BerandaSainsTransfer Kalor dan Massa - Perkenalan Konduksi Bagian 2.27

Transfer Kalor dan Massa – Perkenalan Konduksi Bagian 2.27

Turunkan persamaan difusi panas, Persamaan 2.26, untuk koordinat silindris dengan memulai dari volume kendali diferensial yang ditunjukkan pada Gambar 2.12.

$$\frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left(kr \frac{\partial T}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial \phi} \left(k \frac{\partial T}{\partial \phi} \right) + \frac{\partial}{\partial z} \left(k \frac{\partial T}{\partial z} \right) + \dot{q} = \rho c_p \frac{\partial T}{\partial t}$$

Cuplikan%20layar%202026 07 23%20175549

Definisi Geometri Volume Kendali Diferensial

Tinjau volume kendali diferensial dalam koordinat silindris dengan dimensi:

  • Arah radial ($r$): ketebalan $dr$
  • Arah azimutal ($\phi$): panjang busur $r \, d\phi$
  • Arah aksial ($z$): tinggi $dz$

Maka volume kendali ($dV$) adalah:

$$dV = (dr)(r \, d \phi)(dz)$$

$$dV = r \ dr \ d \phi \ dz$$

Luas penampang diferensial untuk masing-masing permukaan adalah:

  • $A_r = r \ d \phi \ dz$ (luas permukaan tegak lurus sumbu-$r$)
  • $A_\phi = dr \ dz$ (luas permukaan tegak lurus sumbu-$\phi$)
  • $A_z = r \ dr \ d \phi$ (luas permukaan tegak lurus sumbu-$z$)

Prinsip Konservasi Energi

Berdasarkan Hukum Pertama Termodinamika untuk volume kendali:

$$\dot{E}_{in} – \dot{E}_{out} + \dot{E}_{gen} = \dot{E}_{st}$$

  • Laju Energi Masuk ($\dot{E}_{in}$):

$$\dot{E}_{in} = q_r + q_\phi + q_z$$

  • Laju Energi Keluar ($\dot{E}_{out}$):

$$\dot{E}_{out} = q_{r+dr} + q_{\phi+d\phi} + q_{z+dz}$$

  • Laju Pembangkitan Energi ($\dot{E}_{gen}$):

$$\dot{E}_{gen} = \dot{q} \cdot dV$$

$$\dot{E}_{gen} = \dot{q} (r \ dr \ d\phi \ dz)$$

  • Laju Penyimpanan Energi ($\dot{E}_{st}$):

$$\dot{E}_{st} = \rho \cdot dV \cdot c_p \frac{\partial T}{\partial t}$$

$$\dot{E}_{st} = \rho c_p (r \, dr \, d\phi \, dz) \frac{\partial T}{\partial t}$$

Ekspansi Deret Taylor untuk Laju Perpindahan Panas

Menggunakan ekspansi deret Taylor (dengan mengabaikan orde yang lebih tinggi), laju perpindahan panas yang keluar dari permukaan dapat dinyatakan sebagai:

  • Arah Radial ($r$):

$$q_{r+dr} = q_r + \frac{\partial q_r}{\partial r} dr$$

$$q_r – q_{r+dr} = -\frac{\partial q_r}{\partial r} dr$$

  • Arah Azimutal ($\phi$):

$$q_{\phi+d\phi} = q_\phi + \frac{\partial q_\phi}{\partial \phi} d\phi$$

$$q_\phi – q_{\phi+d\phi} = -\frac{\partial q_\phi}{\partial \phi} d\phi$$

  • Arah Aksial ($z$):

$$q_{z+dz} = q_z + \frac{\partial q_z}{\partial z} dz$$

$$q_z – q_{z+dz} = -\frac{\partial q_z}{\partial z} dz$$

Penerapan Hukum Fourier

Berdasarkan Hukum Fourier, laju konduksi panas pada masing-masing arah adalah:

  • Pada arah $r$:

$$q_r = -k A_r \frac{\partial T}{\partial r} = -k (r \, d\phi \, dz) \frac{\partial T}{\partial r}$$

  • Sehingga:

$$q_r – q_{r+dr} = -\frac{\partial}{\partial r} \left[ -k (r \, d\phi \, dz) \frac{\partial T}{\partial r} \right] dr = \frac{\partial}{\partial r} \left( k r \frac{\partial T}{\partial r} \right) dr \, d\phi \, dz$$

  • Pada arah $\phi$:

$$q_\phi = -k A_\phi \frac{\partial T}{r \, \partial \phi} = -k (dr \, dz) \frac{1}{r} \frac{\partial T}{\partial \phi}$$

  • Sehingga:

$$q_\phi – q_{\phi+d\phi} = -\frac{\partial}{\partial \phi} \left[ -k (dr \, dz) \frac{1}{r} \frac{\partial T}{\partial \phi} \right] d\phi = \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \phi} \left( k \frac{\partial T}{\partial \phi} \right) dr \, d\phi \, dz$$

  • Pada arah $z$:

$$q_z = -k A_z \frac{\partial T}{\partial z} = -k (r \, dr \, d\phi) \frac{\partial T}{\partial z}$$

  • Sehingga:

$$q_z – q_{z+dz} = -\frac{\partial}{\partial z} \left[ -k (r \, dr \, d\phi) \frac{\partial T}{\partial z} \right] dz = \frac{\partial}{\partial z} \left( k \frac{\partial T}{\partial z} \right) r \, dr \, d\phi \, dz$$

Substitusi ke Neraca Energi Total

Substitusikan seluruh komponen ke dalam persamaan neraca energi $(\dot{E}_{in} – \dot{E}_{out}) + \dot{E}_{gen} = \dot{E}_{st}$:

$$\frac{\partial}{\partial r} \left( k r \frac{\partial T}{\partial r} \right) dr \, d\phi \, dz + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \phi} \left( k \frac{\partial T}{\partial \phi} \right) dr \, d\phi \, dz + \frac{\partial}{\partial z} \left( k \frac{\partial T}{\partial z} \right) r \, dr \, d\phi \, dz + \dot{q} (r \, dr \, d\phi \, dz) = \rho c_p (r \, dr \, d\phi \, dz) \frac{\partial T}{\partial t}$$

Bagi seluruh ruas dengan volume diferensial $dV = r \, dr \, d\phi \, dz$:

$$\frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( k r \frac{\partial T}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial \phi} \left( k \frac{\partial T}{\partial \phi} \right) + \frac{\partial}{\partial z} \left( k \frac{\partial T}{\partial z} \right) + \dot{q} = \rho c_p \frac{\partial T}{\partial t}$$

Artikel Terkait

Tinggalkan komentar

Silakan masukkan komentar anda!
Silakan masukkan nama Anda di sini

Artikel Terbaru

Artikel Populer