Transfer Panas dan Massa

1. Transfer Panas dan Massa

2. Pendahuluan • Proses dalam kehidupan bergantung pada transfer panas dan massa. • Misalkan: • Pertukaran karbon dioksida antara daun dan atmosfer • Kebutuhan oksigen oleh mikroorganisme • Pertukaran oksigen dengan karbon dioksida pada paru-paru binatang • Kehilangan panas secara konduksi dari permukaan kulit binatang • Bagian penting dalam kajian ekologi biofisika

3. Tujuan

4. Kebergantungan yang kuat antara konduktivitas hidrolik pada potensial air dalam dalam tanah yang tidak jenuh diindikasikan dengan K (ψ) Difusivitas memiliki ukuran yang sama dan mereka memiliki kesamaan temperatur dan ketergantungan tekanan (dapat dituliskan dengan teori kinetik) Transfer panas dan massa dapat dianalogikan dengan hukum ohm dalam bentuk makroskopik Resistansi digunakan untuk menghitung pertukaran panas dan massa Konduktansi menunjukkan nilai fluks

5. Hukum – Hukum Transfer Panas dan Massa: Hukum Newton’s dari viskositas untuk perpindahan momentum Hukum Fluks untuk perpindahan difusi dari material Hukum Fourier’s untuk perpindahan panas Hukum Darcy untuk aliran fluida ( air ) pada medium serap ( tanah)

6. Rangkaian Seri • Resistor Seri • Konduktor Seri

7. Rangkaian Seri Gambar 1: Resistor seri : resistansi dan temperatur dari inti hewan ke udara sekitar.

8. Rangkaian Seri Contoh : Aliran panas dari inti hewan ke udara sekitar. Resistansi aliran panas ditunjukkan pada gambar 1. Disini Taadalah temperatur udara, Ts adalah temperatur permukaan lapisan, To adalah temperatur permukaan kulit, dan Tbadalah temperatur inti tubuh. Resistansi ditunjukkan oleh lapisan pembatas dari udara, untuk lapisan, dan untuk jaringan.

9. RangkaianParalel • Resistor paralel • Konduktorparalel

10. Rangkaian Paralel Contoh: Pada penguapan air dari permukaan daun. Air dapat menguap melalui stomata dan secara langsung melalui kultikula daun. Hal ini ditunjukkan secara paralel melalui penguapan, seperti pada gambar dibawah ini: Konduktor dalam rangkaian paralel: penyebaran uap yang melewati permukaan daun

11. PerhitunganFluks Dalam kasus untuk meghitung rata-rata dari pertukaran uap atau pertukaran kalor laten diantara kanopi tumbuhan dan atmosfir, atau diantara kehidupan organisme dan lingkungan menggunakan rumus :

12. PerhitunganFluks Hal yang perlu diketahui : • Konsentrasi uap pada evaporasi permukaan • Konsentrasi uap dari udara • Resistansi total untuk transfer uap diantara evaporasi permukaan dan udara

13. Contoh 1 Cari rata-rata dari penguapan tumbuhan. Asumsikan suhu kanopi adalah 30oC, tekanan uap air adalah 1.0 kPa, konduktansi kanopi adalah 1 mol m-2s-1, dan lapisan pambatas konduktansi adalah 0.5 mol m-2 s-1.

14. Penyelesaian Kelembaban pada evaporasi permukaan di dalam daun adalah utamanya 1, (persamaan (4.13), dengan ψ = -1000 J/kg ), jadi Konsentrasi uap Cva = 1,0 kPa/101kPa = 0,0099. Konduktansi total dari pertukaran uap adalah kombinasi seri dari kanopi dan konduktansi lapisan pembatas

15. Penguapan yang hilang adalah Kerapatan massa fluksnya adalah Untuk mendapatkan beberapa perkiraan magnitudo dari nomor ini, jika penguapan terus menerus dengan cara demikian selama satu jam,

16. 3600 s x 0,000192 kgm-2s-1 = 0,7 kg/m2 akan diuapkan. Satu adalah 1 mm kedalaman air di atas satu meter kuadrat. Oleh karena itu 1 kg/m2, 0.7 mm air akan menguap dalam satu jam. Panas yang diperlukan untuk menguapkan jumlah air ini adalah satu joule per detik sama dengan satu watt

17. Penguapan dari permukaan lahan basah adalah serupa dengan penguapan dari suatu hasil. • Ketika permukaan lahan basah, air potensialnya adalah mendekati nol, dan tekanan uap di permukaannya adalah mendekati kejenuhan. • Bagian depan yang basah, atau ujung pada lahan di mana mundur ke dalam lahan, dan total (penjumlahan dari hambatan bauran melalui lapis batas dari udara di atas lahan) peningkatan-peningkatan • Satu cm lapisan tebal dari lahan yang kering mempunyai suatu konduktansi yang bersifat memencar untuk uap air kira-kira 0,03 mol m-2 s-1

18. Contoh 2: Berapakah tingkat evaporasi dari suatu lahan lembab yang mempunyai ketebalan sebesar 5 cm pada lapisan tanah kering? Asumsikan suhu permukaan yang sama dan kondisi-kondisi tekanan uap air udara seperti pada contoh yang sebelumnya. .

19. Konduktansi tanah adalah 0.03 mol mֿ² sֿ¹/5 = 0.006 mol mֿ² sֿ¹ • Asumsikan bahwa suhu dari lahan yang basah di bawah lapisan yang kering adalah 30˚C, sama seperti di dalam contoh yang sebelumnya • Hitung fluks uap air seperti contoh yang sebelumnya, tetapi dengan konduktansi lahan secara urut dengan konduktansi lapis batas.Konduktansi keseluruhan uap air adalah 0.0059 mol mֿ² sֿ¹, dan tingkat evaporasinya adalah E = 0.0059 mol mֿ² sֿ¹ (0.042-0.0099) = 0.2 mmol mֿ² sֿ¹

20. Contoh 3: Cari konduktansi uap air (lapis batas kulit lebih) dari suatu kentang, ketika menuju 12 jam pada ruang kerja laboratorium dan kehilangan 3 g air. Suhu Ubi dan laboratorium adalah 22˚C, dan kelembaban laboratorium adalah 0.53. Luas permukaan dari kentang itu adalah 310 cm².

21. Penyelesaian: Berdasarkan persamaan maka didapat persamaan konduktansi : Nilai evaporasinya adalah

22. Berdasarkan tabel A.3, tekanan uap jenuh pada suhu 22˚C adalah 2.64 kPa. Dari bab 3, perbedaan fraksi molnya adalah Konduktansinya adalah

23. Contoh 4: Angin dengan kelembaban yang hangat dapat secara cepat melelehkan substansi bagian dalam dari salju. Perpindahan kalor ke salju dapat dideteksi dengan baik. Bandingkan kalor laten dan fluks kalor yang pantas pada salju yang mengapung dari udara jenuh pada suhu 5˚C, jika konduktansi lapis batas adalah 1 mol mֿ² sֿ¹!

24. Penyelesaian Dari tabel A.3, tekanan uap jenuh pada 5˚C adalah 0.87 kPa, dan pada 0˚C (suhu permukaan dari pelelehan salju) adalah 0.61 kPa. Kerapatan fluks kalor yang pantas adalah

25. Kalor laten dari penguapan dikalikan dengan persamaan Maka didapat kerapatan fluks kalor laten :

26. Tanda negatif menunjukkan bahwa fluks tersebut adalah untuk permukaan • Total fluks kalor untuk permukaan adalah 261 W/m² • Hal yang menarik tentang perhitungan ini yaitu bahwa fluks kalor laten hampir setengah dari total.

27. Contoh 5: Seseorang mempunyai sleeping bag yang konduktansi termalnya sebesar 0.05 mol mֿ² sֿ¹. Daya hantar panas orang tersebut ketika sedang tidur adalah sekitar 0.5 mol mֿ² sֿ¹. Perpindahan panas melalui lingkungan dengan radiasi dan konveksi. Daya hantar konveksinya adalah0.25 mol mֿ² sֿ¹ dan daya hantar radiasinya adalah0.1 mol mֿ² sֿ¹. Berapa temperatur terdingin dari sleeping bag yang dapat digunakan ketika seseorang memiliki metabolis rata-rata 50 W/m² dan temperatur badannya 30˚C?

29. Penyelesaian: Jaringankonduktor dari sleeping bag dan lingkungan ditunjukkan pada diagram persamaan (6.10) dan (6.11) dapat digunakan untuk menghitung konduktansi total. Konduktansi keseluruhannya adalah