BerandaSainsFisikaTransfer Kalor dan Massa - Perkenalan Konduksi Bagian 2.36

Transfer Kalor dan Massa – Perkenalan Konduksi Bagian 2.36

Dimulai dengan volume kendali diferensial berbentuk kulit bola, turunkan persamaan difusi panas untuk sistem koordinat radial bola satu dimensi dengan pembangkitan panas internal. Bandingkan hasil Anda dengan Persamaan 2.29.

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

Analisis Geometri Bangun Ruang

Tinjau sebuah volume kendali diferensial berbentuk kulit bola konsentris (spherical shell) dengan parameter sebagai berikut:

  • Jari-jari dalam: $r$
  • Ketebalan radial: $dr$
  • Jari-jari luar: $r + dr$

Kita hitung luas penampang dalam

$$A_{r} = 4 \pi (r^2)$$

$$A_{r} = 4 \pi r^2$$

Kita hitung luas penampang luar

$$A_{r + dr} = 4 \pi (r + dr)^2$$

$$A_{r + dr} = 4 \pi (r^2 + 2rdr + dr^2)$$

$$A_{r + dr} = 4 \pi r^2 + 8 \pi rdr + 4 \pi dr^2$$

Kita hitung volume kendali diferensial

$$dV = A_{r} \cdot dr$$

$$dV = 4 \pi r^2 \cdot dr$$

$$dV = 4 \pi r^2 dr$$

Perhitungan Semua Energi

Kita hitung energi yang masuk

$$\dot{E}_{in} = q_r$$

$$\dot{E}_{in} = -k A_{r} \frac{\partial T}{\partial r}$$

$$\dot{E}_{in} = -k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r}$$

Kita hitung energi yang keluar

$$\dot{E}_{out} = q_{r + dr}$$

$$\dot{E}_{out} = -k A_{r} \frac{\partial T}{\partial r} + \frac{\partial}{\partial r} \left(-k A_{r} \frac{\partial T}{\partial r} \right) dr$$

$$\dot{E}_{out} = -k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r} + \frac{\partial}{\partial r} \left(-k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r} \right) dr$$

Kita hitung energi yang dibangkitkan

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

$$\dot{E}_{gen} = \dot{q} (4 \pi r^2 dr)$$

Kita hitung energi yang tersimpan

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

$$\dot{E}_{st} = \rho \cdot c_p \cdot (4 \pi r^2 dr) \cdot \frac{\partial T}{\partial t}$$

Penerapan Hukum Fourier

Berdasarkan Hukum Pertama Termodinamika untuk kondisi transien:

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

$$-k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r} – \left(-k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r} + \frac{\partial}{\partial r} \left(-k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r} \right) dr \right) + \dot{q} (4 \pi r^2 dr) = \rho c_p (4 \pi r^2 dr) \frac{\partial T}{\partial t}$$

$$\frac{\partial}{\partial r} \left(k (4 \pi r^2) \frac{\partial T}{\partial r} \right) dr + \dot{q} (4 \pi r^2 dr) = \rho c_p (4 \pi r^2 dr) \frac{\partial T}{\partial t}$$

$$\frac{\partial}{\partial r} \left(kr^2 \frac{\partial T}{\partial r} \right) (4 \pi dr) + \dot{q} (4 \pi r^2 dr) = \rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} (4 \pi r^2 dr)$$

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

Persamaan umum 1D dalam koordinat bola (Persamaan 2.29):

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

Karena gradien suhu pada arah azimut ($\frac{\partial T}{\partial \phi} \approx 0$) dan polar ($\frac{\partial T}{\partial \theta} \approx 0$) diabaikan, maka suku kedua dan ketiga bernilai nol. Suku sisanya secara tepat persis sama dengan hasil yang diturunkan di atas.

Artikel Terkait

Tinggalkan komentar

Silakan masukkan komentar anda!
Silakan masukkan nama Anda di sini

Artikel Terbaru

Artikel Populer