Anda pernah mengalami pendinginan konveksi jika Anda pernah mengulurkan tangan ke luar jendela kendaraan yang sedang bergerak atau ke dalam aliran air yang mengalir. Dengan suhu permukaan tangan Anda sebesar $303,15 \text{ K}$, tentukan fluks kalor konveksi untuk (a) kecepatan kendaraan $40 \text{ km/jam}$ di udara bersuhu $265,15 \text{ K}$ dengan koefisien konveksi $40 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$ dan (b) kecepatan $0,2 \text{ m/s}$ dalam aliran air bersuhu $283,15 \text{ K}$ dengan koefisien konveksi $900 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$. Kondisi mana yang akan terasa lebih dingin? Bandingkan hasil-hasil ini dengan fluks kalor sebesar kira-kira $30 \text{ W/m}^2$ dalam kondisi ruangan normal.
Kita identifikasi data yang diperlukan
- Suhu Permukaan Tangan ($T_s$): $303,15 \text{ K}$
- Suhu Udara ($T_{\infty, udara}$): $261,15 \text{ K}$
- Suhu Air ($T_{\infty, air}$): $283,15 \text{ K}$
- Koefisien Konveksi Udara ($h_{udara}$) = $40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$
- Koefisien Konveksi Air ($h_{air}$) = $900 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$
- Kalor Konveksi Normal ($q”_{normal}$) = $30 \text{ W/m}^2$
(a) Fluks Kalor Konveksi di Udara
Kita gunakan hukum konveksi Newton
$$q”_{\text{udara}} = h_{\text{udara}} \cdot (T_s – T_{\infty,\text{udara}})$$
$$q”_{\text{udara}} = 40 \cdot (30 – (-8))$$
$$q”_{\text{udara}} = 40 \cdot 38$$
$$\mathbf{q”_{\text{udara}} = 1520 \text{ W/m}^2}$$
(b) Fluks Kalor Konveksi di Air
Kita gunakan hukum konveksi Newton
$$q”_{\text{air}} = h_{\text{air}} \cdot (T_s – T_{\infty,\text{air}})$$
$$q”_{\text{air}} = 900 \cdot (30 – 10)$$
$$q”_{\text{air}} = 900 \cdot 20$$
$$\mathbf{q”_{\text{air}} = 18000 \text{ W/m}^2}$$
Perbandingan dan Analisis Fisik
Kita bandingkan kalor konveksi di air dengan di udara
$$\text{Rasio} = \frac{q”_{\text{air}}}{q”_{\text{udara}}}$$
$$\text{Rasio} = \frac{18000}{1520}$$
$$\text{Rasio} = 11,842$$
Kondisi (b) di dalam air akan terasa JAUH lebih dingin. Meskipun suhu udara jauh lebih ekstrem ($265,15 \text{ K}$) dibandingkan suhu air ($283,15 \text{ K}$), air memiliki rapat massa dan konduktivitas termal molekuler yang jauh lebih tinggi daripada udara. Hal ini menghasilkan koefisien konveksi ($h$) air yang sangat masif ($900\text{ vs }40$). Akibatnya, air mampu menyedot panas dari tangan kamu hampir 12 kali lipat lebih cepat daripada udara dingin di luar jendela mobil.
Kita bandingkan rasio konveksi udara dan konveksi air dengan konveksi normal
$$\text{Rasio Udara} = \frac{q”_{\text{udara}}}{q”_{\text{normal}}} = \frac{1520}{30} = 50,666$$
$$\text{Rasio Air} = \frac{q”_{\text{air}}}{q”_{\text{normal}}} = \frac{18000}{30} = 600$$
- Kehilangan panas di udara dingin ($1520 \text{ W/m}^2$) bernilai sekitar 50 kali lipat lebih besar dari kondisi normal.
- Kehilangan panas di air mengalir ($18.000 \text{ W/m}^2$) bernilai 600 kali lipat lebih besar dari kondisi normal.
Ini menjelaskan mengapa ceburan ke dalam air dingin berpotensi memicu hipotermia dengan sangat cepat dibandingkan terpapar udara dingin pada suhu yang sama.
