Kalkulator Perpindahan Panas

Konduktivitas termal (k) menentukan seberapa mudah suatu bahan menghantarkan panas:

• tembaga 385 W/m·K
• aluminium 205
• baja 50
• kaca 1,0
• bata 0,6-1,0
• kayu 0,12-0,17
• isolasi fiberglass 0,04
• aerogel 0,013

Nilai k yang lebih rendah berarti isolasi yang lebih baik. Untuk dinding komposit, ketahanan termal total R_total = Σ(d/k) untuk setiap lapisan.

Dinding dengan drywall 1/2 inci (R-0,45), fiberglass batt 3,5 inci (R-13), kayu lapis 1/2 inci (R-0,63), dan papan busa 1 inci (R-5) memiliki R_total ≈ 19. Aliran panas Q = A × ΔT / R_total: untuk dinding seluas 200 kaki persegi dengan perbedaan suhu 50°F, Q = 200 × 50 / 19 = 526 BTU/jam.

Meningkatkan isolasi dari batt R-13 ke R-19 mengurangi kehilangan panas sekitar 25%.

Koefisien konveksi h bergantung pada jenis fluida, kecepatan, geometri, apakah alirannya paksa atau alami. Nilai tipikal:

• konveksi alami di udara 5-25 W/m²·K
• udara paksa (kipas) 25-250
• konveksi alami air 100-1.200
• konveksi paksa air 500-10.000
• air mendidih 2.500-25.000

Pendingin elektronik mengandalkan konveksi paksa — CPU yang menghasilkan 100W dengan luas pendingin 0,01 m² dan h = 100 W/m²·K (pendingin kipas biasa) menghasilkan kenaikan suhu ΔT = Q/(hA) = 100/(100×0,01) = 100°C di atas suhu sekitar — menjelaskan mengapa CPU performa tinggi membutuhkan pendingin besar, pipa panas, atau pendingin cair untuk mempertahankan suhu yang dapat diterima.

Semua benda memancarkan radiasi termal yang sebanding dengan T⁴ (suhu absolut dalam Kelvin). Hukum Stefan-Boltzmann memberikan daya yang dipancarkan: Q = εσAT⁴, dengan ε adalah emisivitas (0 untuk pemantul sempurna, 1 untuk benda hitam sempurna), σ = 5,67×10⁻⁸ W/m²·K⁴.

Tubuh manusia (luas permukaan ≈ 1,7 m², suhu kulit 33°C = 306K, ε ≈ 0,97) memancarkan sekitar Q = 0,97 × 5,67×10⁻⁸ × 1,7 × 306⁴ = 817W. Namun, tubuh juga menyerap radiasi dari lingkungan — pada suhu kamar (20°C = 293K), radiasi yang diserap adalah sekitar 720W, sehingga kehilangan radiasi bersih adalah sekitar 97W (sekitar 20% dari keluaran panas metabolisme saat istirahat).

Inilah alasan mengapa Anda merasa dingin saat berada di dekat jendela pada musim dingin — permukaan kaca yang dingin (5-10°C) memancarkan panas jauh lebih sedikit kembali ke Anda dibandingkan dinding yang hangat, menciptakan kehilangan panas radiatif bersih yang Anda rasakan seperti tiupan angin bahkan tanpa adanya pergerakan udara.

Untuk menghitung kehilangan panas konduktif melalui dinding, gunakan hukum Fourier: Q = (k × A × ΔT) / d, dengan Q adalah laju perpindahan panas dalam watt (W), k adalah konduktivitas termal dalam W/m·K, A adalah luas dalam m², ΔT adalah perbedaan suhu dalam kelvin (atau derajat Celsius, karena selangnya identik), dan d adalah ketebalan dalam meter.

Sebagai contoh, lapisan insulasi 0,2 m dengan k = 0,04 W/m·K, A = 20 m², dan ΔT = 25 °C menghasilkan Q = (0,04 × 20 × 25) / 0,2 = 100 W. Secara setara, menggunakan resistansi: R = d/k = 5 m²·K/W, sehingga Q = A × ΔT / R = 20 × 25 / 5 = 100 W. Kedua cara tersebut menghasilkan nilai yang sama.

NIST menerbitkan data referensi standar konduktivitas termal yang digunakan untuk memvalidasi masukan ini.

Laju perpindahan panas (Q) diukur dalam watt (W), di mana 1 W = 1 joule per detik, sesuai sistem SI yang dikelola oleh BIPM. Konduktivitas termal (k) menggunakan W/m·K, dan koefisien konveksi (h) menggunakan W/m²·K.

Resistansi termal (Nilai R) adalah m²·K/W dalam satuan SI, tetapi produk bangunan di AS sering kali menggunakan nilai R imperial dalam ft²·°F·hr/BTU. Untuk mengonversinya, 1 nilai R SI (m²·K/W) kira-kira setara dengan 5,678 unit nilai R imperial. Nilai U (transmisi termal) adalah kebalikannya, yaitu W/m²·K, sehingga nilai U sebesar 0,2 bersesuaian dengan R = 5 m²·K/W.

Karena kelvin dan Celsius memiliki besar derajat yang sama, perbedaan suhu bernilai sama persis pada keduanya. Brosur NIST dan SI mendefinisikan satuan-satuan ini secara tepat.

Nilai R dan nilai U adalah kebalikan sederhana: U = 1/R dan R = 1/U. Nilai R (resistansi termal) mengukur seberapa kuat suatu bahan menahan aliran panas, sehingga semakin tinggi semakin baik untuk insulasi; nilai U (transmisi termal) mengukur seberapa mudah panas melewatinya, sehingga semakin rendah semakin baik.

Sebagai contoh, dinding dengan R = 5 m²·K/W memiliki U = 1/5 = 0,2 W/m²·K. Ketika lapisan-lapisan ditumpuk, jumlahkan nilai R terlebih dahulu: R_total = R1 + R2 + R3, lalu balikkan nilainya sekali di akhir untuk mendapatkan U_total.

Jangan pernah merata-rata nilai U secara langsung untuk lapisan-lapisan yang disusun seri, karena nilai resistansinya yang dijumlahkan, bukan nilai transmisinya. Hubungan timbal balik ini, yang dijelaskan dalam referensi ASHRAE dan Encyclopaedia Britannica mengenai termodinamika bangunan, mendasari setiap perhitungan amplop bangunan.

Untuk menentukan ukuran peralatan pemanas dan pendingin, para insinyur mengonversi laju kehilangan panas ke dalam satuan BTU per jam (BTU/hr). Faktor konversinya adalah 1 watt ≈ 3,412 BTU/hr, nilai yang konsisten dengan definisi unit energi NIST. Jadi, dinding yang kehilangan 100 W akan kehilangan 100 × 3,412 = 341,2 BTU/hr.

Dalam bentuk imperial, kehilangan panas adalah Q = U × A × ΔT dengan U dalam BTU/(hr·ft²·°F), A dalam ft², dan ΔT dalam °F. Perkiraan beban panas seluruh rumah menjumlahkan kehilangan melalui dinding, jendela, atap, lantai, dan infiltrasi udara; kontraktor HVAC biasanya mengikuti metode ACCA Manual J.

Kelebihan kapasitas peralatan membuang-buang energi dan menyebabkan siklus pendek (short-cycling), sementara kekurangan kapasitas gagal pada kondisi hari ekstrem rancangan, itulah sebabnya total BTU/hr yang akurat sangat penting sebelum memilih tungku pemanas (furnace) atau pompa panas.

Untuk menemukan ketebalan insulasi yang diperlukan guna mencapai target nilai R, ubah rumus R = d/k menjadi d = R × k, di mana d adalah ketebalan dalam meter, R adalah target resistansi termal dalam m²·K/W, dan k adalah konduktivitas termal bahan dalam W/m·K.

Sebagai contoh, untuk mencapai R = 5 dengan fiberglass (k = 0,04 W/m·K), Anda membutuhkan d = 5 × 0,04 = 0,2 m (20 cm). Beralih ke bahan berkinerja lebih tinggi akan menurunkan ketebalan yang diperlukan: poliisocyanurate kaku (k ≈ 0,023) mencapai R = 5 yang sama dalam d = 5 × 0,023 = 0,115 m (11,5 cm).

Inilah sebabnya mengapa susunan yang padat mengutamakan bahan dengan nilai k yang rendah. Nilai konduktivitas termal harus berasal dari sumber yang valid seperti NIST atau data uji produsen sesuai ASTM C518.

Untuk panas yang dikonduksikan secara seri melalui lapisan yang bertumpuk, resistansi total adalah jumlah dari masing-masing resistansi: R_total = R1 + R2 + ... + Rn, di mana R setiap lapisan adalah d/k. Anda juga harus menyertakan resistansi lapisan udara interior dan eksterior, yang oleh HyperPhysics (Georgia State University) dianggap sebagai resistansi seri tambahan.

Pertimbangkan dinding yang terdiri dari drywall 0,012 m (k = 0,17, R = 0,071), fiberglass 0,09 m (k = 0,04, R = 2,25), dan kayu lapis 0,012 m (k = 0,12, R = 0,10): R_total = 0,071 + 2,25 + 0,10 = 2,42 m²·K/W, yang menghasilkan U = 1/2,42 = 0,413 W/m²·K.

Untuk jalur paralel, seperti tiang rangka (stud) di samping insulasi, resistansinya bergabung secara berbeda dan penjembatanan termal (thermal bridging) melalui rangka akan menurunkan nilai R rakitan efektif.

Analisis perpindahan panas muncul di hampir setiap disiplin ilmu teknik. Dalam sains bangunan, perhitungan nilai R dan nilai U digunakan untuk menentukan ukuran insulasi dan memenuhi kode energi seperti yang direferensikan oleh ASHRAE 90.1. Dalam bidang elektronik, model konveksi dan konduksi menjaga CPU, transistor daya, dan susunan LED agar tetap berada di bawah batas suhu persimpangan (junction temperature), sebuah praktik desain yang dirinci oleh literatur manajemen termal IEEE.

Insinyur otomotif dan dirgantara menentukan ukuran radiator, intercooler, dan saluran pendingin turbin. Industri proses merancang penukar panas cangkang-dan-tabung (shell-and-tube heat exchangers) menggunakan metode beda suhu rata-rata logaritmik (LMTD). Bahkan rantai dingin keamanan pangan dan farmasi bergantung pada pemodelan konduksi dan konveksi untuk mempertahankan produk dalam kisaran suhu yang aman.

Khan Academy dan Encyclopaedia Britannica menyediakan pengantar yang mudah dipahami tentang bagaimana ketiga mekanisme yang sama ini berskala dari cangkir kopi hingga pembangkit listrik.

• Kesalahan yang paling sering terjadi adalah mencampur sistem satuan, misalnya menggabungkan konduktivitas termal SI (W/m·K) dengan luas imperial (ft2); selalu konversikan semuanya ke dalam satu set satuan yang konsisten sebelum menghitung.
• Kesalahan kedua adalah merata-rata nilai U untuk lapisan secara seri alih-alih menjumlahkan nilai R terlebih dahulu, yang membuat kinerja insulasi terlihat lebih tinggi dari aslinya.
• Ketiga, banyak perkiraan yang mengabaikan resistansi lapisan udara interior dan eksterior, sehingga meremehkan nilai R yang sebenarnya.
• Keempat, orang sering melupakan penjembatanan termal (thermal bridging) melalui tiang rangka, balok lantai, dan pengencang, yang dapat mengurangi nilai R efektif dinding sebesar 15 hingga 40 persen.
• Terakhir, suku radiasi menggunakan suhu absolut dalam kelvin yang dipangkatkan empat (T⁴), sehingga penggunaan Celsius di bagian tersebut akan menghasilkan kesalahan besar; selalu konversikan ke kelvin sebelum menerapkan hukum Stefan-Boltzmann.

Panduan satuan NIST and BIPM membantu mencegah kekeliruan ini.