Fluks kalor yang diberikan pada salah satu sisi dinding datar adalah $q″ = 20 \text{ W/m}^2$. Sisi lainnya terpapar udara bersuhu $303,15 \text{ K}$, dengan koefisien perpindahan kalor konveksi sebesar $20 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$. Suhu permukaan dinding yang terpapar udara tersebut diukur dan diketahui sebesar $323,15 \text{ K}$. Apakah kondisi tunak (steady-state) terjadi? Jika tidak, apakah suhu dinding meningkat atau menurun seiring berjalannya waktu?
Untuk menentukan apakah kondisi tunak terjadi dan bagaimana perubahan suhunya, kita perlu membandingkan fluks kalor yang masuk ke dinding dengan fluks kalor yang keluar dari dinding menuju udara sekitar melalui konveksi.
Kita identifikasi data yang diperlukan
- Fluks Kalor ($q”$): $20 \text{ W/m}^2$
- Suhu Udara Lingkungan ($T_s$): $303,15 \text{ K}$
- Suhu Permukaan Luas Dinding ($T_{\infty}$): $323,15 \text{ K}$
- Koefisien Konveksi ($h$) = $20 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$
Untuk menentukan keseimbangan energi, kita menggunakan aturan ini
- Jika $q”_{\text{masuk}} = q”_{\text{keluar}}$, sistem berada dalam kondisi tunak (steady-state) dan suhu dinding konstan.
- Jika $q”_{\text{masuk}} > q”_{\text{keluar}}$, energi terakumulasi di dalam dinding, sehingga suhu dinding akan meningkat.
- Jika $q”_{\text{masuk}} < q”_{\text{keluar}}$, energi dilepaskan dari dinding lebih cepat daripada yang diterima, sehingga suhu dinding akan menurun.
Kita cari nilai kalor konveksi menggunakan hukum konveksi Newton
$$q”_{\text{konv}} = h(T_s – T_\infty)$$
$$q”_{\text{konv}} = 20 \cdot (323,15 – 303,15)$$
$$q”_{\text{konv}} = 20 \cdot 20$$
$$q”_{\text{konv}} = 400 \text{ W/m}^2$$
Sekarang kita bandingkan nilai fluks kalor yang masuk dan yang keluar dari sistem dinding:
- Fluks kalor masuk ($q”_{\text{masuk}}$): $20 \text{ W/m}^2$
- Fluks kalor keluar ($q”_{\text{konv}}$): $400 \text{ W/m}^2$
Kondisi tunak tidak terjadi karena fluks kalor yang masuk tidak sama dengan fluks kalor yang keluar ($q”_{\text{masuk}} \neq q”_{\text{konv}}$).
Suhu Dinding akan Menurun
Dinding melepaskan panas ke udara sekitar sebesar $400 \text{ W/m}^2$, sedangkan panas yang disuplai masuk hanya sebesar $20 \text{ W/m}^2$. Karena kalor keluar jauh lebih besar daripada kalor masuk ($q”_{\text{keluar}} > q”_{\text{masuk}}$), dinding kehilangan energi internalnya secara bersih (net energy loss). Defisit energi ini menyebabkan suhu dinding akan terus turun (mengalami proses unsteady cooling) hingga mencapai titik kesetimbangan baru di mana $q”_{\text{konv}}$ bernilai tepat sama dengan $20 \text{ W/m}^2$.
