HIDROMETEOROLOGI Tatap Muka Kelima (SUHU UDARA)

Transkripsi

1 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

2 1. Perbedaan Suhu dan Panas Ek = ½ m v 2 = 3/2 NkT Dengan : Ek = energi kinetik rata-rata dari molekul gas m = massa sebuah molekul v 2 = 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

3 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

4 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 ( ). 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

5 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 (c v ) dan panas jenis pada tekanan tetap (c p ). Berdasarkan persamaan diatas, maka untuk udara kapasitas panasnya menjadi : C = m c v (pers. 4a) atau : C = n c v * (pers. 4b) Persamaan diatas bila digabungkan dgn persamaan 2, dapat digunakan untuk menghitung panas jenis udara sebagai : c v = C/m = Q/(m. T) (pers. 5a) 5

6 atau c v * = C/m = Q/(n. T) (pers. 5b) Sedangkan hubungan antara penambahan/ pengurangan panas per satuan massa atau mol ( Q/m atau Q/n) dgnperubahansuhu( T) dapat dituliskan sebagai : Q/m = c v. T (pers. 6a) atau Q/n = c v *. T (pers. 6b) 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 (c v 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

7 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. 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

8 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

9 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 -2 K -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

10 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 bersamasamadgnfluidaygbergerak. 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

11 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 r a. Nilai r a 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 Stefan- Boltzman). Energi radiasi gelombang panjang yg dipancarkan permukaan bumi sebagian diserap atmosfer dan sisanya akan keluar dari sistem atmosfer bumi. 11

12 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