Fisika Lingkungan : bab 8aliran kalor dalam tanah

BAB 8
ALIRAN KALOR DI
DALAM TANAH
Oleh kelompok 8:



Agus Ismangil
Hadida Latifah
Santi Ami Ningsih
G74062168
G74061653
G74062013
Aliran kalor dan persediaannya di dalam tanah

Ketika matahari bersinar pada permukaan
lahan, sebagian dari energi diserap,
memanaskan permukaan lahan. Panas ini
hilang dari permukaan sampai keatas lahan
untuk menurunkan lapisan lahan, melalui
pemanasan atmosphere, dan melalui
penguapan air. Terdapat sejumlah kalor dari
permukaan sampai atmospir.

Persamaan kemalaran adalah:
………………………(8.1)
c (adalah) kalor spesifik lahan yang menjadi kapasitas bahan volumetric,
dan G adalah fluks kepadatan bahan dari dalam tanah

Jika konduktivitas termal konstan dengan
kedalaman, dapat diambil dari sisi luar. Kita
dapat juga membagi kedua sisi dengan , agar
lebih familiar, bentuk persamaan panas:
T
 2T
  2 .......................(8.3)
t
z


........................(8.4)
 s cs

jika lahan diasumsikan menjadi tidak terbatas,
dengan keseragaman panas yang banyak, dan
suatu temperatur permukaan yang bervariasi
sinusoidal menurut persamaan:
kemudian temperatur pada keadaan kedalaman dan waktu diberikan oleh:
terdapat
di mana adalah periode dari fluktuasi suhu.
Lambang D menghadirkan kedalaman yang
membasahi, dan dihitung dari:

Untuk menemukan fluks kerapatan kalor pada
permukaan,diferensiasi persamaan ( 8.6),
substitusi dari persamaan ( 6.3), dan set z ke
nol. Maka

Gambar 8.1. Grafik persamaan (8.6)
menunjukkan bagaimana permukaan
temperature gelombang dengan kedalaman dan
dikelompokkan dalam waktu.

Dimana:
Akar kuadrat ini merupakan produk daya
konduktif termal dan volume kapasitas kalor

8.2 Kekayaan Lahan Yang berkenaan dengan
panas: Kapasitas kalor volumetrik
Kapasitas kalor volumetrik suatu lahan
penjumlahan dari kapasitas kalor menyangkut
komponen lahan. Lahan secara khas terdiri
dari mineral, air, dan perihal organik.
Kapasitas kalor lahan kemudian dihitung dari
8.3.Kelimpahan Termal pada lahan: Konduktivitas
termal
Devries ( 1963) yang diusulkan bahwa yang
berkenaan dengan daya konduktivitas panas lahan
adalah dihitung sebagai suatu penjumlahan yang
menyangkut daya konduksi dari unsur
lahan=



di mana  fraksi volume, adalah suatu faktor
pemberat,  adalah keterhantaran termal dari
unsur dan bagian  , g, dan m menandai adanya
air, gas, dan fraksi mineral.

Kemiringan pada saturasi fungsi tekanan uap adalah
bergantung pada tingkat kuatnya temperatur, jadi
konduktivitas termal nyata pada fase gas bertambah
secara cepat dengan temperatur. Dalam contoh
digambarkan, konduktivitas fase gas hanya sedikit
diatas 10 persen pada konduktivitas air, tapi seiring
dengan bertambahnya temperatur, hal itu menjadi
semakin sama. Pada 600 C, konduktivitas fase gas dan
air adalah sama, jadi untuk tanah basah ( f w  1 ),
kondutivitas menjadi tidak bergantung pada
kandungan air.



8.4 Diffusivitas Termal dan Masukan Tanah.
Persamaan (8.4) mendefinisikan difusi sebagai rasio
pada konduktivitas untuk kapasitas panas volumetrik.
Gambar 8.4 menunjukkan diffusivitas tanah dalam
gambar 8.2 dan 8.3.
Difusi pada tanah organik hampir konstan dengan
kandungan airnya, ketika mineral tanah memiliki
transisi relatif cepat dari diffusivitas kering ke basah .
Terdapat gambar
Gambar 8.4. Diffusivitas termal pada tanah dari gambar 8.2 dan 8.3.


Contoh 8.3. Bandingkan ukuran diurnal
kelembaban tanah organik basah dengan tanah
liat yang kering dan basah.
Solusi. Dari gambar 8.4. Diffusivitas kelihatan
menjadi antara 0.14; 0.2; dan 0.4 mm/s untuk
organik, tanah liat kering, dan tanah liat basah
berturut-turut menggunakan persamaan (8.8),

maka
m2
2 x0.14 x10
s  0.062m  6.2cm
 5 1
7.3x10 s
6
Dorganik 
m2
2 x0.2 x10
s  0.074m  7.4cm
7.3x10 5 s 1
6
Dlempung ker ing 
Dlempungbasah 
2
m
2 x0.4 x10 6
s  0.105m  10.5cm
7.3x10 5 s 1


Contoh 8.4. Pada kedalaman berapa
temperatur tanah diukur jika kamu mencari arti
o
suhu tahunan ke dalam 1 C?
Solusi dari bab dua kita ketahui bahwa batas
o
tahunan variasi temperatur yaitu 20 ke 30 C,
jadi A(0) adalah 10 ke 15oC. kita ingin variasi
menjadi kurang dari 1oC.
jadi menggunakan persamaan (8.6)

Yaitu

Kita asumsikan bahwa tanah yang basah untuk
tahun berikutnya. Ukuran kelembaban annual
menjadi
m
 z
15Cx exp     1C
 D
Dannual 
2 x0.4 x10
6
2 x10 7 s
2
s  2m
1
Maka z dapat diselesaikan
z  Dannual ln( 15)  2mx2.7  5.4m


Informasi pada gambar 8.2 dan 8.3 dapat
dikombinasikan untuk memberikan nilai serapan
termal. Ini ditunjukkan dalam gambar 8.5.
Kandungan air berpengaruh pada semua masukan
tanah diatas keseluruhan batas pada kandungan air.
Tanah basah serapan mencapai empat sampai lima
kali tanah kering.
Mineral tanah masukan juga mencapai tiga sampai
lima kali lebih besar dari itu untuk tanah organik.
Gambar
Gambar 8.5. Diffusivitas masukan pada tanah dari gambar 8.2 dan 8.3.

8.5. Transfer panas dari hewan ke substrat.
Persamaan (8.3) dapat diselesaikan dengan
membedakan set pada awal dan batas kondisi untuk
memperoleh hasil lainnya dalam hubungannya
dengan lingkungan biofisika.
Masalah sederhananya adalah bahwa pada perkiraan
konduksi hilangnya panas atau bertambahnya panas
ketika hewan dengan temperatur Tb terjadi dalam
hubungannya dengan tanah atau substrat lainnya
dengan temperatur awal T.0

Masalah matematis memperkirakan bahwa
untuk mendapatkan temperatur sebagai fungsi
ukuran dan waktu untuk medium semi-tak
terbatas pada diffusivitas  , dan temperatur
awal T 0 ketika permukaan yang secara seketika
dinaikkan ke temperatur Tb pada waktu nol.
Solusi dapat dicarikan dalam harga standar
transfer panas. Yaitu:T(z,t) =
 z 
T0  Tb  To erf 
...........(8.21)
 2 t 

Untuk menemukan panas yang mengalir melalui permukaan
tanah, diferensiasi persamaan (8.21) dengan mempedulikan
ukuran untuk mendapatkan gradien temperatur, kalikan
gradien dengan konduktivitas termal, dan set ukuran ke nol.
Hasilnya:
G=
 s cs
 tan ah (Tb  To )
Tb  To  
t
t
. Pada konduktansi tanah yang ekuivalen didapat:
g H tan ah
2  s cs

.......(8.23)
c p t
Dimana c kalor spesifik molar
....(8.22)
Gambar
Gambar 8.6. Konduktansi termal pada tiga material tanah rata-rata
terhadap waktu
Konduktansi secara langsung sebanding dengan
masukan tanah dan berbanding terbalik dengan kuadrat akar
waktu. Nilainya di plot pada gambar 8.6 untuk mineral dan
tanah organik.
Konduktansi untuk keseluruhan hewan adalah dilakukan
dengan mengalikan konduktansi pada persamaan(8.23) dengan
perbandingan area dalam hubungannya dengan substrat untuk
total area permukaan pada hewan.