PERPINDAHAN PANAS RADIASI

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 :

                                    E_b = σ T⁴                                             ...................... (3)

Dimana :       E_b   = 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.ft^2oR⁴

                     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 :

F_1-2      = fraksi energi yang meninggalkan permukaan 1 dan diterima oleh permukaan 2

F_2-1      = fraksi energi yang meninggalkan permukaan 2 dan diterima oleh permukaan 1

F_m-n      = fraksi energi yang meninggalkan permukaan m dan diterima oleh permukaan n

Energi yang meninggalkan permukaan 1 dan sampai di permukaan 2 adalah :

                              E_b1A₁F₁₂

Energi yang meninggalkan permukaan 2 dan sampai di permukaan 1 adalah :

                            E_b2A₂F₂₁

Karena keduanya merupakan benda hitam, maka semua energi yang mengenai kedua benda itu akan diabsorpsi sempurna sehingga pertukaran energi nettonya adalah :

                                    q_1-2 = E_b1A₁F₁₂ - E_b2A₂F₂₁                                           ..........  (7)

Jika kedua permukaan itu mempunyai suhu yang sama, maka tidak terjadi pertukaran panas, artinya q_1-2 = 0, sehingga

                            E_b1 = E_b2

Sehingga          A₁F₁₂ = A₂F₂₁                                                              ..........  (8)

Sehingga pertukaran panas nettonya menjadi :

                     q_1-2 = A₁F₁₂(E_b1 - E_b2) = A₂F₂₁ (E_b1 - E_b2)                       ..........  (9)

Persamaan (8) disebut hubungan resiprositas dan secara umum berlaku untuk dua permukaan m dan n

                     A_mF_mn = A_nF_nm                                                                                   ..........  (10)

Berbagai faktor bentuk dapat dilihat pada gambar 2 – 6

4.        HUBUNGAN BERBAGAI FAKTOR BENTUK

Jika F_ij 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.