Pengertian Radiasi, Konveksi, Konduksi dan Rumusnya

Pengertian Radiasi, Konveksi, Konduksi dan Rumusnya - Kalor dapat berpindah dari satu zat ke zat lain, jika terdapat perbedaan temperatur. Cara kalor berpindah pada umumnya terbagi dalam tiga cara, yaitu radiasi, konveksi, dan konduksi. Penjelasan masing-masing perpindahan kalor  tersebut adalah sebagai berikut:

1. Pengertian Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor dari dua sistem dalam keadaan vakum (ruang hampa udara). Contoh yang paling mudah adalah energi kalor yang menjalar dari matahari menembus ruang hampa menuju bumi. Seperti kita ketahui, ruang antara matahari dan bumi berjarak 149 juta kilometer. Ruang tersebut hampa udara atau vakum. Namun demikian energi kalor tetap dapat menjaalar dan sampai ke bumi. Oleh karena itu bumi mendapatkan energi matahari yang sangat berharga.

Manfaat Radiasi bagi Kehidupan

Energi matahari yang sampai ke bumi sekitar 1.000 watt tiap meter persegi permukaan bumi, 300 watt diantaranya dipantulkan kembali dan 700 watt lainnya diserap berbagai tumbuhan untuk fotosintesis, hewan, manusia, lautan dan lain-lain. Jika PLN menjual energi listrik per 1.000 watt jam Rp2.500, maka jika dalam sehari rata-rata kita menerima energi matahari 12 jam, maka artinya kita memperoleh energi gratis setiap hari sebesar Rp21.000 atau dalam sebulan kita menerima Rp630.000 untuk energi matahari setiap meter persegi. Jika rumah kita luasnya 100 meter persegi, maka artinya kita sudah memperoleh energi seharga 63 juta rupiah tiap bulan secara gratis yang diberikan oleh Allah SWT. Untu itu kita patut bersyukur bahwa energi kalor dapat berpindah melalui radiasi.

Dengan demikian, dalam radiasi kalor tidak diperlukan medium atau bahan perantara. Lalu, jika kalor dapat merambat tanpa perantara, melalui apakah kalor dapat tersebar di ruang hampa udara? Kalor dapat tersebar diruang hampa udara melalui gelombang elektromagnetik (EM). Gelombang EM ini dapat merambat tanpa memerlukan medium sama sekali.

Persamaan Laju Perpindahan Kalor Radiasi

Pada tahun 1874, Joseph Stefan melakukan pengukuran terhadap laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Diperoleh bahwa laju perpindahan kalor tersebut sebanding dengan temperatur pangkat empat pada tahun 1879, Ludwig Boltzmann menyempurnakan konsep Stefan sehingga diperoleh persamaan laju perpindahan kalor Stefan-Boltzmann berikut 

Dengan adalah konstanta Stefan-Boltzmann, yang nilainya 5,67 x 10-8 W/m²K². Adapun A menunjukkan luas permukaan benda yang merediasikan kalor dan e adalah konstanta emisivitas yang nilainya 1 untuk benda hitam.

Benda hitam memiliki kemampuan menyerap dan memancarkan energi secara baik. Benda hitam yang memancarkan dan menerima seluruh energi yang dimilikinya disebut “benda hitam sempurna”. Untuk benda-benda bukan hitam, nilai e berkisar antara 0 dan 1. Dari pengalaman sehari-hari, memakai baju hitam terasa lebih panas dibanding memakai baju yang berwarna putih. Hal ini disebabkan karena baju warna hitam menyerap lebih banyak energi kalor matahari dibanding baju putih.

Prinsip Radiasi Kalor

Prinsip radiasi kalor kalor diterapkan dalam banyak peralatan, misalnya termos. Pada termos, kalor dicegah untuk masuk atau keluar melalui ruang vakum dan bahan yang dapat memantulkan gelombang radiasi. Ruang vakum di antara dua tabung berfungsi untuk menyekat kalor dari perpindahan konveksi atau kaca menjaga agar kalor tidak masuk atau keluar melalui cara radiasi.

Selain termos untuk menyimpan air panas, rumah kaca juga menggunakan pengetahuan radiasi kalor. Hal ini karena rumah kaca kalor di dalamnya dijaga supaya tetap dengan cara menjaga kalor dari energi matahari tetap berada di ruangan, baik siang maupun malam hari. Ini terjadi pada saat sinar matahari menyinari ruanagn greenhouse (rumah kaca) yang terbuat dari bahan transparan (kaca atau plastik), seluruh gelombang radiasi dapat menemubus masuk ke dalam. Sebagian dari gelombang yang memiliki panjang gelombang besar dapat  dipantulkan kembali ke luar, namun gelombang radiasi EM yang memiliki panjang gelombang pendek terjebak di dalam ruangan sehingga menghangatkan ruangan. Akibatnya, seakan-akan tumbuhan di dalamnya mendapatkan energi terus-menerus sepanjang siang dan malam. Hal tersebut menyebabkan pertumbuhan tanaman dapat dipercepat.

2. Pengertian Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor dari dua sistem melalui perantara zat yang dapat mengalir, seperti cairan dan udara. Dengan demikian, dalam konveksi diperlukan medium berupa zat yang mengalir, seperti cairan atau udara.

Contoh dari konveksi adalah perpindahan kalor pada air yang sedang dipanaskan. Oleh karena konveksi, kalor dari satu bagian air dapat tersebar secara merata ke bagian lain. Contoh lainnya adalah pada aliran angin. Angin timbul karena perbedaan temperatur antara dua daerah, misalnya antara lautan dan daratan. Pada siang hari yang panas, daratan lebih cepat panas dibanding lautan, sehingga menyebabkan angin bertiup dari lautan ke daratan. Hal ini disebabkan udara di daratan yang lebih panas akan memiliki massa jenis yang rendah sehingga tekanan menjadi kecil. Di sisi lain, lautan yang lebih dingin memiliki massa jenis yang lebih besar dan tekanan yang lebih besar pula. Dengan demikian, udara akan mengalir dari laut ke darat. Hal inilah yang dinamakan angin laut. Pada malam hari, yang terjadi adalah sebaliknya. Udara di daratan lebih cepat dingin sehingga angin bertiup ke lautan, maka disebut angin darat.

Prinsip Konveksi Kalor

Udara di atas permukaan bumi kita juga bersikulasi kerena prinsip konveksi. Udara paling luar lebih dingin. Adapun bagia udara yang lebih dekat ke bumi, lebih hangat. Udara dingin dan lebih besar massa jenisnya akan turun ke permukaan bumi, sedangkan udara yang lebih hangat dan lebih rendah kerapatannya akan naik ke atmosfer. Demikian sirkulasi ini berlangsung sehingga temperatur bumi stabil dan merata.

Persamaan Laju Perpindahan Kalor Konveksi

Laju perpindahan kalor pada proses konveksi dapat dihitung melalui persamaan berikut:

Dengan h merupakan koefisien konveksi. Dari persamaan berikut dapat kita ketahui bahwa semakin besar perbedaan temperatur dari dua zat, maka laju perpindahan kalor secara konveksi semakin cepat pula.

3. Pengertian Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor antara sistem yang bersentuhan langsung akibat perbedaan temperatur. Dengan kata lain, konduksi terjadi karena adanya “gradien temperatur” di antara keduanya. Perbedaan konduksi dan konveksi adalah dalam konduksi, yang menjdai medium perpindahan adalah zat padat. Adapun dalam konveksi, yang menjadi medium perantara perpindahan kalor merupakan zat alir (fluida), yakni udara atau cairan.

Persamaan Laju Perpindahan Kalor Konduksi

Apabila suatu benda, misal kubus memliki dua sisi luas A memeiliki temperatur berbeda T₂ – T₁ = ∆T. Oleh karena perbedaan temperatur ini, maka akan terjadi perpindahan kalor secara konduksi dengan laju perpindahan sebesar:

Besaran ∆T/L ini sering disebut gradien temperatur, dan k adalah koefisien konduktivitas termas  dari benda. Koefisien k menunjukan laju perpindahan kalor yang  besar.

Konduktivitas termal dari bahan sangat penting, misalnya untuk menentukan bahan yang sesuai dengan kebutuhan alat. Untuk alat-alat yang memerlukan perpindahan kalor yang cepat, seperti alat memasak, setrika, dan pemanas air diperlukan bahandengan bahan dengan konduktivitas termal yang besar agar perpindahan cepat terjadi. Namun demikian, pertimbangan lain seperti kekuatan bahan juga penting.