PERPINDAHAN PANAS RADIASI
Modus ketiga dalam
perpindahan panas adalah radiasi atau pancaran atau sinaran termal. Radiasi
termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarakan oleh suatu benda karena
suhunya. Banyak proses dalam industri seperti pemanasan, pendinginan dan
pengeringan berlangsung dengan perpindahan panas secara pancaran termasuk
pembakaran minyak hidrokarbon dan tenaga pancaran dari matahari.
Radiasi selalu merambat
dengan kecepatan cahaya, 3 x 1010 cm/s. Kecepatan ini sama dengan
hasil perkalian panjang gelombang dengan frekuensi radiasi :
c
= λ v .......................
(1)
Dimana : c = kecepatan cahaya
λ = panjang gelombang dalam μm atau Ǻ (1 Ǻ =
10-8 cm)
v = frekuensi
Radiasi termal terletak dalam rentang
panjang gelombang antara kira – kira 0,1 sampai 100 μm.
Perambatan
radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum dan setiap kuantum mengandung
energi sebesar
E
= h v .......................(2)
Dimana : h = konstanta Planck,
6,625 x 10-34 J.s
Setiap kuantum dianggap sebagai suatu
partikel yang mempunyai energi, massa dan momentum seperti molekul gas sehingga
pada hakekatnya radiasi dapat digambarkan sebagai gas foton yang mengalir dari
satu tempat ke tempat lain.
Dengan
teori relatifitas dan thermodinamika statistik maka akan diperoleh suatu rumus
yang disebut Hukum Stefan-Boltzman dimana energi total yang dipancarkan oleh
suatu benda sebanding dengan pangkat empat suhu absolut :
Eb
= σ T4 ......................
(3)
Dimana : Eb = daya
emisi (emissive power) benda hitam
Yaitu energi yang dipancarkan (diradiasikan)
per satuan waktu per satuan luas, W/m2
σ =
Konstanta stefan Boltzman, 5,669 x 10-8 W/m2K4
(0,1714 x 10-8 Btu/hr.ft2oR4
T = suhu absolut, K
b = blackbody (benda hitam)
Subskrip
b menunjukkan radiasi dari benda hitam. Benda hitam adalah benda yang memenuhi
hukum Stefan Boltzman yang tidak dapat memantulkan atau meneruskan sinar
sehingga kelihatan hitam di mata orang. Juga benda yang menyerap seluruh
radiasi yang menimpanya.
Sifat – sifat banda hitam :
1.
Sebuah benda hitam akan
mengabsorpsi semua panas radiasi yang mengenainya, tidak membedakan panjang
gelombang dan arah datangnya panas
2.
Tidak ada benda lain
yang dapat memancarkan panas lebih besar dari sebuah benda hitam pada suhu yang
sama
3.
Meskipun panas yang
dipancarkan oleh benda hitam merupakan fungsi dari panjang gelombang dan suhu,
tetapi panas dipancarkan ke segala arah, sehingga benda hitam dapat disebut
juga suatu pemancar panas difus (ke segala arah).
1.
SIFAT
– SIFAT RADIASI
Jika suatu energi radiasi menimpa
permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi itu dipantulkan (refleksi),
sebagaian diserap (absorpsi) dan sebagian lagi diteruskan (transmisi) seperti terlihat
pada gambar 1
Gambar
1. Sifat – sifat benda yang menerima energi radiasi
ρ = faktor refleksi (refleksivitas)
α = faktor absorpsi (absorpsivitas)
τ = faktor transmisi (transmisivitas)
maka,
Kebanyakan
benda padat tidak meneruskan radiasi termal sehingga hargaa transmisivitas τ =
0, sehingga
ρ + α = 1
Sifat
– sifat radiasi benda,
a.
Benda yanng sifatnya
dapat menyerap energi yang datang seluruhnya (100%) disebut benda hitam (blackbody)
ρ = 0 α = 1
Emisi
benda hitam, ԑ = 1
ԑ = α = 1
b.
Benda yang dapat
memantulakn energi yang datang 100% disebut benda putih sempurna (absolutely white)
ρ = 1 α = 0
c.
Benda yang diantara
black body dan white body disebut benda abu – abu (grey body)
0 < ԑ < 1
2.
IDENTITAS
KIRCHHOFF
Daya emisi suatu benda (E) ialah energi
yang dipancarkan oleh sebuah benda per satuan luas per satuan waktu.
Sedangkan emisivitas suatu benda (ԑ)
adalah perbandingan antara energi yang dapat dipancarkan oleh benda itu pada
suhu T dibandingkan dengan energi yang dipancarkan oleh benda hitam pada suhu
yang sama.
Persamaan
(6) di atas disebut dengan identitas Kirchhoff.
Energi
yang dipancarkan oleh suatu benda selalu lebih kecil dari energi yang
dipancarkan oleh benda hitam sehingga harga ԑ ≤ 1. Harga ԑ maksimal 1 yaitu
untuk benda hitam.
3.
FAKTOR
PANDANGAN
Faktor
pandang (view factor) disebut juga faktor bentuk (shape factor), faktor sudut (angle
factor), faktor konfigurasi (configuration
factor) atau faktor geometris (geometry
factor).
Jika dua buah permukaan hitam,
permukaan 1 dan permukaan 2 saling meradiasi maka energi di permukaan 1 bisa
sampai di permukaan 2 dan sebaliknya. Jika kita ingin mendapatkan suatu
persamaan umum untuk pertukaran energi antara kedua permukaan itu apabila
keduanya mempunyai suhu yang berlainan, maka kita gunakan faktor bentuk yang
dapat ditulis sebagai berikut :
F1-2 = fraksi energi yang meninggalkan
permukaan 1 dan diterima oleh permukaan 2
F2-1 = fraksi energi yang meninggalkan
permukaan 2 dan diterima oleh permukaan 1
Fm-n = fraksi energi yang meninggalkan
permukaan m dan diterima oleh permukaan n
Energi
yang meninggalkan permukaan 1 dan sampai di permukaan 2 adalah :
Eb1A1F12
Energi
yang meninggalkan permukaan 2 dan sampai di permukaan 1 adalah :
Eb2A2F21
Karena
keduanya merupakan benda hitam, maka semua energi yang mengenai kedua benda itu
akan diabsorpsi sempurna sehingga pertukaran energi nettonya adalah :
q1-2 = Eb1A1F12
- Eb2A2F21 .......... (7)
Jika
kedua permukaan itu mempunyai suhu yang sama, maka tidak terjadi pertukaran
panas, artinya q1-2 = 0, sehingga
Eb1 = Eb2
Sehingga
A1F12 = A2F21 .......... (8)
Sehingga
pertukaran panas nettonya menjadi :
q1-2 = A1F12(Eb1
- Eb2) = A2F21 (Eb1 - Eb2) .......... (9)
Persamaan
(8) disebut hubungan resiprositas dan secara umum berlaku untuk dua permukaan m
dan n
AmFmn
= AnFnm .......... (10)
Berbagai faktor bentuk dapat dilihat pada gambar 2 – 6
4.
HUBUNGAN
BERBAGAI FAKTOR BENTUK
Jika
Fij adalah fraksi energi total yang meninggalkan permukaan i dan
sampai di permukaan j maka :
Benda – benda tidak bisa memandang
dirinya sendiri :
F11
= F22 = F33 = ....= 0
Untuk lengkung tiga permukaan dapat
kita tuliskan :
F11 + F22 + F33
= 1
Karena F11 = 0, maka F13
= 1 – F12
5.
PERTUKARAN
PANAS ANTARA BENDA TAK HITAM
Pada perpindahan panas radiasi
antara permukaan hitam, semua energi radiasi yang menimpa permukaan itu
diserap. Pada benda tak hitam, tidak seluruh energi yang jatuh dipermukaan
diserap, sebagian dipantulkan kembali ke permukaan lain dalam sistem dan
sebagian mungkin dipantulkan keluar sistem. Persoalannya bisa menjadi lebih
kompleks karena panas yang dipancarkan dari satu permukaan dapat diabsorpsi dan
sebagian dipantulkan kembali mengenai permukaan yang lain dan terjadi berkali –
kali di antara permukaan penerima dan pemancar panas yang ada dalam lingkungan
itu.
Diandaikan semua permukaan
bersifat difus (baur, menyebar) dan menpunyai suhu seragam, emisivitas dan
refleksivitas konstan di seluruh permukaan, maka dapat didefinisikan dua
besaran baru yaitu
G = iradiasi
Panas
radiasi total yang menimpa suatu permukaan sebuah benda per satuan waktu per
satuan luas
J = radiositas
Panas radiasi total yang meninggalkan suatu permukaan sebuah benda per
satuan waktu per satuan luas.