

∂ y (k∂ T∂ y )+ ∂

∂ z (k∂T∂ z )+q= ρc

∂ T∂ τ

atau dapat ditulis

∂2T∂ x2

+∂2 T∂ y2

+∂2T∂ z2

+ qk= 1

α∂T∂ τ

Dalam persamaan di atas, besaran menyatakan difusifitas termal atau kebauran termal

bahan. Makin besar nilai , makin cepat kalor membaur di dalam bahan tersebut. Satuan

dari difusifitas termal adalah m2/s.

Perpindahan kalor konduksi dibagi menjadi dua macam, yaitu konduksi keadaan

tunak dan tak tunak. Pada konduksi keadaan tunak, suhu tidak berubah terhadap waktu.

Namun, jika suhu benda berubah terhadap waktu atau jika ada sumber kalor (heat source)

dan sumur kalor (heat sink), konduksi yang terjadi adalah konduksi tak tunak.

Konduksi keadaan tunak

Apabila tidak ada pembangkitan panas di dalam benda, maka persamaan hukum

Fourier dapat diintegrasikan , sehingga diperoleh:

q=− k AΔX (T2−T 1)

Jika konduktivitas termal merupakan fungsi suhu, dimana k = k0 (1 + βT), maka

persamaan aliran kalor menjadi:

q=−k0 A

Δx [(T 2−T 1)+ β2 (T22−T

12 )]

Pada sistem yang terdiri dari beberapa bahan seperti pada gambar, aliran kalor dapat

dirumuskan sebagai berikut:

q=−k A AT 2−T1

ΔxA

=−kB AT3−T 2

ΔxB

=−kC AT 4−T3

ΔxC

q=T 1−T 4

Δx A

k A A+

ΔxB

k B A+

ΔxC

kC A

Konduksi keadan tak tunak

Dalam proses pemanasan atau pendinginan yang bersifat transien, yang berlangsung

sebelum terjadinya kesetimbangan, analisisnya harus menggunakan persamaan-

persamaan untuk keadaan tak tunak.

Pada keadaan tak tunak berlaku:

∂2T∂ x2

= 1α

∂ T∂ x

Sebagai contoh, untuk konduksi keadaan tak tunak pada benda padat semi tak

berhingga dengan fluks kalor tetap berlaku:

T−T i=2 q0 √ατ

πkA

exp (− x2

4 ατ )−q0 x

kA (1−erfx

2√ατ )

Pada pembahasan di atas sempat disinggung beberapa besaran yang berkaitan dengan

perpindahan kalor konduksi, yaitu konduktivitas termal dan tahanan kontak termal.

Berikut akan diberikan penjelasan lebih lanjut mengenai kedua besaran tersebut.

Konduktivitas termal

Umumnya konduktivitas termal itu sangat bergantung pada suhu. Nilai

konduktivitas termal itu menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan

tertentu. Makin cepat molekul bergerak makin cepat pula ia mengangkut energi. Jadi,

konduktivitas termal bergantung pada suhu. Untuk kebanyakan gas pada tekanan

sedang konduktivitas termal merupakan fungsi suhu saja. Ini berarti data gas pada 1

atmosfer (atm) dapat digunakan untuk rentang tekanan yang agak luas. Jika tekanan

gas mendekati tekanan kritisnya atau umumnya, bilamana kita berhadapan dengan gas

non ideal maka data konduktivitas termal harus dicari dari sumber-sumber lain.

Mekanisme fisis konduksi energi termal dalam zat cair secara kualitatif tidak

berbeda dari gas, namun situasinya menjadi jauh lebih rumit karena molekul-

molekulnya lebih berdekatan satu sama lain, sehingga medan gaya molekul (molecul

force field) lebih besar pengaruhnya pada pertukaran energi dalam proses tubrukan

molekul.

Energi termal dihantarkan dalam zat padat menurut salah satu dari dua cara

berikut; melalui getaran kisi (lattice vibration) atau dengan angkutan melalui elektron

bebas. Dalam konduktor listrik yang baik, di mana terdapat elektron bebas yang

bergerak di dalam strukur kisi bahan-bahan maka elektron, di samping dapat

mengangkut muatan listrik dapat pula membawa energi termal dari daerah bersuhu

tinggi ke daerah bersuhu rendah, sebagaimana pada gas. Bahkan elektron ini sering

disebut gas elektro (electron gas). Energi dapat pula berpindah sebagai energi getaran

dalam struktur kisi bahan. Maka, penghantar listrik yang baik selalu merupakan

penghantar kalor yang baik pula. Isolator listrik yang baik merupakan isolator kalor

pula. Pada suhu tinggi, perpindahan energi pada bahan isolator berlangsung dalam

beberapa cara:konduksi melalui bahan berongga atau padat; konduksi melalui udara

yang terkurung dalam rongga-rongga; dan jika suhu cukup tinggi, melalui radiasi.

Bila perubahan k merupakan fungsi linier terhadap perubahan suhu, maka

hubungan tersebut dapat ditulis:

k=k0 (1+βT )

Satuan dari konduktivitas termal adalah Watt/moC atau BTU/hour.Ft.oF

Jika konduktivitas termal berubah menurut hubungan linear dengan suhu

seperti k=k0(1+βT), maka persamaan aliran kalor menjadi:

q=−k0 A

Δx [(T 2−T 1)+ β2 (T22−T

12 )]Konduktivitas termal berbagai bahan isolasi berbeda antara satu dengan yang

lainnya. Pengelompokan bahan-bahan isolasi tersebut berdasarkan penerapan dan

jangkauan suhu penggunaannya. Pada pengelompokkan keampuhan bahan isolasi,

dalam industri bangunan ada kebiasaan menggunakan nilai R. Nilai R tersebut dapat

didefinisikan sebagai berkut :

R= ΔTq / A

Dengan R = 0C . m2/W atau 0F .ft 0.h/Btu ( menggunakan aliran kalor persatuan luas )

Tahanan kontak termal

Apabila dua benda padat dihubungkan satu sama lain dan perpindahan panas hanya

dalam arah aksial, maka akan terjadi penurunan suhu yang tiba-tiba pada perbatasan

kedua bahan tersebut. Hal ini disebabkan oleh adanya tahanan kontak termal. Tahanan

kontak termal merupakan akibat dari ketidaksempurnaan kontak antara kedua bahan,

sehingga terdapat fluida yang terperangkap di dalamnya.

Ada dua faktor yang mempengaruhi perpindahan kalor pada sambungan, yaitu:

- konduksi antara zat padat dengan zat padat pada titik-titik singgung

- konduksi melalui gas yang terkurung pada ruang-ruang kosong yang terbentuk

karena persinggungan tersebut. Hal ini yang merupakan tahanan utama pada aliran

kalor, karena konduktivitas gas sangat kecil bila dibandingkan dengan

konduktivitas zat padat.

Untuk lebih jelas deskrpsi a;iran kalor melalui sambungan bisa dilihat pada gambar

berikut:

Aliran kalor melintasi sambungan tersebut dapat ditulis dalam bentuk

persamaan sebagai berikut:

q=T 2 A−T 2B

Lg

2 k A AC

+Lg

2kB AC

+k f Av

T2 A−T 2 B

Lg

=T 2 A−T 2 B

1hc A

dimana:

Ac = bidang kontak

Av = bidang lowong

Lg = tebal ruang lowong

kf = konduktivitas termal fluida

hc = tahanan kontak termal

Persamaan umum dengan menerapkan neraca energi pada kedua bahan, karena

merupakan gabungan anatara 2 bahan maka aliran kalor disetiap titik ialah sama

maka:

q=k A AT 1−T 2 A

Δx A

=T 2 A−T 2B

1 /hc A=k B A

T 2 BT 3

ΔxB

Dengan melihat kepada sambungan tadi dimana terjadi perpindahan kalor

secara konduksi dapat dinyatakan dalam persamaan perpindahan kalor secara

konveksi. Secara matematis dinyatakan sebagai berikut:

Q konveksi AB = Qkonduksi pada bidang yang kontak + Q konduksi gas-gas pada bidag yang tidak kontak

T2 A−T 2 B

1/hc A = k gabungan . Ac

T 2 A−T2 B

Δx + k f A r

T2 A−T 2 B

Δx1

Dimana;

1k gabungan

= 1k A

+ 1k B

k gabungan=k A k B

k A+kB

∆x = tebal bidang yang kontak, diasumsikan tebal bidang ini adalah ½ dari jarak

ruang yang kosong antara 2 logam tersebut (seperti yang terlihat pada gambar2 ) =

Lg/2

∆x1= tebal bidang kosong = jarak anatara dua logam = Lg

Dengan memberi tanda Ac untuk bidang kontak dan Av untuk bidang lowong maka

persamaan diatas menjadi:

T2 A−T 2 B

1/hc A =

k A k B

k A+kB

. Ac

T2 A−T 2 B

Lg/2 + k f A r

T2 A−T 2 B

Lg

11/hc A =

k A k B

k A+kB

. Ac1

Lg/2 + k f Ar

1Lg

hc A=1Lg ( 2(k A+kB ). Ac

k A kB

+k f Ar),

maka didapatkan persamaan koefisien kontak sebagai berikut :

hc=1

Lg ( 2(k A+kB )k A k B

.Ac

A+k f

r

Ar

A )Dengan satuan m2 0C/Watt

BAB III

DATA PENGAMATAN DAN PENGOLAHAN DATA

III.1 Data Pengamatan

Data pengamatan yang diperoleh sebagai berikut :

Unit 2

Suhu awal air (T in air) = 25oC

Hasil Pengamatan Unit 2

NodeT1 node

(mV)T1 out air

(oC)T2 node (mV)

T2 out air (oC)

1 3.12 28 3.493 282 3.022 28 2.95 283 2.521 28 2.523 284 2.177 28 2.167 285 1.871 28 1.886 28.56 1.606 28.5 1.365 28.57 1.35 29 1.347 298 1.149 29 1.141 299 0.96 28 0.956 2910 - - - -

Unit 3

Suhu awal air (Tin air) = 25oC

Hasil Pengamatan Unit 3

NodeT1 node (mV)

T1 out air (oC)

T2 node (mV)

T2 out air (oC)

1 2.313 31 2.314 312 2.132 31.5 2.131 313 2.13 31.5 2.129 324 1.739 32 1.738 325 1.544 32 1.539 326 1.359 32 1.361 327 1.196 32 1.197 328 1 32.3 1.002 32.39 0.831 32.3 0.834 32.3

10 - - - -III.2 Pengolahan Data

UNIT 2

Pada pengolahan data ini digunakan metode pendekatan linear dengan basis 1 sekon.

Langkah-langkah perhitungan untuk pendekatan linear adalah :

1. Mengkonversi T1 dan T2 dengan satuan mV menjadi oC, dengan persamaan :

T (° C )=[24.82× T (mV )]+29.74

Selanjutnya, dihitung Tavg node dan Tavg air untuk setiap node sehingga didapat

hasil :

Pengolahan Data Unit 2

NodeT1

node (mV)

T2 node (mV)

T1 node (oC)

T2 node (oC)

T node Avg (oC)

T1 out air (oC)

T2 out air (oC)

T air Avg (oC)

1 3.12 3.493 107.1784 116.43626 111.80733 28 28 282 3.022 2.95 104.74604 102.959 103.85252 28 28 283 2.521 2.523 92.31122 92.36086 92.33604 28 28 284 2.177 2.167 83.77314 83.52494 83.64904 28 28 285 1.871 1.886 76.17822 76.55052 76.36437 28 28.5 28.256 1.606 1.365 69.60092 63.6193 66.61011 28.5 28.5 28.57 1.35 1.347 63.247 63.17254 63.20977 29 29 298 1.149 1.141 58.25818 58.05962 58.1589 29 29 299 0.96 0.956 53.5672 53.46792 53.51756 28 29 28.5

10   - - -   - - -

2. Menentukan nilai k untuk masing-masing bahan penyusun node dengan menggunakan

Asas Black diamana kalor terima akan sama dengan kalor lepas. Persamaan Asas

Black dapat dituliskan sebagai :

mair × Cpair × (T¿ air−T out air )=−kAdTdx

k=m×Cpair × (T ¿air−Tout air ) × dx

A × d T avg

Nilai k untuk masing-masing node dapat dihitung dengan menggunakan cara berikut:

a. kavg stainless steel = k node 1-2

b. kavg alumunium = (k node 3-4 + k node 4-5 + k node 5-6)/3

c. kavg magnesium = (k node 7-8 + k node 8-9 + k node 9-10)/3

maka akan didapatkan hasil :

Node dx (m) dT1 (oC) dT2 (oC) dT avg (oC) T node avg (oC) k k avg

1-2 0.025 2.43236 13.47726 7.95481 107.82992542.4557468

642.45574

7

3-4 0.045 12.43482 8.83592 10.63537 87.9925493.6488479

6103.9720

54-5 0.045 8.53808 6.97442 7.75625 80.006705

102.9963676

5-6 0.045 7.59492 12.93122 10.26307 71.48724115.270921

1

7-8 0.027 6.5773 5.11292 5.84511 60.68433581.4747331

4 114.52552

8-9 0.045 6.35392 4.5917 5.47281 55.83823147.576311

1

3. Menghitung persen kesalahan relatif (%KR) dengan persamaan :

% KR=|kavg−k lit

k lit|× 100 %

KR Stainless Steel (k literatur = 73)

% KR=|42.455747−7373 |× 100 %=41,84 %

KR Alumnium ( k literatur = 202)

% KR=|103.97205−202202 |×100%=47,52 %

KR Magnesium (k literatur = 158.24)

% KR=|114.52552−158.2473 |× 100 %=27,62 %

4. Meghitung nilai qair , qba h an , danq lossdengan menggunakan persamaan :

qair=mair × Cpair × (T out airavg−T out air)

qba h an=k × A ×d T avg

dx

q loss=qbahan−qair

Sehingga didapatkan hasil perhitungan :

Node Q air Q bahan Q loss

1-2 16.2318.3501557

12.12015570

8

3-6 16.2333.8719661

517.6419661

5

7-10 16.2319.6506757

23.42067572

3

5. Menghitung nilai hc

Dengan mengasumsikan bahwa fluida yang terperangkap di dalam ruang kosong

merupakan udara, kita mendapatkan harga kf yang amat sangat kecil dibandingkan

dengan nilai kA dan kB.

Maka untuk menghitung nilai hc, kita menggunakan persamaan :

hc= 1Lg ( Ac

A×

2k A kB

(k A+kB)+ Av

A×kf )

dimana :

Lg = tebal ruang kosong antara A dan B (5.10-6 m)

kf = konduktivitas fluida dalam ruang kosong

A = luas penampang total batang

Ac = luas penampang batang yang kontak (Ac = 0.5 A)

Av = luas penampang batang yang tidak kontak

Dari hasil perhitungan, didapat data sebagai berikut :

Nilai A, Lg, dan Ac k bahan eksperimen literaturA 0.00079 kSS 42.45574686 73Lg 0.000005 kAl 103.9720456 202Ac 0.000395 kMg 114.5255221 185.24

Bahan hc hc.literatur

SS-Al3014599.05

510724363.6

4

Al-Mg10899391.6

319325730.8

1

Menghitung kesalahan literatur :

% KR=|hc−hc lit

hc lit|×100 %

Sehingga diperoleh kesalahan literatur masing-masing logam yang kontak adalah:

KR hc stainless steel dan alumunium (hc literatur = 10724363.64)

% KR=|3014599.055−10724363.6410724363.64 |× 100 %=71,89 %

KR hc alumunium dan magnesium (hc literatur = 19325730.81)

% KR=|10899391.63−19325730.8119325730.81 |×100 %=43,60 %

6. Menghitung nilai ko dan β dengan membuat grafik k vs Tnode avg (menggunakan metode least

square) dengan menggunakan data k dan Tnode avg dari aluminium dan magnesium berdasarkan

rumus :

k=k o (1+βT )

k=k o+ko βT y=c+mx

Maka diperoleh grafik sebagai berikut :

50 55 60 65 70 75 80 85 900

20

40

60

80

100

120

140

160

f(x) = − 13.6401456276755 x + 909.217899860241R² = 1

f(x) = − 1.31146210638781 x + 208.664528907291R² = 0.996483518866876

Grafik T node avg VS k Unit 2

Alumnium Linear (Alumnium) Magnesium Linear (Magnesium)

Dari grafik diatas, kita mendapatkan persamaan :

Magnesium y = -13.64x + 909.22

Aluminium y = -1.3115x + 208.66

Sehingga kita dapat mengetahui nilai ko dan β, melalui persamaan :

Aluminum (Al)

m = koβ = -1.3115

β=−1.3115208.66

=−0.00628

Magnesium (Mg)

m = koβ = -13.64

β=−−13.64909.22

=−0.01500

UNIT 3

Langkah-langkah perhitungan untuk pendekatan linear adalah :

1. Mengkonversi T1 dan T2 dengan satuan mV menjadi oC, dengan persamaan :

T (° C )=[24.82× T (mV )]+29.74

Selanjutnya, dihitung Tavg node dan Tavg air untuk setiap node sehingga didapat

hasil :

Tabel 3.2.4 Pengolahan Data Unit 3 (1)

NodeT1

node (mV)

T2 node (mV)

T1 node (oC)

T2 node (oC)

T node Avg (oC)

T1 out air (oC)

T2 out air (oC)

T air Avg (oC)

1 2.313 2.314 87.14866 87.17348 87.16107 31 31 312 2.132 2.131 82.65624 82.63142 82.64383 31.5 31 31.253 2.13 2.129 82.6066 82.58178 82.59419 31.5 32 31.754 1.739 1.738 72.90198 72.87716 72.88957 32 32 325 1.544 1.539 68.06208 67.93798 68.00003 32 32 326 1.359 1.361 63.47038 63.52002 63.4952 32 3 327 1.196 1.197 59.42472 59.44954 59.43713 32 2 328 1 1.002 54.56 54.60964 54.58482 32.3 32.3 32.39 0.831 0.834 50.36542 50.43988 50.40265 32.3 32.3 32.310 - - - - - - - -

2. Menentukan nilai k untuk masing-masing bahan penyusun node dengan menggunakan

Asas Black diamana kalor terima akan sama dengan kalor lepas. Persamaan Asas

Black dapat dituliskan sebagai :

mair × Cpair × (T¿ air−T out air )=−kAdTdx

k=m×Cpair × (T ¿air−Tout air ) × dx

A × d T avg

Pada unit 3, bentuk logam berbeda dari atas kebawah (makin menyempit kearah

bawah), maka kita harus menghitung satu persatu luas penampang dari tiap node,

sehingga didapatkan hasil sebagai berikut : (hasil didapat menggunakan metode finite-

difference)

node D A

10.02776

40.00060

5

20.03002

70.00070

8

30.03229

10.00081

9

40.03455

50.00093

7

50.03681

80.00106

4

60.03908

20.00119

9

70.04134

50.00134

2

80.04360

90.00149

3

90.04587

30.00165

2

Sehingga perhitungan mendapatkan hasil :

Nodedx (m)

dT1 (oC)

dT2 (oC)

dT avg (oC)

T node avg (oC)

k k avg

k literatur alumniu

m

1-20.02

54.4924

24.54206 4.51724 84.90245 128.94745

101.4656812

385

3-40.02

59.7046

29.70462 9.70462 77.74188

105.2982839

4-5 0.025

4.8399 4.93918 4.88954 70.4448 101.9454108

5-60.02

54.5917 4.41796 4.50483 65.747615

96.59800615

7-80.02

54.8647

24.8399 4.85231 57.010975

88.93606298

8-90.02

54.1945

84.16976 4.18217 52.493735 87.0688735

3. Menghitung persen kesalahan relatif (%KR) dengan persamaan :

% KR=|kavg−k lit

k lit|× 100 %

KR Tembaga (k literatur = 385)

% KR=|101.4656812−385385 |×100 %=73,64 %

4. Menghitung nilai ko dan β dengan membuat grafik k vs Tnode avg (menggunakan metode

least square) dengan menggunakan data k dan Tnode avg dari aluminium dan magnesium

berdasarkan rumus :

k=k o (1+βT )

k=k o+ko βT y=c+mx

Maka diperoleh grafik sebagai berikut :

50 55 60 65 70 75 80 85 9050

60

70

80

90

100

110

120

130

140

f(x) = 1.1621624409443 x + 22.3724975459932R² = 0.877965397570925

Grafik T node Avg VS K

Tembaga Linear (Tembaga) Linear (Tembaga)

Dari grafik diatas, kita mendapatkan persamaan :

Tembaga y = 1.1622x + 22.372

Sehingga kita dapat mengetahui nilai ko dan β, melalui persamaan :

Aluminum (Al)

m = koβ = 1.1622

β=1.162222.372

=0.051

BAB IV

1-2

3-6

7-10

ANALISA

IV.1 Analisa Percobaan

Percobaan modul konduksi ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh jenis logam

terhadap kemampuan logam tersebut ketika menghantarkan panas secara konduksi,

menghitung koefisien perpindahan panas logam, dan menghitung koefisien kontak. Oleh

karena itu, pada percobaan ini akan dilakukan pengamatan dan pengukuran untuk mengetahui

perpindahan panas konduksi pada berbagai jenis logam yang dilakukan pada dua unit alat

konduksi yang masing-masing memiliki spesifikasi jenis logam yang berbeda. Untuk

mencapai tujuan percobaan di atas, maka dari percobaan ini akan diambil parameter-

parameter yang diinginkan dari hasil data pengamatan seperti suhu air keluaran dan laju alir

keluaran serta voltase (untuk mendapatkan nilai T) dari masing-masing node pada 2 macam

unit konduksi.

Pertama-tama, praktikan melakukan pengukuran pada unit 2. Spesifikasi bahan yang

menyusun unit 2 ini adalah jenis bahan logam seperti logam magnesium, aluminium, dan

stainless steel. Ketiga jenis bahan ini tersususun dan terhubung satu sama lain pada unit 2

dengan susunan berikut:

Susunan logam pada unit 2 (Sumber : Anonim, 2011)

Gambar di atas merupakan sketsa dari sebuah tabung unit 2 yang di dalamnya terdapat 3

jenis logam yang saling terhubung dengan keterangan untuk masing-masing node yaitu :

Node 1-2 merupakan logam stainless steel

Node 3-6 merupakan logam aluminium

Node 7-10 merupakan logam magnesium

Logam-logam pada unit konduksi 2 ini akan saling tersambung satu sama lain. Walaupun

perpindahan kalor yang terjadi sangat dipengaruhi oleh konduksi karena kontak antara benda

namun logam yang digunakan tidak berasal dari satu bahan yang sama tetapi terdiri dari

beberapa bahan yang berbeda dan disambungkan. Apabila terdapat dua jenis logam yang

saling terhubung satu sama lain, maka akan ada ketidaksempurnaan dari kontak antara kedua

logam tersebut di mana akan ada fluida (dalam percobaan ini adalah udara) yang terjebak di

antara sambungan kedua bahan logam tersebut sehingga menimbulkan adanya tahanan

kontak temal. Tahanan kontak termal ini akan berpengaruh ketika ada fluks kalor yang

melewati dua bahan ini, fluks kalor tersebut akan terhambat akibat adanya tahanan kontak

termal yang akan menyebabkan penurunan suhu yang tiba-tiba pada bidang logam yang

kedua.

Pada percobaan unit 3, praktikan menghitung perpindahan panas dengan konduktor yang

seragam dengan memvariasikannya dengan luas penampang yang berbeda di mana tujuannya

untuk mempelajari pengaruh luas permukaan bidang kontak terhadap kemampuan logam

dalam menghantarkan panas secara konduksi.. Untuk unit 3 menggunakan bahan konduktor

tembaga yang memiliki luas penampang yang bervariasi yaitu membesar dari bawah ke atas.

Variabel yang berpengaruh terhadap perpindahan kalor pada unit 3 adalah jarak antara node

dengan sumber kalor dan luas penampang. Luas penampang batang tembaga semakin besar

seiring bertambahnya jarak dari sumber kalor. Berdasarkan hukum Fourier, besarnya fluks

kalor berbanding terbalik dengan luas penampang. Pada unit 3 ini, konduktivitas termalnya

tidak dipengaruhi oleh jenis material, melainkan hanya sebagai fungsi suhu.

Pada percobaan unit 2 dan 3 ini, kita akan mencari parameter-parameter dari data yang

didapatkan pada percobaan ini. Kita harus mengukur suhu dari tiap node di dalam unit 2 dan

3 kemudian mengukur suhu air keluaran dari proses konduksi dengan termometer. Pertama

kali, praktikan harus memeriksa jaringan air pendingin yang masuk dan keluar unit konduksi

di mana air pendingin tersebut dipastikan seharusnya mengalir ke dalam alat dengan cara

membuka kran pengontrol. Air yang digunakan adalah air tanah karena lebih ekonomis, tidak

berbahaya bagi lingkungan, dan mudah diperoleh. Kemudian praktikan mengalirkan air

dengan volume yang kecil ke dalam unit konduksi. Tujuannya adalah untuk mematuhi asas

black yaitu agar perubahan suhu di tiap node mudah untuk diamati. Jika laju air pendingin

terlalu besar maka jumlah kalor yang diserap akan besar juga sehingga sulit untuk mengamati

distribusi suhu tiap node. Selain itu, laju yang kecil ini juga berguna untuk mencegah rugi

kalor akibat konveksi. Jadi fungsi aliran laju air pendingin hanya untuk mempelajari

konduksi pada tiap node dengan cara menghitung nilai k dengan menggunakan asas black.

Setelah itu, praktikan menghubungkan kabel ke sumber listrik, memasang milivoltmeter

(set mV meter pada penunjuk mV, DC), dan menghidupkan saklar utama serta saklar untuk

unit 2 dan 3. Praktikan pertama kali harus men-set thermocouple selector pada unit dan pada

node yang akan dicari nilai suhunya sehingga diperoleh suhu tiap node pada unit yang dipilih

pada percobaan ini yaitu unit 2 dan 3). Suhu keluaran air diukur dengan menggunakan

termometer yaitu dengan cara menunggu selama satu hingga dua menit agar suhu air keluaran

sudah stabil kemudian menampung air yang keluar dari selang unit yang telah dipilih dalam

gelas ukur sehingga data yang diperoleh lebih akurat serta distribusi suhu pada tiap node

sudah merata. Pengambilan data suhu pada tiap node dan suhu keluaran air dilakukan

sebanyak dua kali. Data pertama akan diperoleh praktikan dengan mengukur suhu pada node

dari node 1 ke 10 sedangkan data yang kedua akan diperoleh praktikan dengan cara

sebaliknya yaitu diukur dari node 10 ke 1. Ini dilakukan agar diperoleh data yang lebih

akurat, untuk mencegah bila ternyata data yang kita peroleh dari termokopel mengalami

kesalahan sehingga praktikan melakukan kalibrasi dengan cara seperti di atas. Nantinya pada

perhitungan data suhu pada tiap node yang kita masukkan adalah suhu rata-rata dari kedua

data suhu yang kita ambil.

Dari data suhu air keluaran, suhu pada tiap node yang diamati dari voltase yang dihasilkan

serta laju alir air yang keluar akan dilakukan pengolahan data untuk mengetahui nilai

koefisien β; di mana nilai ini dapat digunakan untuk menghitung nilai konduktivitas bahan

(nilai k). Kemudian dari parameter-parameter tersebut dapat dihasilkan koefisien panas

konduksi yang mana dengan mengetahui nilai koefisien perpindahan panas dari ketiga bahan

logam tersebut maka kemampuan dari bahan stainless steel, alumunium dan magnesium

dalam menghantarkan panas juga dapat diketahui. Hal ini dikarenakan nilai koefisien

perpindahan panas dari suatu bahan logam menunjukkan kemampuan bahan tersebut dalam

menghantarkan panas.

Pada percobaan ini dalam mencari nilai k, praktikan tidak akan memperhitungkan heat

loss (heat loss diabaikan) walaupun sebenarnya terdapat heat loss. Bila praktikan tidak

mengabaikan besaran heat loss yang terjadi, maka nilai k yang kita peroleh sebenarnya akan

lebih akurat. Selain itu, heat loss mungkin tidak terjadi apabila kita mengisolasi secara

sempurna tiap node sehingga tidak ada kalor yang keluar.

IV.2 Analisa Hasil dan Grafik

xxx

IV.3 Analisa Alat dan Bahan

xxx

IV.4 Analisa Kesalahan

Pada percobaan ini terdapat beberapa kesalahan dan penyimpangan yang dapat mengganggu

keakuratan data yang diperoleh. Hasil pengolahan data yang diperoleh kemudian

dibandingkan dengan literatur yang sudah ada sehingga akan ditemukan persen kesalahan

literatur yang cukup tinggi dari percobaan ini yaitu pada nilai k stainless steel bernilai (tolong

diisi), nilai k aluminium sebesar (tolong diisi), dan nilai k magnesium sebesar (tolong diisi).

Besar persentase kesalahan tersebut disebabkan oleh beberapa faktor yaitu :

1. Adanya kesalahan paralaks pada proses pengamatan oleh praktikan pada saat

pengukuran suhu aliran air keluaran dengan menggunakan termometer serta

pengamatan nilai voltase yang akan digunakan pada pengolahan data untuk mencari

nilai suhu pada tiap node. Nilai voltase yang masih belum stabil ketika sudah

dibiarkan selama lebih kurang 1 menit masih belum stabil. Praktikan kesulitan untuk

menstabilkan nilai voltase tersebut, sehingga hal ini menyebabkan terjadinya

ketidakakuratan pada data yang diperoleh. Selain itu, pengukuran suhu pada

termometer untuk laju alir keluaran kurang tepat karena sulit untuk melihat garis-garis

angka penunjuk suhu pada termometer ketika berada dalam gelas ukur sehingga

termometer harus diangkat dari gelas ukur terlebih dahulu dan akhirnya pembacaan

suhu yang terukur akan sedikit memperoleh pengaruh kondisi udara luar yang akan

mengubah nilai suhu air yang terbaca oleh praktikan.

2. Waktu tunggu untuk memberi waktu untuk mencapai proses konduksi yang

berlangsung menjadi stabil kurang lama yaitu hanya 1 menit. Hal ini menyebabkan

proses konduksi yang terjadi tidak berada pada kondisi optimumnya yang dapat

dilihat dari suhu aliran air dan suhu node yang belum stabil. Ketidakstabilan yang

ditimbulkan menyebabkan kesulitan untuk pengambilan data yang dibutuhkan untuk

mendapatkan tujuan dari percobaan ini. Selain itu, data yang diperoleh menjadi

kurang valid untuk menunjukkan proses konduksi yang terjadi secara optimal.

Kesalahan ini juga didukung oleh kurangnya informasi mengenai lamanya waktu

yang diperlukan unguk mencapai kondisi yang optimal dengan menggunakan alat

yang digunakan dalam percobaan ini sehingga waktu konduksi hanya berdasarkan

perkiraan dan melihat kestabilan dari parameter-parameter yang akan diukur.

3. Suhu air keluaran dan suhu node yang diukur kurang akurat karena belum

memperhitungkan adanya heat loss (kalor yang terbuang) ke lingkungan atau

terdistribusi melalui dinding-dinding unit konduksi menuju lingkungan sekitar sistem.

Praktikan memperkirakan bahwa perpindahan kalor dari fluida dan logam-logam node

tidak sempurna dan panas yang dihantarkan dan diterima satu sama lain tidak

terdistribusi dengan baik. Hal ini dapat diketahui dari suhu lingkungan yang berubah

menjadi terasa hangat pada saat pengukuran suhu. Hal ini dapat menyebabkan heat

loss sehingga mungkin suhu yang terukur seharusnya lebih tinggi daripada suhu yang

seharusnya. Heat loss mungkin tidak terjadi apabila praktikan mengisolasi secara

sempurna tiap node sehingga benar-benar tidak ada kalor yang keluar pada tiap node.

4. Logam dan dinding pada unit konduksi tidak dalam kondisi yang sempurna, akibat

kontak yang sering dengan fluida akan menyebabkan sebagian besar logam terkorosi.

Faktor korosi ini tentunya akan menyebabkan gangguan pada proses transfer panas

secara konduksi antara satu jenis logam dengan logam yang lain sehingga hasil

pengukuran suhu tiap node akan terganggu dan data yang diperoleh tidak akurat.

BAB V

KESIMPULAN

1. Konduksi merupakan suatu proses perpindahan kalor secara tanpa adanya

perpindahan partikel media karena adanya perbedaan suhu, yaitu dari suhu yang

tinggi ke suhu yang rendah.

2. Besarnya perpindahan kalor sebanding dengan gradien suhu yang dinyatakan dalam

persamaan:

qA

≈ ∂T∂ X

3. Pada praktikum ini diasumsikan bahwa besarnya kalor yang dilepas bahan konduktor

sama dengan besarnya kalor yang diterima air.

q konduktor = q air

mair × Cpair × (T¿ air−T out air )=−kAdTdx

4. Konduktivitas termal adalah sifat suatu bahan atau media dalam menghantarkan

panas.

5. Pada percobaan ini didapatkan hasil sebagai berikut:

a. Unit 2

Untuk perhitungan nilai konduktivitas termal:

k stainless steel = 42.455747 W/m.oC dengan KR = 41,84 %

k aluminium = 103.97205 W/m.oC dengan KR = 47,52 %

k magnesium = 114.52552 W/m.oC dengan KR = 27,62 %

Untuk perhitungan koefisien kontak termal:

hc stainless steel – alumunium = 3014599.055dengan KR = 71,89 %

hc alumunium – magnesium = 10899391.63dengan KR = 43,60 %

Untuk perhitungan nilai β

β alumunium = -0.00628

β magnesium = -0.01500

b. Unit 3 k tembaga = 101.4656812 W/m.oC dengan KR = 73,64% β tembaga = 0.051

Daftar Pustaka

Anonim. “Kalor dan Hukum Pertama Termodinamika”.

http://www.faculty.petra.ac.id/herisw/Fisika1/13-kalor.doc (diakses pada tanggal 15

November 2013, 12:15 WIB)

Anonim. “Perpindahan Kalor”. http://www.ittelkom.ac.id (diakses pada tanggal 15 November

2013, 12:15 WIB)

Cengel, Yunus A. “Heat Transfer: A Practical Approach second edition”

www.mhhe.com/cengel/.

Holman, J.P. 1997. Perpindahan Kalor, ed. 6, Jakarta: Penerbit Erlangga.

Incropera, Frank P. and David P. DeWitt. 2005. Heat and Mass Transfer. Singapore: John

Wiley & Sons (Asia) Pte.

Kern DQ. 1951. Process Heat Transfer.

Lienhard V, John H. and John H. Leinhard IV. “A Heat Transfer Textbook third

edition”.version1.22 January 5th 2004. http://web.mit.edu/leinhard/www/ahtt.html

White, Frank M. 1984. Heat Transfer. Canada:Addison-Wesley Publishing Company, Inc.