Konduksi, Konveksi & Radiasi — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa membedakan konduksi, konveksi, dan radiasi kalor, serta menjelaskan bagaimana laju perpindahan kalor dipengaruhi bahan, suhu, dan mediumnya.

Sentuh sendok logam yang menjorok ke panci berisi sup panas — gagangnya ikut panas walau tak menyentuh air. Buka jendela, udara panas dari radiator mengalir naik dan menghangatkan seluruh ruangan. Berdiri di dekat api unggun, wajahmu terasa hangat walau udara di antara kalian dingin. Tiga jalur berbeda, satu tujuan: memindahkan kalor. Geser slider di bawah dan saksikan bagaimana tiap mekanisme berperilaku sendiri-sendiri.

Geser slider laju pendinginan, lalu perhatikan suhu benda yang turun makin lambat seiring mendekati suhu ruangan.

Konduksi: panas merambat lewat batang

Pada konduksi, kalor berpindah lewat tumbukan antar molekul tanpa perpindahan zat. Sendok logam yang panas di satu ujung memanaskan ujung lain karena elektron-elektron bebas dan getaran molekul meneruskan energi sepanjang logam. Logam adalah konduktor baik; kayu, kaca, dan plastik adalah isolator.

Konduktivitas termal ( $k$ ) menyatakan kemampuan suatu bahan menghantarkan kalor; makin besar $k$ , makin cepat panas merambat.

Untuk batang homogen yang ujung-ujungnya dijaga pada suhu berbeda, profil suhu sepanjang batang berupa garis lurus yang turun dari ujung panas ke ujung dingin. Makin panjang batang, makin landai kemiringannya. Pada grafik di bawah, geser slider panjang batang dan lihat profil suhu yang selalu linear.

Konveksi: kalor ikut mengalirnya zat

Pada konveksi, kalor berpindah bersama gerakan zat itu sendiri — terjadi di fluida (cairan dan gas). Air yang dipanaskan mengembang, jadi massanya per volume berkurang, lalu naik; air yang lebih dingin turun menggantikannya. Terbentuklah arus melingkar yang disebut arus konveksi.

Bayangkan ketel air di atas kompor. Air di dasar dekat api memanas, mengembang, naik ke permukaan. Di permukaan ia mendingin sedikit, lalu turun kembali ke dasar. Lingkaran ini terus berputar sampai seluruh air seragam panasnya. Angin laut, arus laut, dan sirkulasi udara di atmosfer semuanya konveksi berskala raksasa.

Diagram di bawah memperagakan satu sel konveksi secara konseptual: dua kolumn (naik panas, turun dingin) dihubungkan di atas dan bawah. Seret titik untuk merasakan bentuk sel konveksi; preser memperagankan arah aliran yang berbeda.

Radiasi: kalor tanpa perantara

Berbeda dengan konduksi dan konveksi yang butuh medium, radiasi memindahkan kalor lewat gelombang elektromagnetik — bisa melintasi vakum. Inilah sebabnya panas matahari sampai ke bumi menembus hampa angkasa. Daya yang dipancarkan benda sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya (hukum Stefan-Boltzmann).

$P = \sigma \, \varepsilon \, A \, T^4$

Arti tiap simbol: $P$ = daya radiasi (watt), $\sigma$ = konstanta Stefan-Boltzmann ( $5{,}67 \times 10^{-8}$ W/m²·K⁴), $\varepsilon$ = emisivitas (0–1), $A$ = luas permukaan (m²), $T$ = suhu mutlak (Kelvin).

Karena $P \propto T^4$ , kenaikan suhu sedikit saja membuat radiasi melonjak dramatis. Benda pada 600 K memancarkan 16 kali lebih banyak daripada benda yang sama pada 300 K. Geser slider suhu pada grafik di bawah dan rasakan betapa curamnya kurva $T^4$ .

Bandingkan: dinding berlapis

Di dunia nyata, ketiga mekanisme sering bekerja bersamaan. Dinding rumah menghambat konduksi (lapisan styrofoam), membatasi konveksi (ruang udara tertutup), dan memantulkan radiasi (lapisan alumunium foil). Diagram di bawah memodelkan dinding berlapis secara konseptual; seret titik untuk merasakan ketebalan tiap lapisan.

Mekanisme	Butuh medium?	Contoh
Konduksi	ya (padat terbaik)	sendok panas, besi setrika
Konveksi	ya (fluida)	air mendidih, angin laut
Radiasi	tidak (tembus vakum)	panas matahari, api unggun

Soal perpindahan kalor muncul di TKA Fisika elemen kalor-termodinamika (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tipe lazim: (1) mengidentifikasi mekanisme yang bekerja pada situasi tertentu, (2) membandingkan laju konduksi lewat $Q/t = k A \Delta T / L$ , (3) menerapkan hukum pendinginan Newton. Jebakan klasik: menganggap radiasi butuh medium seperti konduksi/konveksi — padahal radiasi bisa tembus vakum, itulah sebabnya panas matahari sampai ke bumi.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Secangkir kopi 80 °C didiamkan di ruangan 25 °C. Setelah 5 menit suhunya turun menjadi 60 °C. Berapa suhunya setelah 10 menit? (Gunakan hukum pendinginan Newton.)

Hukum pendinginan Newton: $T(t) = T_r + (T_0 - T_r) \, e^{-kt}$ . Substitusi data diketahui: $T_0 = 80$ , $T_r = 25$ .

Pada $t = 5$ : $60 = 25 + (80 - 25) \, e^{-5k} \Rightarrow 35 = 55 \, e^{-5k} \Rightarrow e^{-5k} = 35/55 = 0{,}636$ . Maka $-5k = \ln(0{,}636) = -0{,}452$ , sehingga $k \approx 0{,}0904$ per menit.

$T(10) = 25 + 55 \, e^{-0{,}0904 \times 10} = 25 + 55 \, e^{-0{,}904} = 25 + 55 \times 0{,}405 \approx 25 + 22{,}3 = 47{,}3$ °C. Jadi sekitar 47 °C — masuk akal, pendinginan makin lambat saat suhu mendekati ruangan.

Jebakan: menyamakan konduksi dengan konveksi. Yang benar: konduksi merambat lewat zat tanpa perpindahan zat (sendok panas); konveksi membawa kalor bersama fluida yang mengalir (air mendidih). Padat = konduksi; cairan/gas = konveksi.

Jebakan: mengira radiasi butuh medium seperti dua mekanisme lain. Yang benar: radiasi adalah gelombang elektromagnet yang tembus vakum — satu-satunya cara panas matahari sampai ke bumi menembus hampa angkasa.

Jebakan: menganggap radiasi linier terhadap suhu. Yang benar: menurut Stefan-Boltzmann, $P \propto T^4$ — pangkat empat. Doubling suhu membuat radiasi 16 kali lipat, bukan dua kali.

Tiga mekanisme: konduksi (rambat padat), konveksi (alir fluida), radiasi (gelombang, tembus vakum).
Konduksi: laju $Q/t = k \, A \, \Delta T / L$ ; profil suhu linear pada batang homogen.
Konveksi: fluida panas naik, dingin turun, terbentuk arus melingkar.
Radiasi: $P = \sigma \varepsilon A T^4$ ; pangkat empat membuat suhu sedikit naik = radiasi jauh lebih besar.
Pendinginan Newton: $T(t) = T_r + (T_0 - T_r) e^{-kt}$ ; mendingin makin lambat mendekati suhu ruangan.