Konveksi

Pengantar

Dirimu pernah bermain ke pantai-kah ? Sayang kalau belum. Coba main ke pantai kalau ada waktu. Sekali2 perlu rekreasi, apalagi tiap hari sumpek dengan kehidupan di kota yang hiruk pikuk dan bikin sebel. Udaranya sudah panas, asap kendaraan bertebaran di mana-mana, suara bising lagi bikin kuping juga ikut2an bising

Sambil memandang gulungan gelombang laut yang bergerak perlahan-lahan menuju ke tepi pantai, hembusan angin sepoi-sepoi bikin tubuh terasa segar. Belum lagi pemandangan sunset di sore hari… Apalagi sedang berduaan sama pacar kesayangan… wah, asyik sekali. Hidup serasa milik berdua

Banyak sekali konsep fisika yang bisa dipelajari ketika kita berada di tepi pantai. Salah satunya adalah hembusan angin laut di siang hari dan angin darat di malam hari. Hembusan angin laut di siang hari yang cukup panas membuat kita merasa sangat nyaman. Maunya bikin rumah saja di tepi pantai, biar kalau ada tsunami bisa stress…. hiks2…. Btw, mengapa selalu ada angin di tepi pantai ya ?

KONVEKSI

Selain berpindah tempat dengan cara konduksi, kalor juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain dengan cara konveksi. Konveksi tuh proses berpindahnya kalor akibat adanya perpindahan molekul-molekul suatu benda. Ingat ya, biasanya kalor berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi menuju tempat yang bersuhu rendah. Nah, jika terdapat perbedaan suhu maka molekul2 yang memiliki suhu yang lebih tinggi mengungsi ke tempat yang bersuhu rendah. Posisi molekul tersebut digantikan oleh molekul lain yang bersuhu rendah. Jika suhu molekul ini meningkat, maka ia pun ikut2an mengungsi ke tempat yang bersuhu rendah. Posisinya digantikan oleh temannya yang bersuhu rendah. Demikian seterusnya…

Perlu diketahui bahwa benda yang dimaksudkan di sini adalah zat cair atau zat gas. Walaupun merupakan penghantar kalor (konduktor termal) yang buruk, zat cair dan zat gas bisa memindahkan kalor dengan cepat menggunakan cara konveksi. Contoh zat cair adalah air, minyak goreng, oli dkk. Contoh zat gas adalah udara…

Untuk membantumu memahami perpindahan kalor dengan cara konveksi, Mr.Ozan menggunakan contoh saja…

Proses pemanasan air

Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan. Air yang berada di dalam wadah dipanaskan dengan nyala api yang berasal dari kompor.

Ketika kita memanaskan air menggunakan kompor, kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju dasar wadah (suhu lebih rendah). Karena mendapat tambahan kalor, maka suhu dasar wadah meningkat. Ingat ya, yang bersentuhan dengan nyala api adalah bagian luar dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari bagian luar dasar wadah (yang bersentuhan dengan nyala api) menuju bagian dalam dasar wadah (yang bersentuhan dengan air). Suhu bagian dalam dasar wadah pun meningkat. Karena air yang berada di permukaan wadah memiliki suhu yang lebih kecil, maka kalor mengalir dari dasar wadah (suhu lebih tinggi) menuju air (suhu lebih rendah). Perlu diketahui bahwa perpindahan kalor pada wadah terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air yang berada di permukaannya juga terjadi secara konduksi.

Adanya tambahan kalor membuat air yang menempel dengan dasar wadah mengalami peningkatan suhu. Akibatnya air tersebut memuai. Ketika memuai, volume air bertambah. Karena volume air bertambah maka massa jenis air berkurang. Kalau bingung, ingat lagi persamaan massa jenis alias kerapatan (massa jenis = massa / volume). Massa air yang memuai tidak berubah, yang berubah hanya volumeya saja. Karena volume air bertambah, maka massa jenisnya berkurang. Berkurangnya massa jenis air menyebabkan si air bergerak ke atas (kita bisa mengatakan air tersebut mengapung). Mirip seperti gabus atau kayu kering yang terapung jika dimasukan ke dalam air. Gabus atau kayu kering bisa terapung karena massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air.

Karena bergerak ke atas maka posisi air tadi digantikan oleh temannya yang berada di sebelah atas. Kali ini temannya yang menempel dengan dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari dasar wadah menuju temannya. Temannya ikut2an kepanasan juga (suhu meningkat) sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka ia bergerak ke atas. Posisinya digantikan oleh temannya yang berada di sebelah atas. Demikian seterusnya sampai semua air yang berada dalam wadah mendapat jatah kalor. Ingat ya, air yang memiliki suhu yang tinggi tidak langsung meluncur tegak lurus ke atas tetapi berputar seperti yang ditunjukkan pada gambar. Hal ini disebabkan karena temannya yang berada tepat di atasnya memiliki massa jenis yang lebih besar.

Perpindahan kalor pada proses pemanasan air merupakan salah satu contoh perpindahan kalor secara konveksi.

Catatan :

Pertama, proses perpindahan kalor dengan cara konveksi hanya terjadi dalam air. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air terjadi secara konduksi.

Kedua, seandainya nyala api bersentuhan dengan wadah, maka kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju wadah (suhu lebih rendah) dengan cara konduksi. Sebaliknya, jika nyala api tidak bersentuhan dengan wadah maka kalor mengalir dari nyala api menuju wadah dengan cara radiasi. Mengenai radiasi akan dibahas kemudian.

Ketiga, Jika nyala api cukup besar maka kalor tidak hanya mengalir dari nyala api menuju dasar wadah tetapi juga menuju dinding wadah. Perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara konduksi (apabila nyala api bersentuhan dengan dinding wadah) atau perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara radiasi (apabila nyala api tidak bersentuhan dengan dinding wadah).

Keempat, proses pemanasan air menggunakan pemanas listrik juga mirip dengan kasus di atas. Elemen pemanas memiliki suhu yang lebih tinggi sedangkan air yang berada di sekitarnya memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari elemen pemanas menuju air yang menempel dengannya. Perpindahan kalor dari elemen pemanas menuju air terjadi secara konduksi. Sebaliknya, proses perpindahan kalor dalam air terjadi secara konveksi.

Contoh lain dari perpindahan kalor secara konveksi adalah proses terjadinya angin laut dan angin darat

Angin laut

Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

Kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Akibatnya ketika dipanaskan oleh cahaya matahari pada siang hari, kenaikan suhu daratan lebih besar daripada kenaikan suhu air laut. Kalau bingung baca lagi pembahasan Mr.Ozan mengenai kalor, kalor jenis dan kalor laten. Jadi walaupun mendapat jatah kalor yang sama dari matahari, daratan lebih cepat panas (suhu lebih tinggi) daripada air laut (suhu air laut lebih rendah).

Daratan yang sudah kepanasan tadi memanaskan udara yang berada tepat di atasnya sehingga suhu udara pun meningkat. Karena mengalami peningkatan suhu maka udara memuai. Ketika memuai, volumenya bertambah. Akibatnya massa jenis udara berkurang. Karena massa jenis udara berkurang, maka udara tersebut bergerak ke atas (1). Posisi udara yang bergerak ke atas tadi digantikan oleh udara yang berada di atas permukaan laut. Hal ini disebabkan karena massa jenis udara yang berada di atas permukaan laut lebih besar. Ketika bergerak ke darat, posisi udara tadi digantikan oleh temannya yang berada tepat di atasnya (2)

Sampai pada ketinggian tertentu, udara panas yang bergerak ke atas mengalami penurunan suhu. Ingat ya, ketika suhu udara menurun, volume udara juga berkurang. Berkurangnya volume udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Akibatnya, udara yang sudah mendingin tadi meluncur ke bawah untuk menggantikan posisi udara yang kabur dari permukaan laut (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dirimu menyebutnya dengan julukan angin laut. Di sebut angin laut karena udara yang berada di atas permukaan air laut melakukan pengungsian massal menuju darat. Angin laut hanya terjadi pada siang hari… Kalau malam hari kasusnya sudah berbeda.

Angin darat

Ketika malam tiba, daratan lebih cepat dingin daripada air laut. Dengan kata lain, pada malam hari, suhu daratan lebih rendah daripada suhu air laut. Hal ini disebabkan karena kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Walaupun jumlah kalor yang dilepaskan oleh daratan dan air laut sama, tetapi karena kalor jenis daratan lebih kecil daripada kalor jenis air laut, maka penurunan suhu yang dialami oleh daratan lebih besar daripada air laut. Ingat saja rumus Q = (m)(c)(deltaT). Jika bingung berlanjut silahkan pelajari kembali pokok bahasan kalor, kalor jenis dan kalor laten.

Air laut yang memiliki suhu lebih tinggi menghangatkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas permukaan laut meningkat. Peningkatan suhu udara menyebabkan massa jenis udara berkurang sehingga udara bergerak ke atas (1)

Daratan yang memiliki suhu lebih rendah mendinginkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas daratan menurun. Penurunan suhu udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Udara yang berada di atas daratan segera meluncur ke laut (2)

Sampai pada ketinggian tertentu, udara yang bergerak ke atas mendingin (suhunya menurun). Penurunan suhu menyebabkan massa jenis udara bertambah. Si udara pun meluncur ke bawah, menggantikan posisi udara yang meluncur ke laut tadi (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dirimu menyebutnya dengan julukan angin darat. Di sebut angin darat karena udara yang berada di daratan melakukan pengungsian massal menuju laut. Angin darat hanya terjadi pada malam hari…..

Catatan :

Pertama, meningkatnya suhu daratan dan lautan yang terjadi pada siang hari merupakan korban dari perpindahan kalor secara radiasi (Daratan dan air laut mendapat sumbangan kalor dari matahari). Mengenai radiasi akan dibahas kemudian.

Kedua, perpindahan kalor dari daratan atau air laut menuju udara yang berada di atasnya terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor secara konveksi hanya terjadi pada udara saja.

Ketiga, angin adalah udara yang bergerak. Berdasarkan kasus angin darat dan angin laut di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa terjadinya angin disebabkan karena adanya perbedaan suhu udara. Jadi angin sebenarnya merupakan korban dari proses perpindahan kalor secara konveksi. Coba bayangkan, apa yang terjadi jika perbedaan suhu udara sangat tinggi ? Badai pun datang melanda, membuat atap rumah ikut2an kabur bersama angin.

Cerobong Asap

Pernah lihat cerobong asap ? yang tinggal di kota pasti pernah lihat cerobong asap pabrik… mengapa asap bisa bergerak naik melalui cerobong ? emang dari sono-nya dah begitu kok… yee… anak SD juga bisa jawab kayak gini Asap hasil pembakaran memiliki suhu tinggi. Karena suhunya tinggi, maka asap tersebut memuai. Ketika memuai, volume asap bertambah (massa asap tidak berubah, yang berubah hanya volumenya saja). Bertambahnya volume asap membuat massa jenisnya berkurang. Akibatnya si asap pun meluncur ke atas….

Mengapa asap hasil pembakaran cenderung bergerak ke atas ?

Kasusnya mirip dengan asap pabrik yang meluncur melalui cerobong asap…

Contoh yang lain dipikirkan sendiri ya… Jalan ceritanya sama saja seperti yang telah Mr.Ozan jelaskan panjang lebar di atas. Btw, contoh yang telah Mr.Ozan ulas di atas merupakan proses perpindahan kalor dengan cara konveksi yang terjadi secara alami. Ada juga konveksi yang dipaksakan. mmm… apa ya… Oya, kalau punya persoalan berkaitan dengan perpindahan kalor secara konveksi, baik yang terjadi secara alami maupun dipaksakan, silahkan masukan melalui kolom komentar. Nanti baru Mr.Ozan bahas…. Dah ngantuk, pingin tidur

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

www.gurumuda.com