SUHU UDARA - Jadfan Sidqi

29/02/2016
HIDROMETEOROLOGI
Tatap Muka Kelima
(SUHU UDARA)
Dosen :
DR. ERY SUHARTANTO, ST. MT.
JADFAN SIDQI FIDARI, ST., MT
1. Perbedaan Suhu dan Panas
• Panas umumnya diukur dalam satuan joule (J)
atau dalam satuan lama kalori (cal), adalah salah
satu bentuk energi yg dikandung oleh suatu
benda.
• Sedangkan suhu mencerminkan energi kinetik
rata-rata dari gerakan molekul-molekul
• Pada gas seperti udara, hubungan antara energi
kinetik dgn suhu dapat dijabarkan sbb :
1
29/02/2016
1. Perbedaan Suhu dan Panas
Ek = ½ m v2 = 3/2 NkT
Dengan :
• Ek = energi kinetik rata-rata dari molekul gas
• m = massa sebuah molekul
• v2 = kecepatan kuadrat rata-rata dari gerakan
molekul
• N = jumlah molekul per satuan volume
• k = tetapan Boltzman
• T = suhu mutlak (K)
1. Perbedaan Suhu dan Panas
• Persamaan diatas menunjukkan hubungan yg
linier antara energi kinetik dgn suhu.
• Berdasarkan hal ini, suhu merupakan gambaran
umum keadaan energi suatu benda.
• Namun demikian, tidak semua bentuk energi yg
dikandung suatu benda dapat diwakili oleh suhu
spt halnya pada energi kinetik tsb.
2
29/02/2016
1. Perbedaan Suhu dan Panas
• Di atmosfer hal ini kita jumpai bahwa
peningkatan panas laten akibat penguapan
tidak menyebabkan kenaikan suhu udara, tetapi
penguapan justru menurunkan suhu udara
karena proporsi panas terasa (yg menyebabkan
kenaikan suhu udara) menjadi berkurang.
2. Satuan Suhu
• Satuan suhu yg umum dikenal ada empat
macam yaitu : 1)Celcius, 2)Fahrenheit,
3)Reamur, 4)Kelvin.
• Perbandingan skala antara keempat satuan
tersebut masing-masing adalah 5 (Celcius) : 9
(Fahrenheit) : 4 (Reamur) : 5 (Kelvin).
• Sedangkan titik awal (titik nol) termometer dari
keempat sistem tsb berbeda antara yg satu dgn
yg lain, kecuali antara Celcius dan Reamur.
3
29/02/2016
2. Satuan Suhu
• Konversi dari satuan yg satu ke satuan yg lain
harus memperhatikan titik awal serta skalanya.
• Berikut adalah konversi dari Celcius menjadi
satuan yg lain :
x˚C
= (9/5 x + 32)˚F
= (4/5 x)˚R
= (x + 273)K
• Perhatikan bahwa untuk Kelvin tidak perlu
diberi simbol derajat (˚).
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
• Jumlah panas yg dapat dikandung oleh suatu benda
tergantung dari kapasitas panasnya. Makin besar
kapasitas panas semakin banyak energi panas yg
dikandung benda tsb. Kapasitas panas dapat
dituliskan sbb:
C = ∆Q/∆T
(pers. 2)
C = kapasitas panas (J C˚-1 = J K-1)
∆Q = penambahan (+) atau pengurangan (-) panas J
∆T = perubahan suhu (K), naik (+) atau turun (-)
4
29/02/2016
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
• Kapasitas panas tergantung dari massa (m) atau
jumlah mol (n) dan panas jenis (c atau c*) benda
tsb. Berikut adalah pernyataan kapasitas panas yg
dihitung dari panas jenis dan massa atau mol.
C = m c (pers. 3a)
atau :
C = n c* (pers. 3b)
Untuk gas, panas jenisnya dibedakan atas panas
jenis pada volume tetap (cv) dan panas jenis pada
tekanan tetap (cp).
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
• Berdasarkan persamaan diatas, maka untuk udara
kapasitas panasnya menjadi :
(pers. 4a)
C = m cv
atau :
(pers. 4b)
C = n c v*
Persamaan diatas bila digabungkan dgn persamaan
2, dapat digunakan untuk menghitung panas jenis
udara sebagai :
(pers. 5a)
cv = C/m = ∆Q/(m.∆T)
5
29/02/2016
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
atau
(pers. 5b)
cv* = C/m = ∆Q/(n.∆T)
• Sedangkan hubungan antara penambahan/
pengurangan panas per satuan massa atau mol
(∆Q/m atau ∆Q/n) dgn perubahan suhu (∆T) dapat
dituliskan sebagai :
(pers. 6a)
∆Q/m = cv . ∆T
atau
(pers. 6b)
∆Q/n = cv*. ∆T
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
• Dari sini terlihat bahwa per satuan massa (m) atau
mol (n), penambahan/pengurangan panas yg sama
(∆Q) akan menghasilkan perubahan (kenaikan/
penurunan) suhu yg lebih besar pada benda dgn
panas jenis c (cv utk gas) lebih rendah.
• Sebagai contoh : air c = 4200 J kg-1 K-1, dan tanah c
= 800 J kg-1 K-1, sehingga tanah akan lebih cepat
naik suhunya dibandingkan air pada penambahan
panas yg sama.
6
29/02/2016
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
• Sebaliknya, pada malam hari saat terjadi
pengurangan panas akibat pancaran gelombang
panjang dari permukaan bumi, tanah akan cepat
dingin dibandingkan air.
• Sehingga laut yg mempunyai panas jenis dan massa
yg jauh lebih besar dari daratan merupakan
penyimpan panas yg lebih baik daripada daratan.
• Oleh sebab itu, udara merupakan penyimpan panas
terburuk (paling cepat panas dan dingin)
dibandingkan daratan dan lautan.
3. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
• Karena kapasitas panas udara yg sangat rendah,
suhu udara sangat peka terhadap perubahan energi
di permukaan bumi. Permukaan bumi (daratan dan
lautan) merupakan bidang yg paling aktif dalam hal
penerimaan energi radiasi surya.
• Oleh sebab itu pemanasan juga paling intensif pada
permukaan tsb, yg merupakan pemasok (supply)
panas terasa untuk pemanasan udara. Dari sini
dapat kita jelaskan bahwa makin tinggi tempat suhu
udara semakin rendah.
7
29/02/2016
4. Proses Pemindahan Panas di
Permukaan Bumi
• Pemindahan panas terjadi dari tempat/benda yg
mempunyai tingkat energi lebih tinggi ke tingkat
yg lebih rendah.
• Proses pemindahan energi secara umum dapat
dibagi menjadi tiga macam, yaitu konduksi,
konveksi dan radiasi.
• Kedua proses pertama memerlukan media,
untuk proses pemindahan energi sedangkan
proses ketiga tidak perlu medium.
a. Konduksi
• Proses pemindahan panas pada benda-benda padat
seperti tanah terjadi secara konduksi.
• Pada proses ini, sebagian energi kinetik molekul
benda/medium yg bersuhu lebih tinggi dipindahkan ke
molekul benda yg bersuhu lebih rendah melalui
tumbukan molekul-molekul tsb. Energi panas seolaholah merambat melalui medium tsb.
• Jumlah aliran panas per satuan waktu dan luas (fluks
panas, Wm-2) tergantung dari sifat fisik medium yg
dicerminkan oleh konduktivitas panas medium tsb
8
29/02/2016
a. Konduksi
• Proses pemindahan panas ini dapat dijabarkan
pada persamaan berikut, tanda negatif
menunjukkan arah perpindahan panas ke
tempat yg bersuhu lebih rendah :
G = -k dT/dz
dengan :
G = fluks panas (Wm-2)
k = konduktivitas panas (Wm-2K-1)
dT/dz = gradien suhu (Km-1)
a. Konduksi
• Diantara udara, tanah dan air, udara merupakan
konduktor terburuk (nilai k terendah) sedangkan
tanah merupakan konduktor terbaik.
• Oleh sebab itu proses konduksi ini hanya efektif
untuk pemanasan tanah dan tidak efektif untuk
pemanasan udara.
• Di udara, proses pemindahan panas secara konduksi
terjadi pada lapisan udara yg sangat tipis dekat
permukaan (beberapa milimeter) yg dikenal dgn
konduksi semu tidak sepenuhnya merupakan proses
pemindahan secara konduksi.
9
29/02/2016
b. Konveksi
• Proses pemindahan panas secara konveksi ini
terjadi pada fluida (cairan dan gas).
• Jika pada proses konduksi medium dari aliran
panas berada dalam keadaan “diam”, pada
proses konveksi panas dipindahkan bersamasama dgn fluida yg bergerak.
• Proses ini dapat terjadi melalui : a)konveksi
paksa (forced convection) atau turbulensi dan
b)konveksi bebas (free convection).
b. Konveksi
• Pada konveksi paksa, udara bergerak melalui
lapisan perbatas (boundary layer) pada
permukaan yg kasar sehingga timbul gerak edit
yg acak. Pengaruh angin sangat nyata pada
proses ini terutama dekat permukaan.
• Sedangkan pada konveksi bebas, udara
dipanaskan oleh permukaan bumi akibat
penerimaan radiasi surya, sehingga udara akan
mengembang dan naik menuju tekanan yg lebih
rendah.
10
29/02/2016
b. Konveksi
• Proses pemanasan udara melalui konveksi lebih
efektif dibandingkan dgn konduksi dan radiasi.
• Oleh sebab itu proses pemanasan udara dalam
neraca energi hanya diwakili oleh proses konveksi.
• Fluks panas dapat diukur berdasarkan pengukuran
profil suhu secara vertikal menggunakan
termometer yg sensitif sampai 2 desimal dalam˚C
serta bila diketahui nilai tahanan aerodinamik ra.
Nilai ra dapat diturunkan dari pengukuran profil
kecepatan angin.
c. Radiasi
• Seperti telah dijelaskan pada Bab Radiasi Surya,
radiasi yg dipancarkan oleh suatu permukaan
berbanding lurus dgn pangkat empat suhu
mutlak permukaan tsb (Hukum StefanBoltzman).
• Energi radiasi gelombang panjang yg
dipancarkan permukaan bumi sebagian diserap
atmosfer dan sisanya akan keluar dari sistem
atmosfer bumi.
11
29/02/2016
c. Radiasi
• Seperti telah disinggung di muka bahwa
penyerap radiasi gelombang panjang di atmosfer
yg efektif adalah uap air (dan juga butir-butir air
berupa awan) dan CO2.
• Adanya awan pada malam hari dapat menahan
jumlah radiasi bumi yg dipancarkan ke angkasa,
sehingga akan mengurangi penurunan suhu
udara yg ekstrim.
c. Radiasi
• Sebaliknya pada siang hari hal ini dapat
menimbulkan fenomena “pengaruh rumah
kaca”, khususnya bila pembentukan awan tsb
terjadi pada sore hari.
• Pada pagi hingga sore hari bumi menerima
banyak energi radiasi surya, sedangkan pada
sore hari saat suhu maksimum pancaran radiasi
gelombang panjang ke angkasa tertahan oleh
awan tsb.
12