Contoh Konduksi Panas

Mengemudi bersama dengan konveksi dan radiasi, salah satu dari tiga mekanisme perpindahan panas. Ini adalah transfer energi dari partikel yang lebih energik dari suatu zat ke yang kurang energik yang berdekatan, sebagai akibat dari interaksi antara partikel-partikel ini. Konduksi dapat terjadi dalam keadaan fisik apa pun, baik itu padat, cair, atau gas. Dalam gas dan cairan, konduksi disebabkan oleh tumbukan dan difusi molekul selama gerakan acak mereka. Dalam padatan itu disebabkan oleh kombinasi getaran molekul dalam kisi dan pengangkutan energi oleh elektron bebas. Misalnya, akan tiba saatnya minuman kaleng dingin di ruangan yang hangat menghangat hingga suhu kamar. sebagai akibat perpindahan panas secara konduksi, dari ruangan ke minuman, melalui aluminium yang membentuk bisa.

Kecepatan konduksi panas melalui media tergantung pada konfigurasi geometris ini, ketebalannya dan bahan pembuatannya, serta perbedaan suhu di seluruh dia. Membungkus tangki air panas dengan fiberglass, yang merupakan bahan isolasi, diketahui dapat mengurangi laju kehilangan panas dari tangki itu. Semakin tebal insulasi, semakin rendah kehilangan panas. Juga diketahui bahwa tangki air panas akan kehilangan panas pada tingkat yang lebih tinggi ketika suhu ruangan tempat ia ditempatkan diturunkan. Juga, semakin besar tangki, semakin besar luas permukaan dan akibatnya tingkat kehilangan panas.

Konduksi panas (yang tetap konstan dan tanpa fluktuasi yang jelas) panas dapat dipertimbangkan melalui dinding datar besar dengan ketebalan x = L dan luas A. Perbedaan suhu dari satu sisi dinding ke sisi lainnya adalah T = T₂-T₁. Eksperimen telah menunjukkan bahwa laju perpindahan panas Q melalui dinding menjadi dua kali lipat ketika perbedaan Suhu ΔT digandakan dari satu ke sisi yang lain, atau jika tidak, luas A yang tegak lurus arah perpindahan panas menjadi dua kali lipat, tetapi menjadi setengahnya jika ketebalan L Dinding. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa Kecepatan Konduksi Panas melalui lapisan datar sebanding dengan perbedaan suhu yang melaluinya dan dengan luas perpindahan panas, tetapi berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan itu; diwakili oleh persamaan berikut:

Dimana konstanta proporsionalitas k adalah Konduktivitas termal bahan, yang merupakan ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas. Dalam kasus pembatas xà0, persamaan sebelumnya direduksi menjadi bentuk diferensialnya:

Manifestasi diferensial disebut Hukum Fourier tentang Konduksi Panas, untuk menghormati J Fourier, yang pertama kali mengungkapkannya dalam teksnya tentang perpindahan panas pada tahun 1822. Bagian dT / dx disebut Gradien Suhu, yang merupakan kemiringan kurva suhu pada diagram T-x, yaitu laju perubahan Suhu terhadap x, ketebalan bahan, di lokasi x. Kesimpulannya, Hukum Fourier tentang Konduksi Panas menunjukkan bahwa laju konduksi panas dalam satu arah sebanding dengan gradien suhu dalam arah itu. Panas dilakukan ke arah penurunan suhu dan gradien suhu menjadi negatif ketika yang terakhir menurun dengan meningkatnya x. Tanda negatif dalam persamaan menjamin bahwa perpindahan panas dalam arah x positif adalah besaran positif.

Area perpindahan panas A selalu tegak lurus dengan arah perpindahan tersebut. Misalnya, untuk kehilangan panas melalui dinding yang panjangnya 5 meter, tinggi 3 meter, dan tebal 25 sentimeter, luas perpindahan panasnya adalah A = 15 meter persegi. Perlu dicatat bahwa ketebalan dinding tidak mempengaruhi A.

Konduktivitas termal

 Keragaman besar bahan menyimpan panas secara berbeda dan sifat Panas Spesifik C telah ditentukan._P sebagai ukuran kemampuan bahan untuk menyimpan energi panas. Misalnya, C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C untuk air, dan 0,45 kJ / Kg * ° C untuk besi, pada suhu kamar, menunjukkan bahwa air dapat menyimpan hampir 10 kali lebih banyak energi daripada besi per satuan massa. Demikian pula, konduktivitas termal k adalah ukuran kemampuan material untuk menghantarkan panas. Misalnya, k = 0,608 W / m * ° C untuk air, dan 80,2 W / m * ° C untuk besi, pada suhu kamar, menunjukkan bahwa besi menghantarkan panas lebih dari 100 kali lebih cepat daripada air. Oleh karena itu, air dikatakan sebagai penghantar panas yang buruk dibandingkan dengan besi, meskipun air merupakan media yang sangat baik untuk menyimpan energi panas.

Dimungkinkan juga untuk menggunakan Hukum Fourier tentang Konduksi Panas untuk mendefinisikan konduktivitas termal sebagai kecepatan perpindahan panas melalui satuan ketebalan bahan per satuan luas per satuan perbedaan suhu. Konduktivitas termal suatu bahan adalah ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas. Nilai konduktivitas termal yang tinggi menunjukkan bahwa bahan tersebut merupakan konduktor panas yang baik, dan nilai yang rendah menunjukkan bahwa bahan tersebut merupakan konduktor yang buruk atau isolasi panas.

Difusivitas termal

 Properti lain dari bahan yang berpartisipasi dalam analisis konduksi panas dalam rezim transisi (atau berubah) adalah difusivitas termal, yang menunjukkan seberapa cepat panas berdifusi melalui material dan didefinisikan sebagai: Lanjutkan:

Menjadi k dari pembilang konduktivitas termal, dan produk dari penyebut kerapatan zat dengan panas spesifik mewakili kapasitas panas. Konduktivitas termal menunjukkan seberapa baik material menghantarkan panas, dan Kapasitas Panas menunjukkan berapa banyak energi yang disimpan material per satuan volume. Oleh karena itu, difusivitas termal suatu material dapat dipahami sebagai rasio antara panas yang dilakukan melalui material dan panas yang disimpan per satuan volume.

Suatu bahan yang memiliki konduktivitas termal yang tinggi atau kapasitas panas yang rendah pada akhirnya memiliki difusivitas termal yang tinggi. Semakin tinggi difusivitas termal, semakin cepat perambatan panas ke medium. Di sisi lain, nilai difusivitas termal yang kecil berarti bahwa, sebagian besar, panas diserap oleh material dan sejumlah kecil panas itu akan dikonduksi lebih lanjut.

Misalnya, difusifitas termal daging sapi dan air adalah identik. Logikanya terletak pada kenyataan bahwa daging, serta sayuran dan buah-buahan segar, sebagian besar terdiri dari air, dan akibatnya memiliki sifat termal.