Materi Pindah Panas dan Latihan Soalnya SBMPTN/KULIAH

Pindah panas, sumber: pixabay.com

Lingkup bahasan 

1. Pindah panas 

2. Pindah massa

Kompetensi Dapat menguasai prinsip dasar pindah panas dan pindah massa serta cara perhitungannya secara sistematis dan teliti.

1. Pindah Panas

Ringkasan 

1. Pindah panas dapat terjadi secara konduksi, radiasi dan konveksi, dan terjadinya serentak. 
2. Rumus umum pindah panas: q = UA Δt; untuk konduksi: q = (k/x) A Δt; untuk radiasi: q = AσT4 (pangkat 4)
3. Pindah panas konveksi ada dua macam yaitu konveksi alami dan konveksi buatan. Rumus-rumus yang digunakan berdasarkan hasil percobaan.

Pindah panas banyak terjadi dalam pengolahan pangan, misalnya dalam proses pemasakan, baking, pengeringan, sterilisasi, evaporasi, pendinginan dan pembekuan. Pindah panas merupakan proses dinamis yang secara spontan dipindah dari satu badan ke badan lain yang lebih dingin. 

Pindah panas merupakan energy yang dipindahkan karena perbedaan suhu, adanya pergerakan molekul atau atom-atom. Kecepatan perpindahan panas dipengaruhi oleh besarnya perbedaan suhu antara sumber panas dengan penerima panas, dan jenis media yang dilewati. 

Pindah  panas dapat terjadi pada kondisi steady state (tidak terjadi perubahan suhu), sebagai contohnya pemanasan dan pendinginan kaleng pada retort sterilisasi. Sedangkan pindah panas pada kondisi unsteady state, terjadi perubahan suhu sehingga terjadi perubahan kecepatan pindah panas dan bersifat lebih kompleks.

Pindah panas terjadi dengan tiga cara yaitu konduksi, radiasi dan konveksi. Dalam pindah panas konduksi, energy secara langsung dipindah dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dari molekul dengan energy lebih besar ke molekul dengan energy lebih kecil, dan terjadi kontak langsung. Contoh pindah panas secara konduksi melalui dinding ruang pendingin. Pindah panas secara radiasi terjadi oleh adanya gelombang elektromagnetik, pindah panas terjadi dari sumber radiasi  melalui suatu ruang. Pindah panas secara konveksi terjadi oleh gerakan kelompok molekul dalam suatu cairan. Gerakan kelompok molekul oleh adanya perubahan densitas atau oleh daya gerak dalam cairan. Contoh pemanasan dalm jacketed pan: tanpa pengaduk, perubahan densitas menyebabkan konveksi secara alami, sedangkan adanya pengaduk maka terjadi konveksi buatan. Dalam praktek ketiga jenis pindah panas ini terjadi secara bersama-sama.

a. Pindah panas konduksi

Kecepatan pindah panas secara konduksi = driving force dibagi resistensi. Driving force merupakan perbedaan suhu per unit panjang yang dilewati panas, juga diketahui sebagai perbedaan suhu. Kebalikan resistensi untuk aliran panas disebut konduktan. Sehingga kecepatan pindah panas = driving force x konduktan. 

dQ/dθ = k A dt/dx 

Keterangan:

dQ/dθ: kecepatan pindah  panas ( jumlah panas yang dipindah per satuan

waktu)

k        : konduktivitas panas (thermal conductivity) (J m-1 s-1 OC-1) (maksudnya pangkat min 1)

Q       : panas  (J) 

θ        : waktu  (detik) 

A        : luas ( m2) 

t          : suhu (OC).

Dalam hantaran melalui papan kondisi steady state maka dQ/dθ konstan = q. 

q = (k/x) A Δt (hukum Fourier) 

x : tebal papan  (m)

Hantaran panas yaitu jumlah panas yang lewat per satuan waktu melalui unit area dengan tebal tertentu pada unit perbedaan suhu. Hantaran panas :C = k/x. 

Hantaran panas ada dua macam yaitu secara seri dan parallel. Hantaran panas secara seri bahwa dalam satuan waktu melewati beberapa lapisan bahan yang berbeda. Sedangkan hantran panas secara parallel, dalam waktu yang sama melewati lapisan bahan yang berbeda.

Hantaran panas seri (gambar 2.1).

hantaran panas seri

Hantaran panas parallel (gambar 2.2)

Contohnya dinding isolasi pendingin, oven dan lain-lain biasanya dilengkapi dengan fastener atau bolt yang berupa logam sehingga dapat mempercepat terjadinya pindah panas. Pindah panas pada fastener atau bolt tersebut terjadi secara parallel dengan dinding. 

qa = AaΔt ka/x; qb= AbΔt kb/x 

qc = AcΔt kc/x

Hantaran panas paraller

Pindah panas permukaan 

Hukum  Newton  tentang pendinginan bahwa kecepatan pendinginan permukaan zat padat yang direndam dalam cairan/media pendingin sebanding dengan perbedaan suhu antara suhupermukaan zat padat dan suhu cairan pendingin. 

Pindah Panas permukaan

Kadang-kadang pada permukaan dilapisi dengan komposit atau lapisan-lapisan yang lain sehingga pindah panas melalui permukaan dan lapisan-lapisan lain, sehingga: 

b. Pindah panas radiasi 

Pindah panas radiasi terjadi oleh adanya radiasi gelombang elktromagnetik. Pindah panas inin tidak tergantung pada media yang dilewati, namun dipengaruhi oleh suhu, bentuk (geometric arrangement),struktur permukaan bahan apakah memengeluarkan panas atau menyerap panas. Contohnya radiasi pada oven roti dan  pengering. Rumus dasar pindah panas radiasi  adalah Hukum Stefan Boltzmann untuk benda hitam (black body), ε = 1: 

Pindah panas radiasi

Untuk real body atau grey body termasuk permukaan pangan dan peralatan, tidak semua panas diserap, jadi emisivitas (ε < 1), sehingga rumus menjadi: 

q = ε AσT4

Emisivitas bervariasi tergantung suhu, panjang gelombang radiasi dan keadaan/jenis permukaan bahan. Contoh nilai emisivitas beberapa bahan: 

permukaan hitam buram   : mendekati 1

kertas, kayu, logam dicat : 0,9 

logam kasar                     : 0,25 – 0,7 

logam halus                      : 0,05

Penyerapan panas (absorbsivitas = α). Grey body α = ε. Fraksi radiasi yang tidak diabsorbsi akan direfleksikan, sehingga refleksivitas = 1 – α. 

Radiasi antara 2 badan 

Besarnya panas atau energy rang diradiasikan tergantung suhu, geometric arrangement dan emisivitas. Radiasi terjadi dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin.  

Rumus radiasi antara 2 badan

Radiasi ke badan kecil dari sekitarnya

Dalam hal ini badan relative kecil dibandingkan sekitarnya., mka rumus menjadi: 

Radiasi ke badan kecil dari sekitarnya

Contohnya adalah adonan roti di dalam oven, daging dalam ruang pengering Dari rumus pindah panas radiasi secara umum,

c. Pindah panas konveksi 

Pindah panas secara konveksi merupakan perpindahan energy oleh gerakan massa (gas atau cairan) dari kelompok molekul. Pindah panas konveksi lebih berdasarkan percobaan tidak bisa diprediksi secara matematika. Pindah panas konveksi ada dua macam yaitu konveksi secara alami dan konveksi oleh adanya gaya (konveksi buatan). Besarnya pindah panas konveksi: 

q = hc AΔt

Konveksi alami 

Konveksi alami  terjadi karena perbedaan densitas pada pemanasan atau pendinginan yang disebakan karena fluida kontak langsung dengan permukaan panas atau permukaan dingin sehingga terjadi perubahan densitas dan terjadi gerakan molekul. Contoh bahan dipanaskan dalam oven tanpa adanya fan, bahan direbus kemudian didinginkan di udara , bahan didinginkan dalam pendingin tanpa fan, proses panas pada retort vertical dan horizontal dengan atau tanpa isolasi untuk ambient temperatur. 

Kecepatan konveksi alami ditentukan oleh konstanta fisik fluida, yaitu densitas (ρ), viskositas (µ), koduktivitas panas (k), panas spesifik pada tekanan konstan (cp), koefisien ekspansi panas (β). Untuk gas β = 1/T(Hukum Charles) (T merupakan suhu rata-rata antara ambient temperature dan sushu udara), panjang, diameter, perbedaan suhu dan gravitasi. 

Besarnya koefisien transfer panas konveksi adalah hc, seperti halnya hs dalam pindah panas permukaan.berdasarkan percobaan diperoleh bahwa pindah panas konveksi dijelaskan dalam factor-faktor tanpa dimensi: 

Konveksi buatan 

Konveksi buatan terjadi apabila fluida dilewatkan pada bahan padat, dan panas dipindahkan antara fluida dan bahan padat. Contoh oven roti, blast and fluidizing freezing, hardening room es krim, retort berpengaduk dan lain-lain. Pemanasan dan pendinginan dalam tabung (missal fluida yang dipompakan melalui pipa). Untuk aliran laminar maka Nu = 4. Apabila terjadi turbulensi dengan Re >2100 dan Pr >0,5, maka

Soal-Soal Latihan

Diambil dari:

Tim Pengampu. 2018. MODUL PRINSIP TEKNIK PANGAN DAN HASIL PERTANIAN (Bagian II. PINDAH PANAS DAN PINDAH MASSA). Jember : UNEJ Fakultas Teknologi Pertanian, Jurusan Teknologi Hasil Pertanian

baca juga: Sumber Energi dan Sistem Pembangkit Tenaga beserta Latihan Soal Kuliah/SBMPTN

Share this post