Neraca Energi Cangkang; Kondisi Batas
SHELL ENERGY BALANCES; BOUNDARY CONDITIONS
Masalah-masalah yang dibahas dalam bab ini disusun dengan menggunakan neraca energi cangkang. Kami memilih sebuah pelat (atau cangkang) yang permukaannya tegak lurus terhadap arah konduksi panas, kemudian kami menuliskan pernyataan hukum konservasi energi untuk sistem ini. Untuk sistem keadaan mantap (yaitu, tidak tergantung waktu), kami menuliskan:
Transport energi konveksi dibahas di 9.7, sedangkan transport molekuler (konduksi panas) di 9.1, dan kerja molekuler di 9.8. Ketiga istilah ini digabungkan menjadi “flux energi gabungan” e seperti di Eq. 9.8-6. Dalam menyusun masalah di sini (dan di bab berikutnya), kita akan menggunakan vektor e bersama dengan ekspresi entalpi di Eq. 9.8-8. Dalam sistem tanpa aliran (v = 0), e menyederhana menjadi vektor q menurut hukum Fourier.
Istilah produksi energi di Eq. 10.1-1 mencakup (i) degradasi energi listrik menjadi panas, (ii) panas dari perlambatan neutron dan fragmen nuklir yang terbebaskan dalam proses fisi, (iii) panas dari disipasi viskos, dan (iv) panas dari reaksi kimia. Sumber panas dari reaksi kimia akan dibahas lebih lanjut di Bab 19. Eq. 10.1-1 adalah pernyataan hukum termodinamika pertama untuk sistem “terbuka” pada kondisi keadaan mantap. Di Bab 11, pernyataan ini—diperluas ke sistem keadaan tidak mantap—akan ditulis sebagai persamaan perubahan.
Setelah Eq. 10.1-1 ditulis untuk pelat atau cangkang tipis, ketebalan pelat atau cangkang dibiarkan mendekati nol. Prosedur ini menghasilkan ekspresi untuk distribusi suhu yang mengandung konstanta integrasi, yang dievaluasi dengan kondisi batas. Jenis kondisi batas yang umum adalah:
a. Suhu dapat ditentukan pada sebuah permukaan.
b. Aliran panas normal terhadap permukaan dapat diberikan (setara dengan menentukan komponen gradien suhu normal).
c. Pada antarmuka, kontinuitas suhu dan aliran panas normal terhadap antarmuka diperlukan.
d. Pada antarmuka padat-cair, komponen aliran panas normal dapat dikaitkan dengan perbedaan antara suhu permukaan padat T_o dan suhu “bulk” cair T_b;
Hubungan ini disebut hukum pendinginan Newton. Sebenarnya ini bukanlah “hukum” melainkan persamaan definisi untuk h, yang disebut koefisien transfer panas. Bab 14 membahas metode untuk memperkirakan koefisien transfer panas.
Keempat jenis kondisi batas ini ditemukan dalam bab ini. Jenis kondisi batas lainnya mungkin juga ada dan akan diperkenalkan sesuai kebutuhan.