Proses perpindahan

Dalam fisika, kimia, dan teknik, fenomena perpindahan adalah salah satu dari berbagai mekanisme di mana partikel atau kuantitas fisik berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Tiga contoh umum fenomena perpindahan adalah difusi, konveksi, dan radiasi. Tiga jenis utama fenomena perpindahan adalah perpindahan panas, perpindahan massa, dan perpindahan momentum (dinamika fluida).

Satu prinsip penting dalam fenomena perpindahan adalah adanya analogi antar tiap fenomena. Sebagai contoh, massa, energi, dan momentum semua dapat mengalami perpindahan secara difusi:

• Penyebaran atau disipasi bau di udara merupakan contoh difusi massa
• Konduksi panas pada bahan padat adalah contoh difusi panas
• Seretan (drag) yang dialami butiran hujan sewaktu jatuh dalam atmosfer adalah contoh dari difusi momentum (butiran hujan kehilangan momentumnya ke udara sekitar melalui tegangan kental, viscous stress, dan berkurang kecepatannya)

Perpindahan massa, energi, dan momentum juga dipengaruhi faktor-faktor luar:

• Disipasi atau pelesapan bau menjadi lebih lambat jika sumber bau tetap ada
• Laju pendinginan suatu zat padat yang menghantarkan panas tergantung pada apakah sumber panas ada
• Gaya gravitasi yang bekerja terhadap butiran hujan melawan seretan yang disebabkan udara sekitar

Semua pengaruh ini dijelaskan oleh persamaan perpindahan skalar generik. Persamaan yang sama yang mengatur konveksi pada perpindahan panas dapat diterapkan pada konveksi pada perpindahan massa. Sewaktu mempelajari problem fenomena perpindahan yang kompleks, seseorang harus menggunakan mekanika malaran (continuum mechanics) dan kalkulus tensor dan sering kali permasalahan tersebut dapat dijelaskan dengan persamaan diferensial parsial.

Difusi

Ada beberapa kesamaan pada persamaan perpindahan panas, momentum, dan massa[1] semuanya dapat dipindahkan dengan difusi:

• Massa: tersebarnya bau di udara merupakan contoh difusi massa.
• Panas: konduksi panas pada material padat merupakan contoh difusi panas.
• Momentum: drag yang dialami oleh tetesan air hujan di atmosfer merupakan contoh difusi momentum.

Persamaan perpindahan molekuler untuk momentum Hukum Newton, panas Hukum Fourier, dan massa Hukum Fick sangat mirip.[2]

Perbandingan fenomena difusi

Besaran yang berpindah	Fenomena fisika	Persamaan
Momentum	Viskositas (Fluida Newtonian)	${\displaystyle \tau =-\nu {\frac {\partial \rho \upsilon }{\partial x}}}$
Energi	Konduksi panas (Hukum Fourier)	${\displaystyle {\frac {q}{A}}=-k{\frac {dT}{dx}}}$
Massa	Difusi molekuler (Hukum Fick)	${\displaystyle J=-D{\frac {\partial C}{\partial x}}}$

Perpindahan Momentum

Pada perpindahan momentum transfer, fluida dibayangkan sebagai objek yang terdistribusi kontinu. Studi mengenai perpindahan momentum atau mekanika fluida dapat dibedakan menjadi 2 cabang: statika fluida (fluida diam) dan dinamika fluida (fluida bergerak). Ketika fluida bergerak pada arah x paralel dengan permukaan solid, fluida tersebut memiliki momentum pada arah-x dengan konsentrasi υ_xρ. Dengan difusi acak molekul maka ada perpindahan molekul pada arah-z. Maka momentum pada arah-x berpindah ke arah-z dari lapisan yang bergerak lebih cepat ke lapisan yang bergerak lebih lambat. Persamaan perpindahan momentum menurut Hukum Newton tentang Viskositas dapat ditulis sebagai berikut:

${\displaystyle \tau _{zx}=-\nu {\frac {\partial \rho \upsilon _{x}}{\partial z}}}$

dengan τ_zx adalah fluks momentum arah-x pada arah-z, ν is μ/ρ, difusivitas momentum z adalah jarak transport atau difusi, ρ adalah densitas, dan μ adalah viskositas.

Perpindahan massa

Ketika sistem berisi 2 atau lebih komponen yang konsentrasinya berbeda-beda antar titik, ada kecenderungan alami dari massa untuk berpindah, untuk meminimalkan perbedaan konsentrasi dalam sistem. Perpindahan massa dalam sistem dijelaskan oleh Hukum pertama Fick: 'Difusi fluks dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah berbanding lurus dengan gradien konsentrasi substansi dan difusivitas substansi pada medium.' Perpindahan massa dapat berlangsung karena ada perbedaan driving force. Beberapa diantaranya adalah:[3]

• Massa dapat berpindah akibat gradien tekanan (difusi tekanan)
• Difusi gata muncul akibat gerak beberapa gaya luar
• Difusi disebabkan oleh gradien temperatur (difusi termal)

Dapat dibandingkan dengan Hukum Fourier mengenai konduksi panas:

${\displaystyle J_{Ay}=-D_{AB}{\frac {\partial Ca}{\partial y}}}$

dengan D adalah konstanta difusivitas.

Perpidahan panas

Prinsip dasar perpindahan panas mengikuti hukum pertama termodinamika yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

${\displaystyle {\frac {q}{A}}=-k{\frac {dT}{dx}}}$

Untuk sistem lain yang alirannya turbulen, geometri kompleks atau boundary condition lebih mudah digunakan:

${\displaystyle q=h\cdot (A)\cdot {\Delta T}}$

dengan A adalah luas permukaan,:${\displaystyle {\Delta T}}$ adalah perbedaan suhu, q adalah aliran panas per satuan waktu, dan h adalah koefisien perpindahan panas.

Untuk sistem lainnya yang mengandung aliran turbulen, geometri kompleks atau boundary condition maka persamaan lainnya dapat digunakan:

${\displaystyle q=h\cdot (A)\cdot {\Delta T}}$

dengan A adalah luas permukaan,:${\displaystyle {\Delta T}}$ adalah perbedaan termperatur, q adalah aliran panas per satuan waktu dan h adalah koefisien transfer panas.

Ada 2 tipe konveksi yang dapat muncul:

Konveksi tak bebas dapat muncul pada aliran laminer maupun turbulen. Pada kondisi laminer pada tabung berbentuk lingkaran, ada beberapa besaran tak berdimensi seperti bilangan Nusselt, bilangan Reynolds, dan Prandtl. Persamaan yang umum adalah:

${\displaystyle Nu_{a}={\frac {h_{a}D}{k}}}$

Perpindahan panas dianalisis pada packed bed, reaktor, dan alat penukar panas (heat exchanger).

Lihat juga

• Persamaan konstitutif
• Persamaan kontinuitas
• Perambatan gelombang
• Pulse
• Potensial aksi
• Perpindahan biopanas

Sumber

• "Some Classical Transport Phenomena Problems with Solutions - Fluid Mechanics". 
• "Some Classical Transport Phenomena Problems with Solutions - Heat Transfer". 
• "Some Classical Transport Phenomena Problems with Solutions - Mass Transfer". 

Pranala luar

• Transport Phenomena Archive Diarsipkan 2017-10-08 di Wayback Machine. in the Teaching Archives of the Materials Digital Library Pathway

Referensi

1. Welty, James R.; Wicks, Charles E.; Wilson, Robert Elliott (1976). Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer (edisi ke-2). Wiley. 
2. "Thomas, William J. "Introduction to Transport Phenomena." Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, 2000.
3. "Griskey, Richard G. "Transport Phenomena and Unit Operations." Wiley & Sons: Hoboken, 2006. 228-248.