Perpindahan Panas: Konduksi, Konveksi & Radiasi

Tiga cara panas berpindah: konduksi melalui padat, konveksi bersama fluida, dan radiasi tanpa medium. Modul ini membahas hukum Fourier, hukum pendinginan Newton, hukum Stefan-Boltzmann, dan konsep hambatan termal (thermal resistance) untuk perhitungan dinding berlapis.

Mengapa perpindahan panas berbeda dari termodinamika

Termodinamika memberi tahu apakah suatu proses mungkin dan berapa energi yang berpindah. Perpindahan panas (heat transfer) menjawab seberapa cepat dan melalui mekanisme apa. Soal ini sangat praktis: berapa besar radiator yang dibutuhkan? Berapa tebal insulasi yang dibutuhkan pipa uap? Berapa lama kargo beku mencair?

Ada tiga mode perpindahan panas, dan hampir selalu bekerja bersamaan.

Konsep kunci

1. Konduksi — hukum Fourier

Perpindahan panas melalui materi tanpa ada aliran massa; molekul-molekul saling bertukar energi. Berlaku untuk padatan dan fluida yang diam.

q = -k·A · dT/dx        [W]
q" = -k · dT/dx         [W/m²]  (flux panas)

Tanda minus: panas mengalir dari suhu tinggi ke rendah (mengikuti gradien negatif). k = konduktivitas termal (thermal conductivity, [W/m·K]) — sifat material.

Aplikasi insulasi: udara yang terjebak bergerak sangat lambat → konduksi miskin → insulasi fiberglass, batu lunak (rockwool), dan panel berongga semua memanfaatkan udara statis. Di kapal, insulasi ruang pendingin (cold storage) dan A-class division (bulkhead tahan api) bekerja dengan prinsip ini.

2. Konveksi — hukum pendinginan Newton

Perpindahan panas antara permukaan padat dan fluida yang mengalir. Fluida membawa energi secara fisik — sehingga kecepatannya menentukan.

q = h·A·(Ts - T∞)       [W]

h = koefisien perpindahan panas konveksi [W/m²·K], dan T∞ = suhu fluida jauh dari permukaan (free stream).

Dua jenisnya:

Perbedaan besarnya: forced convection bisa puluhan kali lipat natural — alasan kenapa kipas dipasang pada intercooler, dan kenapa kapal selalu lebih dingin saat berlayar cepat.

3. Radiasi — hukum Stefan-Boltzmann

Perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik — tidak butuh medium (itulah kenapa panas matahari sampai ke Bumi melewati hampa).

q = ε·σ·A·(Ts⁴ - Tsurr⁴)     [W]

• σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67×10⁻⁸ W/m²·K⁴
• ε = emisivitas permukaan (0–1; cat hitam ~0,95, aluminium polish ~0,05)
• Suhu dipangkat empat — di suhu rendah radiasi bisa diabaikan, tapi di suhu tinggi (tungku, knalpot, boiler furnace) radiasi mendominasi

Aplikasi di galangan: panel cat gelap di bawah matahari bisa 20–30 °C lebih panas dari yang dicat putih — masalah serius untuk dek besi yang dicat di musim panas, dan untuk dek kayu lantai tanker kimia. Sebaliknya, pipa panas dicat aluminium (ε rendah) untuk mempertahankan panas.

4. Hambatan termal (thermal resistance) — menyatukan semuanya

Analogi dengan hukum Ohm: panas ↔ arus listrik, beda suhu ↔ tegangan, hambatan ↔ resistansi.

R_cond = L / (k·A)        (konduksi melalui dinding datar)
R_conv = 1 / (h·A)        (konveksi di permukaan)
R_rad  = 1 / (h_r·A)      (radiasi, dengan h_r linearisasi)

Untuk dinding berlapis (composite wall) — seri:

Q = ΔT_total / ΣR = (T₁ - T₂) / (R_conv,in + R_cond,1 + R_cond,2 + ... + R_conv,out)

Rangkaian paralel (misalnya framing logam menembus insulasi) sering menjadi jembatan panas (thermal bridge) yang harus dihitung terpisah.

Langkah penyelesaian soal perpindahan panas

1. Identifikasi mode: konduksi saja? konduksi+konveksi? ketiganya?
2. Gambar rangkaian hambatan termal (seperti rangkaian listrik).
3. Tentukan suhu permukaan atau laju panas — mana yang diketahui, mana yang ditanya.
4. Hitung h untuk konveksi (dari korelasi Nusselt — di luar lingkup modul ini, gunakan nilai tabel).
5. Selesaikan Q = ΔT/ΣR untuk dinding berlapis.
6. Cek suhu antar lapisan — penting karena suhu permukaan menentukan kondensasi (dew point) dan pemilihan material.
7. Untuk soal transient (pendinginan/panasan seiring waktu): gunakan lumped capacitance method — bila bilang Bi < 0,1, suhu benda bisa dianggap seragam: T(t) = T∞ + (T₀-T∞)·e^(-hA t/(ρVc)). Bila tidak, gunakan diagram Heisler atau solusi numerik.

Aplikasi di kapal & galangan

• Insulasi ruang pendingin: panel polyurethane berongga menghentikan konduksi; selimut uap (vapour barrier) mencegah uap air mengembun di dalam panel.
• Pendinginan mesin: air laut → heat exchanger plate → air tawar jacket → blok mesin. Seluruhnya permainan konveksi paksa (forced convection).
• Stack dan funnel pembuangan gas buang: suhu 400–500 °C → radiasi ke dek di sekitarnya perlu dihitung; isolasi dan pengaturan jarak.
• Pengelasan & fabrikasi: masukan panas (heat input) menentukan ZAT (HAZ) dan distorsi; perpindahan panas 3D menentukan distorsi sambungan.
• Painting & coating: waktu kering cat tergantung suhu permukaan dek — yang dipengaruhi radiasi matahari langsung.

Ringkasan rumus