Heat Transper pada bumi

Admin akan menyempurnakan dan memindahkan artikel pada blog ini  secara bertahap ke : 

http://materimentor.blogspot.co.id/

1.1  Konsep Dasar Aliran Panas

Konduksi

Perpindahan panas dari partikel yang berenergi lebih besar menuju ke partikel dengan energi yang lebih kecil, sehubungan dengan hubungan antar partikel (perpindahan panas tanpa diikuti perpindahan zat perantaranya)

Contoh: perpindahan panas pada batang besi

Temperatur tinggi à energi molekul tinggi à

Terjadi transfer panas

q = k A DT / Dx

dimana:
q = laju perpindahan kalor
DT / Dx = gradien suhu ke arah perpindahan kalor
k =  konduktivitas atau kehantaran termal benda
A = luas permukaan

Konveksi

Perpindahan panas yang diikuti oleh zat perantaranya. Konveksi terbagi dua yaitu : konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan mencampur berlangsung sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien temperatur maka disebut konveksi bebas. Dan bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas maka prosesnya disebut dengan konveksi paksa. Keefektifan perpindahan kalor konveksi tergantung sebagian besarnya pada gerakan mencampur fluida.

Contoh: Konveksi bebas pada alat penukar panas (heat exchanger) dan aliran air pada radiator panas, konveksi pada saat merebus air, meniup teh yang panas dan pemanasan air yang disertai pengadukan merupakan konveksi paksa,

q = h A DT

dimana:
q =  laju perpindahan kalor
h = koefisien perpindahan kalor konveksi
A = Luas Permukaan
DT = Beda temperature

Radiasi

Radiasi panas adalah pancaran gelombang elektromagnetik dari permukaan atau gas yang beradiasi yang mempunyai temperatur tinggi Radiasi panas tidak membutuhkan media penghantar seperti halnya pada konduksi atau konveksi panas. Media yang berada antara sumber radiasi panas dengan penerima panas menurunkan intensitas radiasi panas karena adanya penyerapan radiasi panas oleh media itu. Perpindahan panas radiasi terjadi dari sumber panas pada temperatur tinggi ke penerima panas dengan temperatur yang lebih rendah yang dibatasi oleh ruang yang transparan

Contoh: radiasi panas dari api unggun, pemanasan bumi oleh sinar matahari

q = e A s (T_s⁴ - T_sur⁴)
q = laju perpindahan kalor
e = emisivitas termal
A = luas permukaan
s = Konstanta Steven-Boltzman
(T_s⁴ - T_sur⁴) = Beda temperatur

1.2  Hukum Fourier Mengenai Konduksi

Hukum Fourier menyatakan bahwa laju perpindahan kalor dengan sistem konduksi dinyatakan dengan :

• Gradien temperatur dalam arah-x dinyatakan dengan, dT/ dx.
• Luas perpindahan kalor arah normal pada arah aliran kalor, A.

Rumus hukum Fourier:

Dimana:

Qx  = laju perpindahan kalor ( Watt ),

k     = konduktivitas thermal, merupakan sifat material (W/m.C),

A     = luas penampang yang tegak lurus denga arah laju perpindahan kalor (m2)

dT/dx = Gradien temperatur dalam arah x (C/m),

Alasan pemberian tanda minus (-) pada rumus konduksi hukum Fourier, seperti diilustrasikan sebagai berikut :

·         Jika temperatur menurun pada arah-x positif, dT/dx adalah negatif ; kemudian Q_x menjadi nilai positif dikarenakan kehadiran dari tanda negatif, sehingga laju kalor berada pada arah-x positif.

·         Jika temperatur meningkat pada arah-x positif, dT/dx adalah positif, Q_x berubah menjadi negatif, dan aliran kalor berada pada arah-x adalah negatif, sebagaimana diilustrasikan pada gambar berikut. Q_x merupakan nilai positif, aliran kalor berada pada arah-x positif, dan sebaliknya.

1.3  Aliran Panas Pada Bumi

Pada dasarnya sistim panas bumi terbentuk sebagai hasil perpindahan panas dari suatu  sumber  panas  ke  sekelilingnya. Perpindahan panas secara konduksi terjadi melalui batuan,  sedangkan perpindahan panas secara konveksi terjadi karena adanya kontak antara air dengan suatu sumber panas.

Perpindahan panas secara konveksi pada dasarnya terjadi karena gaya apung (bouyancy). Sedangkan radiasi, sebagian besar panas bumi diperoleh dari sumber yang berasal dari luar (yaitu matahari).

Nilai dari aliran panas oleh konduksi silang di lapisan tipis bergantung dengan

•      Perbedaan suhu antar lapisan (∆T)

•      Tebal lapisan (∆z)

•      Yang mana perpindahan panas berlangsung (yang ditentukan dengan konduktivitas termal k).

Teori konduksi panas memungkinkan kita untuk menentukan distribusi temperatur di suatu wilayah tertentu, informasi tentang suhu atau fluks panas pada batas-batas wilayah dan sumber-sumber produksi panas pada suatu daerah. Secara umum, kita juga bisa menggunakan teori untuk menentukan variasi waktu dalam distribusi temperatur. Pertama kali kita membahas teori untuk kasus yang sederhana di mana panas yang ditransfer dalam satu arah saja dan tidak ada variasi waktu (steady state) dalam suhu atau aliran panas. dasar persamaan teori perpindahan panas konduktif adalah pernyataan matematis konservasi energi; persamaan dapat diturunkan sebagai berikut.

Tinjau ketebalan lempengan yang sangat kecil yitu δy, Fluks panas keluar dari q slab (y + δy) melintasi permukaan slab yang terletak pada y + δy, dan fluks panas q (y) melintasi permukaan yang terletak di y. Aliran panas dari slab per satuan waktu dan per satuan luas dari

permukaan slab, merupakan

Karena δy adalah sangat kecil, kita dapat mempresentasikan q (y + δy) dalam deret Taylor sebagai

Sehingga diperoleh :

Jika H adalah tingkat produksi panas per satuan massa, jumlah panas yang dihasilkan dalam lempengan per satuan waktu dan per satuan luas permukaan slab adalah

di mana ρ adalah densitas slab

Persamaan ini dapat diintegrasikan untuk menentukan temperatur sebagai fungsi dari posisi y sekali daerah bunga dan kondisi batas yang sesuai telah ditetapkan. Sehingga kita dapat mengetahui skema aliran panas pada permukaan bumi.

Daftar Pustaka

Gerald Schubert dan Donald L. T, Geodynamics, Cambriddge.

Harjumi dkk, 2012, Geodinamika, www.slideshare.net/harjumi/geodinamika‎

Etty Herfiyana Susanti, Struktur lapisan bumi, ml.scribd.com/doc/ 129850394/geofisika-bumi-doc‎. Diakses pada 23 April 2014 jam 13.43