MODUL 5

Minggu ke 3

KALOR DAN PERPINDAHAN KALORPERPINDAHAN KALOR

Kalor adalah bentuk energi yang dirasakan oleh manusia. Energi mewujudkan keadaan di mana jumlah energi yang dipindahkan antara manusia dan persekitarannya mencapai keseimbangan secara termal (Weller dan Youle, 1981). Perpindahan kalor merupakan sifat dasar alam persekitaran, iaitu Hukum Termodinamika. Hukum ini menyatakan bahawa apabila terdapat suatu kawasan dengan kandungan kalor yang tinggi, seperti suhu yang tinggi, dan satu lagi kawasan dengan kandungan suhu yang rendah, akan terdapat kecenderungan serta merta untuk kalor berpindah daripada kawasan yang tinggi kepada kawasan yang rendah.

Terdapat tiga mekanisme perpindahan, iaitu radiasi, konveksi, konduksi dan perubahan bahan di mana setiapnya memiliki sifat tertentu. Radiasi termal merupakan mekanisme dasar aliran kalor dan penting di mana bumi menerima energinya daripada suria. Radiasi adalah aliran energi melalui gelombang elektromagnet yang melalui bahan vakum atau lut sinar.

Seperti yang berlaku pada bahagian bangunan yang lain, perpindahan kalor pada atap terdiri daripada empat jenis iaitu konduksi, konveksi, radiasi dan evaporasi. Sebahagian kalor yang diserap daripada radiasi suria hilang melalui proses konveksi ke udara luar. Sebahagian dilepaskan semula ke bahagian ruang, dan sisanya dihantarkan melalui bahan atap untuk menaikkan suhu sisi bawah atap. Apabila atap curam disusun dengan menggunakan lapisan-lapisan nipis, dan memiliki keberaliran yang tinggi, akan berlaku kenaikan suhu yang tinggi. Kalor dari sisi bawah atap ini dihantarkan dari atap ke siling secara evaporasi dan radiasi gelombang panjang.

Mekanisme perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi merupakan pengangkutan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Prinsip yang sama dengan ini ialah perpindahan uap air secara penyerakan atau konveksi iaitu pengangkutan satu unsur daripada campuran yang sesuai dengan perbedaan tahap pekatan.

Kalor adalah sebuah bentuk energi,merupakan suatu kuantitas yang dapat diukur.

Satuan kaor adalah Btu (British Thermal Unit) yang berarti jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 pon air pada 60 derajat F adalah 1 derajat F.

-Dalam sistem metrik (SI) satuan kalor disebut dengan kalori (kal) didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pon air pada 15 derajat C,sebesar 1 derajat C.

Satuan kalor

Kalor adalah sebuah bentuk energi.

Satuan: Joule (J). 1 kJ (kilojoule) = 1000 Joule.

Suhu (t) adalah merupakan pertanda hadirnya kalor dalam suatu benda. Ia mengukur keadaan termal benda tersebut.

Satuan suhu adalah Celcius (0C). suhu terndah sama dengan suhu air yang membeku pada 00C . suhu didihnya adalah 100 0C.

Suhu diukur dengan thermometer air raksa.

Kaitan antara kalor dan temperature disebut dengan konsep kalor spesifik (specific heat). Kalor spesifik diartikan sebagai jumlah kalor energi yang dibutuhkan satuan massa benda untuk naik suhunya. Satuan kalor spesifik : J/kg 0C.

Kalor juga berkaitan dengan massa volume suatu benda yang disebut dengan volume spesifik (cv). .

Terdapat 2 bentuk kalor :

a. Kalor Sensibel

Adalah merupakan kalor yang dapat dirasakan oleh indera. Dengan kata lain dia adalah merupakan bentuk kalor yang bergandengan dengan perubahan suhu dari benda yang terkait.

b. Kalor Laten

Adalah energi termal yang terlibat dalam perubahan keadaan sebuah benda tanpa perubahan temperatur. Contoh: perubahan dari padat ke cair atau dari cair ke padat.

Suhu adalah merupakan tanda hadirnya kalor dalam sebuah benda.

Satuan suhu adalah derajat celsius.

Prinsip Termodinamika

Termodinamika adalah ilmu yang berkaitan denganaliran kalor yang hubungannya dengan kerja mekanik.

Hukum pertama Termodinamika:

Adalah merupakan prinsip kekekalan energi. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya diubah dari satu bentuk kebentuk lainnya.

Hukum kedua Termodinamika:

Perpindahan kalor atau energi dapat terjadi secara spontan hanya dalam satu arah, dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin.

Dari zona suhu yang lebih tinggi kalor dapat mengalir menuju zona yang bersuhu yang lebih rendah dengan 3 cara :

- konduksi

- konveksi

- radiasi

Perpindahan ini dapat diukur dengan 2 cara:

a. Sebagai aliran total dalam satuan waktu (kadar aliran kalor) melalui suatu luasan tertentu sebuah benda atu ruang.

b. Sebagian berat jenis dari aliran ini, yaitu kadar aliran per-satuan luas(berat jenis fluks)

Kita punya 2 kuantitas:

1. Kadar aliran kalor yang melalui sebuah bidang yaitu jumlah energi yang melaluinya dalam satuan waktu (j/s= joule/second=w(watt))

2. Berat jenis fluks adalah jumlah energi yang melalui sebuah unit luasan dari sebuah benda atau ruang dalam satuan waktu diukur dalam watt/m2.

Apabila suhu pada setiap titik dalam sebuah objek adalah tetap pada setiap masa maka keadaan ini dikatakan keadaan mantap (Harkness, 1978). Bangunan dalam keadaan mantap hanya akan berlaku apabila suhu udara luar dan dalam adalah tetap. Dalam situasi sebenar, keadaan mantap tidak pernah berlaku. Suatu keadaan hampir mantap akan diperolehi dalam bangunan apabila suhu luaran menunjukkan perubahan harian yang kecil dan suhu dalaman dikekalkan melalui penyaman udara.

Keadaan mantap untuk udara luar dan dalam, jarang berlaku dalam keadaan sebenar. Suhu udara harian dan radiasi suria berubah setiap masa. Perubahan ini bersifat berkala yang berubah setiap 24 jam. Suhu udara mencapai kedudukan terendah pada awal pagi dan meningkat sehingga maksimum pada waktu tengahari dan akan turun semula.

Pengiraan gandaan secara terus ke atas kalor suria melalui sebuah unsur pada keadaan fana secara berkala yang berlaku di luar ataupun di dalam bangunan, sangat rumit dan belum terdapat sebarang kaedah yang disediakan untuk menjawab persoalan ini (Harkness, 1978). Walaubagaimanapun, pengiraan ini bukan lagi merupakan masalah apabila Mitalas dan Stephenson (1976) memperkembangkan kaedah tersebut. Mereka menyatakan bahawa penentuan gandaan kalor secara terus dapat dilakukan dengan anggapan bahawa terdapat suhu yang berubah secara berkala dan suhu yang tetap. Secara praktikalnya, anggapan ini berhubung dengan keadaan di mana dinding di bahagian luar terdedah kepada perubahan udara luar manakala bahagian dalamnya berada dalam keadaan tetap dengan menggunakan penyaman udara.

I.1. KONDUKSI

Konduksi termal adalah perpindahan kalor melalui satu bahan tanpa mengubah kedudukan molekul bahan itu sendiri. Perpindahan kalor secara konduksi berlaku apabila terdapat perbedaan suhu di antara dua titik. Dengan demikian konduksi berlaku daripada bahagian objek yang lebih panas kepada bahagian yang lebih sejuk, daripada objek yang sama atau daripada objek yang lebih panas kepada yang lebih sejuk melalui sentuhan fizik. Proses in terutama berlaku pada bahan pepejal, namun boleh juga berlaku pada bahan cecair dan gas. Proses sebenar atau mekanisme daripada cara perpindahan kalor ini berlaku di tahap molekul.

Semua bahan samada pepejal, cecair atau gas mengalirkan kalor. Daripada bahan-bahan ini ada yang mengalirkan kalor lebih cepat ada pula yang lebih lambat. Hal ini bergantung kepada kekuatan bahan tersebut untuk mengalirkan kalor. Sudah diketahui bahawa bahan logam mengalirkan kalor lebih cepat berbanding dengan bahan penebatan. Bahan-bahan yang tidak mengalirkan kalor, biasanya merupakan pengalir elektrik yang buruk. Bahan-bahan bukan logam yang berliang mengandungi udara dalam strukturnya dan mempunyai keberaliran termal yang lebih rendah berbanding bahan tidak berliang seperti cermin. Kadar perpindahan kalor secara konduksi bergantung kepada perbedaan suhu di antara kedua permukaan, keberaliran termal dan dalam keadaan tertentu, muatan termal bahan tersebut.

Konduksi termal adalah perpindahan energi kalor dari bagian yang lebih panas kebagian yang lebih dingin pada suatu benda yang sama atau dari yang lebih panas ke yang lebih dingin dalam bentuk kontak fisik satu sama lain tanpa perpindahan partikel dari benda-benda tersebut.

Kadar perpindahan kalor tergantung pada hal-hal berikut:

a. Luas potongan melintang( A) tegak lurus terhadap aliran kalor. Satuan m2.

b. Ketebalan benda (b) yaitu panjang aliran kalor, satuan m.

c. Konduktifitas (K), yaitu ukuran kadar aliran kalor melalui satuan luasan dan satuan ketebalan bahan tersebut dengan unit temperatur diantara 2 titik, satuan w m/m2derajat cel.

Kebalikan dari konduktifitas adalah resistivitas, r=I/k, dengan unit m derajat cel/ wxm =m2cel/w)

Kebalikan dari resistansi adalah konduktansi c=1/r=1/rb (=w/m2derajat celsius)

Untuk benda yang homogen k/b=c, maka aliran kalor konduksi melalui sebuah benda adalah :

Qc= c x A x delta t

W= w/m2derajat cel x m2 x derajat celsius

Untuk benda yang terdiri dari beberapa lapisan, harus ditambahkan R= R1+R2+.....+Rm=r1b1+r2b2+.......rnbn=b1/k1+b2/k2+.......bn/kn

1.2. KONVEKSI

Konveksi dapat dimaksudkan sebagai perpindahan kalor melalui cecair atau gas. Konveksi merupakan suatu mekanisme di mana energi kalor dipindahkan oleh gabungan satu bahagian bendalir, iaitu gas atau cecair, dengan yang lain (Straaten, 1967). Oleh itu, konveksi sentiasa melibatkan gerakan atau aliran bahan. Konveksi oleh udara tidak boleh berlaku tanpa kehadiran pergerakan udara, tetapi pergerakan udara dapat berlaku tanpa perpindahan kalor. Perpindahan kalor secara konveksi berlaku pada permukaan dinding, lantai dan atap atau paip, ataupun bendalir mengalir di luar batas bahan pejal pada suhu yang berbeda.

Sebahagian besar konveksi ditentukan oleh perbedaan suhu antara permukaan dengan udara, kasar atau tidaknya permukaan, gerakan udara ke atas permukaan dan orientasi permukaan. Daya aliran konveksi merupakan kuantiti yang sentiasa berubah (Billington, 1952).

Kalor dihantarkan melalui ruang udara secara konveksi dan radiasi. Rongga udara ini merupakan sebuah rintangan (hampir sama seperti penebatan) dan percubaan menunjukkan bahawa rongga udara normal memiliki rintangan kira-kira 0.21 m2 0C/W untuk kalor yang menuju ke bawah. Bagi kalor yang menuju ke atas, unsur konveksi bertambah apabila permukaan panas menetapkan aliran konveksi di atasnya supaya lebih banyak, lebih mudah berbanding di bawah, oleh itu rintangan jatuh sehingga 0.14 m2 0C/W (Baker, 1987).

Apabila ruang diberi pengalihudaraan secara bebas, maka diharapkan terdapat pengurangan perpindahan kalor kerana kalor dipindahkan melalui udara daripada luar. Udara yang berada di dalam rongga ini dikeluarkan dan digantikan oleh udara tenang (still air) daripada luar. Bagi pengalihudaraan yang cekap, mudah diperolehi dalam ruang loteng yang besar dengan bukaan pengalihudaraan yang besar. Suhu udara di dalam rongga ini akan tetap atau hampir kepada suhu udara luar. Maka mengurangkan unsur konveksi dengan berkesan kepada sifar (Baker, 1987).

Bagaimanapun, dalam ruang udara biasa, unsur konveksi bukan merupakan unsur perpindahan kalor utama dalam rongga udara. Unsur utama adalah perpindahan kalor secara radiasi. Penebatan terhadap radiasi berfungsi untuk mengurangkan perpindahan kalor melalui rongga udara samada dengan mengurangkan keberpancaran daripada sisi bawah atap yang panas atau dengan menambahkan daya pantulan permukaan dalam yang sejuk daripada siling (Baker, 1987).

Perpindahan kalor dari satu permukaan sebuah benda padat ke sebuah benda cair, yaitu cairan atau gas sebaliknya.

Konveksi tergantung kepada:

a. Luas daerah kontak antara benda dan zat cair. m2

b. Perbedaan tempertur antara benda dan zat cair. delta t= t1-t2 derajat cel.

c. Koefisien konveksi (hc), dalam w/m2derajat cel, tergantung pada kekentalan (viscousitas) dan kecepatan zat cair dan juga konfigurasi dari zat cair/alir tsb.

Nilai koefisien konveksi :

Hc=3,0= untuk permukaan vertikal

Hc=4,3=aliran kalor naik. Udara ke plafon,lantai ke udara.

Hc=1,5=aliran kalor turun. Udara kelantai, plafon ke udara.

Permukaan yang menghadap angin = hc=5,8 +4,1 V

V=kecepatan angina (m/det)

Aliran kalor konveksi:

Qv=hc x A x delta t.

Persamaan ini sesuai untuk:

a. Konveksi bebas/alami, dimana aliran udara disebabkan oleh perbedaan berat jenis.

b. Konveksi dipaksa : Dimana udara (fluida) dipompa atau didorong dari arah sebelah benda.

Koefisien hc tergantung kepada :

a. Kecepatan fluida/angin

b. Suhu fluida

c. Suhu permukaan

d. Konduktifitas

e. Kalor Spesifik fluida

f. Berat jenis fluida

g. Viskositas fluida

h. Bentuk kontak permukaan

i. Dimensi fisik sistem

Dalam arti yang luas konveksi meliputi perpindahan kalor melalui fluida dari satu permukaan benda padat ke permukaan lainnya.

Qv=m x Cp x delta t

Dimana: m= kadar aliran massa (kg/det)

Cp=kalor spesifik fluida (j/kg derajat cel)

Delta t=perbedaan suhu antara sumber dan permukaan.

1.3 RADIASI

Cahaya matahari yang jatuh pada bangunan dan menaikkan suhu dalaman berlaku dalam dua keadaan. Pertama, apabila radiasi suria mengenai bahagian luar litupan bangunan, energi yang diserap menaikkan suhu permukaan kemudiannya menyebabkan kalor berpindah ke dalam melalui dinding dan atap. Kedua, apabila radiasi suria mengenai tingkap, hampir semua energi masuk secara terus melalui cermin ke dalam bangunan dan terperangkap di sana seperti kesan rumah cermin (Milne, 1981). Radiasi yang diterima diserap oleh permukaan dinding yang seterusnya membebaskan radiasi gelombang panjang.

Perpindahan kalor radiasi adalah pertukaran energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnet antara dua atau lebih objek pada suhu berbeda, yang dipisahkan oleh ruang atau perantara lut sinar atau tidak menyerap gelombang kalor. Straaten (1967) menyatakan bahawa perpindahan kalor daripada atap kepada siling terutamanya berlaku secara radiasi, bukan konveksi ataupun pergerakan udara. Radiasi tidak dipengaruhi oleh pengalihudaraan meskipun suhu udara boleh dikurangkan sedikit kerana pengalihudaraan.

Kalor radiasi mengacu kepada gelombang inframerah dari spektrum radiasi elektromagnetik, yaitu:

-inframerah pendek, 700-2300 nm (0,7micro m)

-inframerah panjang, 2,3-100 micro m

Perpindahan kalor radiasi adalah pertukaran energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik antara dua atau lebih benda pada suhu yang berbeda yang dipisahkan oleh ruang atau medium yang transparan, yang tidak menyerap terhadap gelombang kalor.

-Sifat dari gelombang elektromagnetik adalah ruang atau medium tempat dilaluinya gelombang tersebut tidak menjadi panas.

Intensitas radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda tergantung kpd sifat dan suhu benda tsb.

Persamaan umum radiasi adalah Hukum Stefan-Botzmann

qr=yEAT4

Dimana : qr=Total energi yang dipancarkan

y=Kimstanta Stefan-Botzmann

E=Emisifitas permukaan

A= luas permukaan

T= suhu mutlak derajat kelvin (K)

Kadar aliran kalor radiasi tergantung kepada suhu benda yang memancarkan dari benda yang menerima dan kualitas permukaan absorban(alpha) dan emitan(E).

Aliran kalor radiasi dinyatakan dengan :

Qr=hr x A x delta t

Dimana delta t=t1-t2, nilai hr tergantung pada konfigurasi geometris dan juga sifat kedua permukaan tersebut.

Apabila berat jenis radiasi diketahui (G),kalor yang diserap permukaan , Qr= A x G x alpha.

2.1.1.1 Evaporasi

Seperti dalam proses konduksi dan konveksi, perpindahan uap air dengan cara penyerakan (diffusion) atau konveksi adalah pengangkutan satu unsur sebuah campuran yang diakibatkan oleh perbedaan kepekatan. (Straaten, 1967). Apabila sejumlah gas atau air tertentu dimasukkan dalam sebuah ruang, gas atau wap akan diagihkan sama rata ke seluruh ruang tersebut akibat daripada percampuran zarah secara rawak. Proses penyerakan atau percampuran zarah ini dipercepatkan oleh aliran konveksi.

Zarah-zarah pada permukaan air hanya memiliki udara di atasnya untuk dirempuh dan kebanyakan zarah terlepas ke udara. Evaporasi adalah proses pelepasan zarah air ke udara. Apabila air dipanaskan, kehebatan gerakan atau tekanan zarah bertambah akibat daripada energi yang bertambah dan evaporasi yang lebih cepat. Kelajuan gerakan zarah ini berubah sesuai dengan kenaikan suhu. Bentuk energi ini digambarkan dengan istilah tekanan wap.

Kadar evaporasi bergantung sepenuhnya kepada perbedaan antara tekanan wap udara dan air di bawahnya. Apabila udara sangat kering, maknanya ia hanya mengandungi sedikit sahaja wap. Tekanannya tentu akan rendah dan air akan menyejat dengan lebih cepat. Apabila udara sangat, sangat kecil kemungkinan evaporasi akan berlaku. Dua keadaan evaporasi yang ekstrim itu berlaku pada kadar yang berbeda bergantung kepada kadar tekanan wap.

Perpindahan kalor deria secara konveksi dapat dicepatkan dengan pengguncangan. Dengan cara yang sama, gerakan udara juga mencepatkan evaporasi. Bagi manusia hal ini sangat penting kerana gerakan udara boleh digunakan untuk menambah keadaan termal yang lebih selesa.

Pusat Pengembangan Bahan Ajar - UMBDr. Ir. M. Syarif Hidayat M.Arch

FISIKA BANGUNAN