Rumus perpindahan panas, beserta pengertian, jenis, dan contoh soal

Rumus perpindahan panas

foto: freepik.com

1. Rumus perpindahan panas secara konduksi.

Perpindahan panas melalui benda padat tanpa disertai perpindahan zat. Contohnya, saat kita memegang sendok yang dicelupkan ke dalam air panas, sendok akan menjadi panas karena menerima panas dari air. Rumus laju perpindahan panas secara konduksi adalah:

Q/t = kA(T2 − T1)/x

Keterangan:

Q/t adalah laju perpindahan panas (Watt)

k adalah koefisien konduktivitas termal (Watt/meter.Kelvin)

A adalah luas penampang benda (meter persegi)

T2−T1 adalah selisih suhu antara kedua ujung benda (Kelvin)

x adalah jarak antara kedua ujung benda (meter)

2. Konveksi.

Perpindahan panas melalui zat cair atau gas yang disertai perpindahan zat itu sendiri karena adanya perbedaan massa jenis akibat pemanasan. Contohnya, saat kita memanaskan air di dalam panci, air yang lebih panas akan naik ke atas dan air yang lebih dingin akan turun ke bawah, sehingga terjadi aliran konveksi. Rumus laju perpindahan panas secara konveksi adalah:

Q/t = hA(T2 − T1)

Keterangan:

Q/t adalah laju perpindahan panas (Watt)

h adalah koefisien konveksi (Watt/meter persegi.Kelvin)

A adalah luas permukaan benda yang bersentuhan dengan zat cair atau gas (meter persegi)

T2−T1 adalah selisih suhu antara benda dan zat cair atau gas (Kelvin)

3. Radiasi.

Perpindahan panas tanpa memerlukan zat perantara, melainkan melalui gelombang elektromagnetik. Contohnya, saat kita berjemur di bawah matahari, kita akan merasakan panas dari sinar matahari yang merupakan radiasi panas. Rumus laju perpindahan panas secara radiasi adalah:

Q/t = σeAT^4

Keterangan:

Q/t adalah laju perpindahan panas (Watt)

σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann (5,67×10−8 Watt/meter persegi. Kelvin pangkat empat)

e adalah emisivitas benda (nilai antara 0 dan 1)

A adalah luas permukaan benda yang memancarkan atau menyerap radiasi (meter persegi)

T adalah suhu absolut benda (Kelvin)

Contoh soal rumus perpidahan panas dan pembahasannya

foto: freepik.com

Soal 1

Sebuah batang besi dengan panjang 1 meter, luas penampang 0,01 meter persegi, dan koefisien konduktivitas termal 80 Watt/meter.Kelvin, memiliki ujung A dengan suhu 100°C dan ujung B dengan suhu 50°C. Berapakah laju perpindahan panas melalui batang besi tersebut?

Jawab:

Pertama, kamu harus mengubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu ujung A adalah 373 Kelvin dan suhu ujung B adalah 323 Kelvin. Selanjutnya, dapat menghitung laju perpindahan panas dengan rumus konduksi:

Q/t = kA(T2 − T1)/x
Q/t = 80 × 0,01 × (323−373)/1
Q/t = −40 Watt

Jadi, laju perpindahan panas melalui batang besi tersebut adalah -40 Watt. Nilai negatif menunjukkan bahwa arah perpindahan panas adalah dari ujung B ke ujung A.

Soal 2

Sebuah bola logam dengan jari-jari 0,1 meter dan koefisien konveksi 20 Watt/meter persegi.Kelvin, dimasukkan ke dalam air mendidih dengan suhu 100°C. Jika suhu bola logam awalnya adalah 20°C, berapakah laju perpindahan panas yang dialami bola logam tersebut?

Jawab:

Pertama, ubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu air mendidih adalah 373 Kelvin dan suhu bola logam awalnya adalah 293 Kelvin. Selanjutnya, harus menghitung luas permukaan bola logam dengan rumus:

A = 4πr^2
A = 4 × 3,14 × 0,1^2
A = 0,1256 meter persegi

Kemudian, kita dapat menghitung laju perpindahan panas dengan rumus konveksi:

Q/t = hA(T2 − T1)

Q/t = 20 × 0,1256 ×(373−293)
Q/t = 200,8 Watt

Jadi, laju perpindahan panas yang dialami bola logam tersebut adalah 200,8 Watt.

Soal 3

Sebuah bola besi dengan jari-jari 0,1 meter, emisivitas 0,8, dan suhu 100°C, memancarkan radiasi panas ke sekitarnya. Berapakah laju perpindahan panas yang dipancarkan bola besi tersebut?

Jawab:

Pertama, kita harus mengubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu bola besi adalah 373 Kelvin. Selanjutnya, kita harus menghitung luas permukaan bola besi dengan rumus:

A = 4πr^2
A = 4 × 3,14 ×0,1^2
A = 0,1256 meter persegi

Kemudian, kita dapat menghitung laju perpindahan panas dengan rumus radiasi:

Q/t = σeAT^4
Q/ t = 5,67 × 10^−8 × 0,8 × 0,1256 × 3734
Q/t = 62,9 Watt

Jadi, laju perpindahan panas yang dipancarkan bola besi tersebut adalah 62,9 Watt.

Soal 4

Sebuah kamar mandi memiliki luas dinding dan plafon sebesar 20 meter persegi. Dinding dan plafon kamar mandi terbuat dari bahan yang memiliki koefisien konduktivitas termal 0,5 Watt/meter.Kelvin dan tebal 0,05 meter. Jika suhu di dalam kamar mandi adalah 30°C dan suhu di luar kamar mandi adalah 20°C, berapakah laju perpindahan panas dari dalam ke luar kamar mandi melalui dinding dan plafon?

Jawab:

Pertama, kamu harus mengubah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu di dalam kamar mandi adalah 303 Kelvin dan suhu di luar kamar mandi adalah 293 Kelvin. Selanjutnya, hitung laju perpindahan panas dengan rumus konduksi:

Q/t = kA(T2 − T1)/x
Q/t = 0,5 × 20 ×(293−303)/0,05
Q/t = −2000 Watt

Jadi, laju perpindahan panas dari dalam ke luar kamar mandi melalui dinding dan plafon adalah -2000 Watt. Nilai negatif menunjukkan bahwa arah perpindahan panas adalah dari dalam ke luar kamar mandi.

Soal 5

Sebuah kotak es berbentuk kubus dengan sisi 1 meter dan emisivitas 0,9, diletakkan di bawah sinar matahari dengan intensitas 1000 Watt/meter persegi. Jika suhu kotak es adalah 0°C dan suhu lingkungan adalah 25°C, berapakah laju perpindahan panas yang dialami kotak es akibat radiasi matahari dan lingkungan?

Jawab:

Ubahlah suhu dari °C ke Kelvin dengan menambahkan 273. Maka suhu kotak es adalah 273 Kelvin dan suhu lingkungan adalah 298 Kelvin. Selanjutnya, kita harus menghitung luas permukaan kotak es dengan rumus:

A = 6s^2
A = 6 × 1^2
A = 6 meter persegi

Kemudian, hitunglah laju perpindahan panas yang dipancarkan oleh kotak es dengan rumus radiasi:

Q/t = σeAT^4
Q/t = 5,67 × 10^−8 × 0,9 × 6 × 273^4
Q/t = −156,7 Watt

Nilai negatif menunjukkan bahwa kotak es memancarkan radiasi panas ke lingkungan.

Selanjutnya, kita harus menghitung laju perpindahan panas yang diserap oleh kotak es dari radiasi matahari dan lingkungan. Radiasi matahari memiliki intensitas 1000 Watt/meter persegi, sedangkan radiasi lingkungan dapat dihitung dengan rumus radiasi:

Q/t = σeAT^4
Q/t = 5,67 × 10^−8 × 0,9 × 6 × 298^4
Q/t = 206,3 Watt

Maka laju perpindahan panas yang diserap oleh kotak es dari radiasi matahari dan lingkungan adalah:

Q/t = IA + Q/tlingkungan
Q/t = 1000 × 6 + 206,3
Q/t = 6206,3 Watt

Jadi, laju perpindahan panas yang dialami kotak es akibat radiasi matahari dan lingkungan adalah:

Q/ttotal = Q/tpancar + Q/tserap
Q/ttotal = −156,7 + 6206,3
Q/ttotal = 6049,6 Watt

Nilai positif menunjukkan bahwa kotak es menerima lebih banyak radiasi panas daripada yang dipancarkannya.