Kalor, suhu, dan perpindahan panas

Di ruang laundry sebuah hotel, seorang teknisi menyentuh rangka logam sebuah mesin lalu menarik tangannya. Bagian itu terasa lebih panas daripada panel berlapis bahan isolasi di sebelahnya. Namun, dua termometer yang ditempatkan pada titik berlainan menunjukkan angka yang hampir sama. Apakah sentuhan membuktikan bahwa rangka memiliki suhu lebih tinggi? Tidak. Kulit dan permukaan benda bertukar energi, dan laju pertukaran itu dipengaruhi sifat bahan serta kondisi kontak. Rasa panas memberi tanda bahwa ada pertukaran energi, tetapi tidak mengukur suhu secara andal.

Untuk membaca sistem termal, tentukan apakah yang dicari adalah keadaan suhu benda atau energi yang berpindah. Jika fokusnya perpindahan, kenali juga mekanismenya. Suhu menjelaskan keadaan benda pada saat pengukuran, sedangkan kalor adalah energi yang melintasi batas sistem akibat perbedaan suhu, dan perpindahan panas menjelaskan mekanisme yang membawa energi itu. Ketiga konsep ini menentukan model hitung yang layak dipakai; satu pembacaan sensor belum menggambarkan seluruh peralatan.

Batas pembahasan

Bab ini membedakan suhu, kalor, dan perpindahan panas, lalu memakai tiga model sederhana: kapasitas termal konstan, neraca energi benda-benda dalam sistem terisolasi, dan daya termal rata-rata. Konduksi, konveksi, dan radiasi termal dikenali sebagai mekanisme, tetapi lajunya tidak dihitung. Bab ini tidak memakai konstanta laju perpindahan atau data sifat permukaan, dan kapasitas termal pada contoh adalah asumsi, bukan angka bahan. Laju konduksi berlapis, konveksi, radiasi, dan resistansi termal dihitung di Bab 24, radiasi termal dan emisivitas dibahas di Bab 21, kalor jenis, kalor laten, dan perubahan fase di Bab 11, serta energi dalam pada hukum pertama termodinamika di Bab 16. Bab ini membahas analisis konsep, bukan instruksi membuka peralatan, mengubah setelan, mengukur bagian berbahaya, atau bekerja pada sistem panas, dan tidak menetapkan nilai aman atau batas operasi peralatan.

Suhu, kesetimbangan termal, dan sentuhan

Suhu (temperature) adalah besaran yang dipakai untuk menyatakan keadaan termal suatu benda. Dalam pengukuran teknik, angka suhu harus selalu dibaca bersama lokasi ukur, waktu, dan alat yang menghasilkan angka itu. Sebuah pembacaan pada permukaan luar tidak otomatis menyatakan suhu di dalam inti benda, dan pembacaan sesaat tidak dengan sendirinya menggambarkan keadaan yang berubah selama alat bekerja. Karena itu, kalimat "alat bersuhu 60 derajat" masih kurang lengkap jika titik dan keadaan ukurnya tidak diketahui.

Kesetimbangan termal (thermal equilibrium) adalah keadaan ketika dua benda yang berinteraksi secara termal tidak lagi menunjukkan kecenderungan pertukaran energi bersih karena perbedaan suhu. Dalam keadaan itu, keduanya berada pada suhu yang sama menurut pengukuran yang sesuai. Kesetimbangan tidak berarti benda tidak lagi menyimpan energi atau molekulnya berhenti bergerak. Artinya, pada skala pengamatan yang digunakan, tidak ada lagi aliran energi bersih yang didorong oleh perbedaan suhu di antara benda tersebut.

Bayangkan sebuah komponen hangat diletakkan dekat benda yang lebih dingin. Selama keduanya berbeda suhu dan dapat berinteraksi, energi berpindah dari komponen yang lebih hangat menuju yang lebih dingin. Perbedaan suhu mendorong perpindahan, sementara material, bentuk, luas kontak, aliran fluida di sekeliling, dan keadaan permukaan turut menentukan seberapa cepat proses berlangsung. Dari satu pengamatan akhir, ketika suhu keduanya sama, kita tidak bisa mengetahui seberapa cepat proses tadi berlangsung; untuk menjawabnya perlu data waktu atau model laju perpindahan.

Indra peraba bukan termometer pembanding. Saat jari menyentuh logam dan bahan isolasi yang berada di lingkungan sama, logam dapat mengambil energi dari kulit lebih cepat, sehingga logam terasa lebih dingin meskipun suhu kedua permukaan serupa. Logam menghantarkan panas lebih baik daripada karton. Perbandingan itu membantu menjelaskan sensasi, tetapi tidak menentukan perbedaan suhu untuk setiap benda logam dan karton. Tanpa pengukuran pada lokasi yang relevan, kesan sentuh tidak cukup untuk menyimpulkan angka suhu.

Termometer pun hanya menjawab pertanyaan yang ditetapkan oleh cara pemasangannya. Jika yang dicari adalah suhu udara, sensor yang menempel pada dinding mungkin membaca pengaruh dinding alih-alih udara. Jika suhu komponen berubah terhadap posisi, satu titik ukur dapat melewatkan titik terpanas. Karena itu, besaran ukur, titik ukur, alat, dan rentang ditetapkan sebelum mengukur, lalu lokasi sensor, kondisi operasi, dan waktu pembacaan dicatat. Prinsip ini berlaku pada diagnosis termal: data tanpa konteks dapat tampak presisi tetapi menjawab pertanyaan yang keliru.

Kalor sebagai energi yang melintasi batas

Kalor (heat) adalah energi yang berpindah antara sistem dan lingkungan karena perbedaan suhu. Istilah ini menyatakan proses perpindahan, bukan "zat panas" yang tersimpan sebagai benda tersendiri. Sesudah energi berpindah, benda dapat mengalami perubahan suhu atau perubahan keadaan fisik, dan besar perubahannya bergantung pada sifat benda serta kondisi prosesnya. Energi yang terkait dengan keadaan benda itu sendiri disebut energi internal (internal energy); kalor adalah energi yang melintasi batas, bukan isi benda.

Untuk menghindari kekeliruan tanda, tetapkan sudut pandang sebelum menulis neraca. Gunakan konvensi bahwa kalor yang masuk ke benda positif dan kalor yang keluar negatif. Pada pertukaran ideal antara dua benda yang tidak menerima energi dari luar, energi yang dilepas satu sama dengan energi yang diterima lainnya, sehingga jumlah aljabar perpindahan energi di dalam batas sistem yang dipilih menjadi nol. Tanda pada hitungan menjadi pemeriksaan apakah uraian dan hasilnya sejalan.

Kalor dan suhu memiliki satuan serta makna berbeda. Suhu dinyatakan sebagai besaran temperatur, sedangkan energi yang berpindah dinyatakan dalam joule (J). Daya termal (thermal power) adalah laju energi berpindah per satuan waktu, dinyatakan dalam watt (W), dengan satu watt setara satu joule per sekon. Dua benda dapat memiliki suhu sama tetapi kapasitas menyimpan energi yang berbeda; sebaliknya, jumlah energi yang sama dapat menimbulkan perubahan suhu yang berbeda pada benda-benda dengan kapasitas termal berbeda. Membandingkan angka kalor dengan angka suhu tanpa model yang menghubungkan keduanya sama kelirunya dengan membandingkan jarak dan kecepatan seolah-olah satu besaran.

Istilah "panas" dalam percakapan sehari-hari sering menunjuk suhu tinggi, rasa hangat, atau energi yang berpindah. Dalam perhitungan, kata itu terlalu kabur kecuali dijelaskan maksudnya. Jika yang dimaksud adalah pembacaan sensor, sebut suhu. Jika yang dimaksud energi yang melewati batas sistem, sebut kalor atau perpindahan energi termal. Jika yang dimaksud jumlah energi per waktu, sebut laju perpindahan panas atau daya termal. Konsistensi bahasa membuat pembaca lain bisa mengulang perhitungan tanpa menebak apa yang diukur.

Jalur perpindahan energi termal

Konduksi (conduction) adalah perpindahan energi melalui bahan tanpa perpindahan bersih bahan itu sebagai aliran makroskopis, misalnya panas yang merambat sepanjang benda padat dari daerah yang lebih hangat ke daerah yang lebih dingin. Perbandingan kualitatif bahwa logam menghantarkan panas lebih baik daripada karton bukan angka konduktivitas dan tidak cukup untuk menghitung laju aliran pada sembarang susunan. Perhitungan rekayasa memerlukan informasi bahan, geometri, kondisi batas, dan persamaan yang tepat.

Konveksi (convection) adalah perpindahan energi termal yang berkaitan dengan gerak kolektif fluida, seperti udara atau cairan. Fluida yang bergerak dapat membawa energi dari satu lokasi ke lokasi lain, dan pemanasan fluida juga dapat mengubah distribusi suhu di sekitarnya. Karena aliran bergantung pada geometri, gerak, dan kondisi permukaan, label "konveksi" saja tidak menentukan laju panas.

Radiasi termal (thermal radiation) adalah pertukaran energi melalui radiasi elektromagnetik yang dipancarkan atau diserap permukaan. Berbeda dari konduksi dan konveksi, perpindahan radiasi tidak memerlukan medium material di antara permukaan. Pada sebuah peralatan, beberapa mekanisme dapat bekerja sekaligus: permukaan dapat bertukar energi dengan udara yang bergerak, menghantarkan energi ke penopang, dan berinteraksi melalui radiasi dengan lingkungan. Nama mekanisme membantu menyusun penjelasan, tetapi belum memberi hasil kuantitatif; penilaian kuantitatif untuk sistem tertentu memerlukan persamaan radiasi dan data sifat permukaan.

Konduksi, konveksi, dan radiasi memberi kerangka awal untuk memeriksa sistem, tetapi belum menentukan mekanisme yang dominan. Perbedaan suhu menurut posisi dapat menunjukkan pengaruh jalur perpindahan internal. Perubahan aliran udara membuat pembacaan sebelum dan sesudahnya tidak sebanding, dan pertukaran dengan lingkungan turut memengaruhi hasil. Tanpa data geometri, material, kondisi batas, dan waktu, mekanisme yang mungkin dapat dikenali, tetapi temperatur tidak dapat diramalkan secara presisi.

Suhu komponen yang naik menunjukkan perubahan keadaan termal, tetapi belum menentukan penyebabnya. Energi masuk mungkin bertambah, perpindahan keluar mungkin berkurang, atau kondisi pengukuran mungkin berubah. Bandingkan pembacaan pada titik dan kondisi operasi yang sepadan untuk membedakan kemungkinan itu. Jika prosedur pabrikan, kewenangan kerja, atau batas keselamatan belum diketahui, tunda diagnosis.

Model sederhana untuk perubahan suhu

Pada rentang keadaan yang dapat diperlakukan secara linear, kapasitas termal efektif (heat capacity) adalah banyaknya energi yang diperlukan per perubahan suhu, ditulis $C$. Modelnya:

Di sini $Q$ adalah energi yang masuk atau keluar, dalam joule; $C$ adalah kapasitas termal, dalam joule per kelvin (J/K); dan $\Delta T$ adalah suhu akhir dikurangi suhu awal, dalam kelvin (K). Untuk selisih suhu, besar satu kelvin sama dengan besar satu derajat Celsius, sehingga perubahan numerik dapat dituliskan dalam °C jika satuannya dinyatakan jelas. Tanda $Q$ mengikuti konvensi masuk positif. Persamaan ini berlaku jika kapasitas efektif konstan, dan tidak menggambarkan perubahan fase, reaksi, atau variasi sifat terhadap suhu. Nilai $C$ harus diketahui atau diasumsikan.

Salah satu cara memakai model ialah menuliskan neraca untuk benda-benda di dalam sistem. Untuk dua benda dengan suhu awal berbeda yang bertukar energi dalam sistem terisolasi ideal, gunakan suhu akhir bersama $T_f$ dan kondisi bahwa energi keluar sama dengan energi masuk. Dengan kapasitas efektif konstan, bentuk perhitungannya menjadi:

Simbol $C_1$ dan $C_2$ menyatakan kapasitas termal benda pertama dan kedua, $T_1$ serta $T_2$ suhu awalnya, dan $T_f$ suhu akhir bersama. Setiap hasil kali kapasitas dengan perubahan suhu memiliki satuan joule. Persamaan menganggap tidak ada pertukaran energi dengan lingkungan dan tidak ada sumber kerja atau proses lain di dalam batas sistem. Jika benda menerima energi dari luar, suku itu harus ditambahkan; jika asumsi ideal tidak terpenuhi, hasilnya hanya taksiran model, bukan temperatur terukur.

Hubungan laju lebih sederhana. Jika energi $Q$ berpindah selama selang waktu $\Delta t$, laju rata-ratanya adalah:

Besaran $\overline{P}_{\mathrm{termal}}$ menyatakan daya rata-rata dalam watt, $Q$ dalam joule, dan $\Delta t$ dalam sekon. Rumus ini menghitung energi per waktu pada interval yang dipilih; rumus itu tidak memprediksi bagaimana laju berubah dari saat ke saat. Jika kondisi berubah selama pengamatan, gunakan data waktu yang lebih rinci dan nyatakan intervalnya. Jangan menyamakan nilai laju dengan energi total: waktu yang lebih panjang dapat menghasilkan perpindahan energi total lebih besar walaupun daya rata-ratanya sama.

Membaca sistem termal dalam penerapan

Dalam pemeriksaan peralatan, mulai dengan menentukan besaran yang hendak diketahui. Suhu permukaan pada titik tertentu, perubahan suhu sepanjang waktu, dan energi yang diserap komponen memerlukan pengamatan serta model berbeda. Catat titik ukur dan kondisi operasi, lalu bandingkan pembacaan hanya ketika kondisi pengukuran sepadan. Jika angka berubah, periksa apakah proses fisiknya berubah atau apakah lokasi, waktu, sensor, maupun keadaan operasi berbeda.

Pada rangka yang terasa panas di pembuka bab, langkah penalaran yang dapat dipertanggungjawabkan dimulai dengan mengganti kesan sentuh menjadi pertanyaan ukur: suhu titik rangka yang mana, pada kondisi operasi apa, dan kapan dicatat? Setelah titik itu ditetapkan, pembacaan dapat dibandingkan dengan pembacaan acuan (baseline) yang diambil pada keadaan sepadan. Kemudian tentukan apakah model yang diperlukan hanya deskriptif, misalnya perubahan suhu terhadap waktu, atau memerlukan neraca energi. Tanpa baseline dan spesifikasi batas operasi dari produsen, data itu tidak cukup untuk menyatakan aman, rusak, atau memenuhi syarat.

Pengendalian proses termal juga bergantung pada pembedaan suhu dan energi. Sensor temperatur memberi informasi lokal, bukan energi total yang tersimpan. Perkiraan energi memerlukan hubungan kapasitas termal dengan perubahan suhu, sedangkan waktu untuk mencapai keadaan tertentu bergantung pada laju energi masuk dan keluar. Alarm yang dipicu satu angka temperatur menunjukkan ambang yang dipantau, tetapi tidak dengan sendirinya menjelaskan penyebabnya. Jangan menurunkan batas operasi dari contoh atau kesan sentuhan. Untuk pekerjaan nyata, kondisi batas dan sifat komponen ditetapkan berdasarkan pengukuran atau dokumen yang relevan, dan nilai pabrikan, data material, serta prosedur kerja diambil dari dokumen yang berlaku.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Contoh 2 sampai 6 memakai air: kapasitas termal efektifnya ditulis $C=mc$, dengan $m$ massa air dan $c$ kalor jenis air sekitar 4,19 kJ/(kg·K), nilai yang juga dipakai Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung. Satu liter air dianggap bermassa 1 kg, satu kWh sama dengan 3.600 kJ, dan semua contoh menganggap tidak ada perubahan fase.

Contoh 1: suhu akhir dua komponen dalam wadah terisolasi. Dua komponen kecil dimasukkan ke wadah yang dianggap terisolasi sempurna. Komponen A bersuhu awal $80\ ^\circ\mathrm{C}$ dengan kapasitas termal efektif $0{,}80\ \mathrm{kJ/K}$, dan komponen B bersuhu awal $20\ ^\circ\mathrm{C}$ dengan kapasitas $1{,}20\ \mathrm{kJ/K}$. Kapasitas itu data hipotetis, bukan nilai bahan tertentu. Asumsikan kedua kapasitas tetap sepanjang perubahan suhu, kedua komponen mencapai suhu akhir yang sama, dan tidak terjadi perubahan fase. Sistem meliputi kedua komponen, bukan wadah atau udara di luar, dan karena sistem terisolasi, energi hanya berpindah di antara keduanya. A lebih hangat daripada B, maka A melepaskan energi dan B menerima energi; dengan konvensi kalor masuk positif, perubahan suhu A akan negatif dan perubahan suhu B positif. Neracanya:

Kapasitas dalam kJ/K dan perbedaan suhu dalam K menghasilkan energi dalam kJ. Kembangkan kedua suku: $0{,}80T_f-64+1{,}20T_f-24=0$, lalu gabungkan suku yang memuat suhu akhir: $2{,}00T_f-88=0$, sehingga $T_f=44\ ^\circ\mathrm{C}$. Nilai akhir berada di antara suhu awal kedua benda; jika hasilnya di atas 80 °C atau di bawah 20 °C pada model tanpa sumber luar, tanda atau aljabarnya patut diperiksa. Periksa pula energi tiap benda. Untuk A, perubahan suhu $44-80=-36\ \mathrm{K}$, sehingga $Q_A=0{,}80(-36)=-28{,}8\ \mathrm{kJ}$, dengan tanda negatif untuk energi yang keluar dari A. Untuk B, perubahan suhu $44-20=24\ \mathrm{K}$, sehingga $Q_B=1{,}20(24)=28{,}8\ \mathrm{kJ}$. Jumlahnya $Q_A+Q_B=0$, sesuai neraca sistem terisolasi. Contoh ini tidak memprediksi waktu sampai 44 °C karena tidak ada model laju atau ukuran geometri, dan tidak menyatakan temperatur komponen nyata karena kapasitasnya diasumsikan. Jika wadah menyerap energi, kapasitasnya perlu ditambahkan ke neraca; jika energi lepas ke lingkungan, suhu akhir dapat berbeda.

Contoh 2: memanaskan tangki air panas hotel. Tangki 300 L di ruang mesin hotel diisi air 28 °C dan dipanaskan sampai 60 °C. Kapasitas termal airnya $C=300\times4{,}19=1.257$ kJ/K, sehingga

atau sekitar 11,2 kWh. Dengan elemen pemanas 6 kW, waktu minimumnya $\Delta t=Q/\overline{P}=40.224/6\approx6.700$ s, kira-kira 1 jam 52 menit. Angka itu batas bawah, sebab dinding tangki, pipa, dan udara sekitar ikut menyerap energi. Waktu pemulihan untuk keputusan operasi diambil dari data pemanas dan pengukuran, bukan dari hitungan ini.

Contoh 3: mencampur air panas dan dingin untuk bak perendam laundry. Bak perendam di laundry hotel memerlukan 100 L air 40 °C dari air panas 70 °C dan air dingin 28 °C. Kalor jenis kedua aliran sama, sehingga neraca $C_1(T_f-T_1)+C_2(T_f-T_2)=0$ menjadi

Dari $m_p+m_d=100$ kg diperoleh sekitar 28,6 L air panas dan 71,4 L air dingin. Pemeriksaan tanda: air panas melepas sekitar 3.590 kJ dan air dingin menerima jumlah yang sama. Pipa dan bak yang lebih dingin juga menyerap energi, sehingga suhu campuran nyata dapat sedikit di bawah 40 °C dan diukur di titik pakai.

Contoh 4: panci ikut menyerap kalor di dapur. Juru masak menuang 10 L air 90 °C ke panci baja bersuhu 28 °C. Kapasitas termal efektif panci diasumsikan 2,0 kJ/K, sedangkan kapasitas air $10\times4{,}19=41{,}9$ kJ/K. Neracanya:

Panci menurunkan suhu air sekitar 2,8 K sebelum kehilangan ke udara dihitung. Model tanpa suku panci memberi 90 °C, sehingga wadah yang diabaikan membuat taksiran suhu terlalu tinggi.

Contoh 5: tangki air panas rumah sakit yang mendingin semalam. Pemanas tangki 500 L di dapur gizi sebuah rumah sakit dimatikan pukul 20.00 untuk perbaikan. Pukul 06.00 sensor membaca suhu air turun dari 60 °C menjadi 54 °C. Dengan konvensi kalor masuk positif:

Tanda negatif menyatakan energi keluar. Laju rata-rata kehilangannya selama 36.000 s adalah $12.570.000/36.000\approx349$ W. Angka itu rata-rata 10 jam, bukan laju sesaat, dan satu sensor belum tentu mewakili seluruh isi tangki. Perbandingan dengan catatan pada keadaan sepadan menunjukkan apakah isolasi berubah; satu angka tanpa baseline tidak membuktikan kerusakan.

Contoh 6: daya rata-rata dari catatan mesin cuci. Catatan sensor sebuah mesin cuci laundry menunjukkan 40 L air naik dari 28 °C ke 60 °C dalam 20 menit. Energinya $40\times4{,}19\times32\approx5.363$ kJ, sehingga

Elemen pemanas mesin berdaya 6 kW, jadi sekitar 1,5 kW tidak tercatat sebagai kenaikan suhu air dalam model ini. Energi itu dapat masuk ke drum, cucian, dan udara, atau sensor membaca titik yang belum mewakili seluruh air. Selisih ini memunculkan pertanyaan ukur, bukan diagnosis bahwa pemanas rusak.

Kondisi berhenti

Pekerjaan yang melibatkan energi atau temperatur memerlukan gerbang keselamatan (safety gate) dan kewenangan kerja. Bila salah satu keadaan berikut terjadi, hentikan penilaian; keputusan berikutnya menjadi wewenang penanggung jawab peralatan atau personel berwenang untuk peralatan itu.

1. Titik ukur tidak dapat dijangkau dengan metode ukur yang aman dan disetujui.
2. Perangkat menunjukkan kondisi di luar batas yang terdokumentasi, atau batas operasi dan batas keselamatannya belum diketahui.
3. Isolasi energi dan kewenangan kerja belum dipastikan, atau prosedur pabrikan untuk peralatan itu belum diketahui.
4. Nilai aman, batas operasi, atau waktu pemulihan akan diturunkan dari contoh hitung bab ini atau dari kesan sentuhan. Untuk nilai aman, prosedur, dan batas operasi, gunakan dokumen yang berlaku bagi peralatan tertentu, data pemanas, dan pengukuran, bukan generalisasi dari contoh.
5. Satu pembacaan atau satu kenaikan suhu, tanpa baseline dan tanpa batas operasi dari produsen, akan dipakai untuk menyatakan peralatan aman, rusak, atau memenuhi syarat. Tunda diagnosis sampai ada pembacaan pada titik dan kondisi operasi yang sepadan.
6. Permukaan peralatan terasa panas saat disentuh, seperti rangka di pembuka bab. Jangan memakai sentuhan untuk menilai suhunya; tetapkan titik ukur dan ukur dengan metode yang disetujui.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Pemeriksaan satuan dan konversi, seperti kWh ke kJ pada contoh kerja, dibahas lebih lengkap di Bab 3 · Satuan & Matematika, sedangkan mutu pembacaan sensor, kalibrasi, dan ketidakpastian ada di Bab 1 · Data & Pengukuran. Neraca energi mekanis di Bab 5 tentang gaya, usaha, dan energi di sini diperluas ke energi termal, lalu diteruskan Bab 16 tentang hukum pertama termodinamika dengan kalor, kerja, dan energi dalam. Kalor jenis, kalor laten, dan perubahan fase yang berada di luar model bab ini dibahas di Bab 11. Laju konduksi, konveksi, radiasi, dan resistansi termal dihitung di Bab 24, sedangkan emisivitas dan termografi ada di Bab 21. Sensor proses dan transmiter suhu dibahas di Bab 60 · Kelistrikan & Kendali. Tangki air panas beserta kapasitas dan pemulihannya muncul lagi di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas, dan waktu pemanasan serta kehilangan panas tangki di Bab 8 · Fluida & Termal. Bahaya permukaan panas dan uap dibahas di Bab 8 · Keselamatan, dan isolasi energi panas di Bab 4 · Keselamatan.

Latihan dan pembahasan

Kerjakan setiap soal dengan menuliskan batas sistem, tanda, satuan, serta asumsi yang dipakai. Kapasitas termal dalam soal adalah data matematika hipotetis, bukan sifat bahan dari katalog.