Konveksi

Perpindahan panas konveksi terdiri dari dua mekanisme, yaitu perpindahan energi sebagai akibat dari pergerakan molekuler acak, dan ada juga energi yang dipindahkan oleh pergerakan secara mikrokopis dari fluida. Pergerakan fluida ini dihubungkan dengan kenyataan, bahwa setiap bagian, jumlah besar dari molekul bergerak secara bersama – sama atau sebagai gumpalan. Pergerakan ini dengan adanya gradien temperatur akan menaikan pada perpindahan panas. Karena molekul dalam gumpalan tetap berada pada pergerakan acaknya, perpindahan panas total kemudian merupakan penjumlahan dari transport energi  oleh pergerakan acak molekular dan pergerakan makroskopik dari fluida. Kemudian istilah konveksi biasanya menunjukkan pada kumulatif transport energi.

                Kami khususnya tertarik pada perpindahan panas konveksi yang terjadi antara fluida yang bergerak dan batas permukaan, ketika keduannya berada pada temperatur yang berbeda. Perhatikan pada aliran fluida diatas permukaan yang dipanaskan ditunjukan pada gambar di bawah.

Konsekuensinya interaksi fluida permukaan adalah daerahnya mengembang diatas fluida  yang kecepatanya bervariasi dari nol pada permukaan ke nilai tertentu, U∞, yang berhubungan dengan aliran fluida . daerah ini dikenal sebagai lapisan hidrodinamika atau kecepatan atau lapisan batas. Selanjutnya, jika permukaan dan aliran temperatur berbeda, akan ada daerah fluida di atas yang mempunyai temperatur bervariasi dari Ts pada y = o ke T∞ pada aliran paling luar. Daerah ini disebut lapisan batas termal, mungkin ukurannya bisa lebih kecil, lebih besar atau sama dengan variasi kecepatan. Untuk sembarang persoalan, juka Ts > T∞, perpindahan panas konveksi akan terjadi antara permukaan dengan aliran terluar.

                Perpindahan panas konveksi terjadi oleh kedua cara yaitu pergerakan molekular acak dan pergerakan makroskopik fluida yang berada pada lapisan batas. Kontribusi sebagai akibat pergerakan molekular acak (difusi) umumnya dominan pada daerah dekat permukaan, nyatanya pada interaksi antara permukaan dan fluida, y = o, panas dipindahkan hanya dengan cara mekanisme ini. Kontribusi akibat pergerakan makroskopik sebagai akibat pergerakan fluida dalam gumpalan dari nyatanya bahwa lapisan batas membesar sesuai dengan kemajuan aliran dalam arah x. Penggunaan fenomena lapisan batas adalah sangat penting untuk dimengerti pada perpindahan panas konveksi. Dengan alasan tersebut maka disiplin mekanika fluida akan sangat berperan pada analisis belakangan dari mekanisme konveksi.

                Perpindahan konveksi mungkin dapat dikategorikan tergantung pada keadaan aliran. Kami menyebut konveksi paksa bila aliran disebabkan oleh beberapa cara yang berasal dari luar : fan, pompa, atau tiupan angin. Perbedaan dengan konveksi bebas atau kobveksi alam, di mana aliran fluida disebabkan oleh gaya buoyancy dalam fluida. Cara ini timbul dari adanya variasi masa jenis yang selalu diikuti dengan adanya perbedaan temperatur dalam fluida. Sebuah contoh adalah perpindahan panas konveksi bebas yang terjadi dari jalan aspal yang panas ke udara sekeliling pada hari yang tenang tanpa angin. Udara yang berhubungan dengan jalan aspal mempunyai masa jenis lebih rendah dari pada udara yang lebih dingin berada jauh di atas jalan aspal tersebut. Oleh karena itu terjadi bentuk sirkulasi yang mana udara lebih hangat bergerak ke atas dari jalan aspal dan udara lebih dingin bergerak ke bawah. Tetapi akan lain masalahnya bila ada angin, perpindahan panas dari jalan aspal ke udara seperti di dominasi oleh konveksi paksa, walaupun konveksi bebas tetap berada. Perlu untuk di catat, karena konveksi bebas, perpindahan panas dan khususnya oleh konduksi jarang terjadi di dalam fluida.

GAMBAR

PENGEMBANGAN LAPISAN BATAS DALAM PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI

Kami telah menerangkan, bahwa perpindahan panas konveksi sebagai perpindahan energi terjadi dalam fluida akibat dari efek kombinasi dari konduksi dan pergerakan kasar fluida. Pada umumnya energi yang dipindahkan adalah energi sensibel atau energi dalam dari fluida. Begitu pula pada proses konveksi untuk mana ada, sebagai tambahan, pertukaran panas laten. Pertukaran panas laten ini biasanya dihubungkan dengan perubahan fase antara keadaan cairan dan uap fluida. Dua persoalan khusus yang sangat menarik pada pembahasan ini adalah mendidih dan kondensasi.

                Tanpa memperhatikan cara perpindahan panas konveksi, persamaan laju dinyatakan dalam bentuk:

Dimana q”, flux panas konveksi, (W/m²), adalah berbanding lurus dengan perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida  untuk masing – masing Ts dan T∞. Persamaan ini dikenal sebagai hukum newtonpendinginan, dan konstanta pembanding h (W/m²) adalah menunjukan sebagai koefisien perpindahan panas, konduktansi film, atau koefisien film. Itu mencoba membangunkan dalam besaran tunggal, semua efek yang berpengaruh pada cara terjadinya konveksi. Geometri permukaan, cara dari pergerakan fluida dan sejumlah dari sifat termodinamika dan transport dari fluida. Lebih lanjut setiap mempelajari konveksi akhirnya mengurangi untuk belajar mengenai bagaimana cara menentukan h. Walaupun perhatian pada cara ini diturunkan pada Bab VI, ini sangat penting untuk dicatat bahwa perpindahan panas konveksi akan sering nampak sebagai kondisi batas dalam jawaban pada persoalan konduksi pada Bab II sampai V. Didalam menjawab persoalan itu kami sebelumnya mengasumsikan,  bahwa diketahui dengan menggunakan nilai tipikal diberikan pada tabel di bawah. catatan range dari nilai berhubungan dengan variasi dari proses konveksi.

TABEL

NILAI TIPIKAL KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI