Pindah Panas dalam Bahan Pangan

ABSTRACT

Heat transfer is the transfer of energy occurring to high temperature objects or materials to low temperature objects or materials, to achieve heat balance. Specific heat (C_p) controls the temperature difference (dT) by adding a certain amount of heat (dQ) to one gram of material. Thermal conductivity (k) is the heat rate per time (q) through material of thickness (x) and surface area (A) and there is a temperature difference (dT) between the two sides. The purpose of this practices is to know the specific heat and thermal conductivity of the sample. From practice result, the largest specific heat is guava juice 5541 J/kg⁰C on the hotplate and jam 4419 J/kg⁰C on coldplate. The largest thermal conductivity of apples in both devices is 25.87 W/m⁰C and 10.18 W/m⁰C on hotplate and coldplate.

Key words: heat transfer, specific heat, thermal conductivity, temperature

ABSTRAK

Perpindahan panas adalah perpindahan energi yang terjadi pada benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, hingga tercapainya kesetimbangan panas. Panas spesifik (C_p) mengendalikan kenaikan temperatur (dT) oleh penambahan sejumlah panas (dQ) pada satu gram material. Konduktivitas termal (k) adalah laju panas persatuan waktu (q) yang melalui suatu bahan pangan ketebalan (x) dan luas permukaan (A) dan terdapat perbedaan suhu (dT) diantara kedua sisinya. Tujuan praktikum ini untuk mengetahui panas spesifik dan konduktivitas termal dari sampel. Dari hasil praktikum diperoleh panas spesifik pada hotplate terbesar dimiliki jus jambu sebesar 5541 J/kg⁰C dan selai sebesar pada alat coldplate. Konduktivitas terbesar dimiliki apel pada kedua alat yaitu sebesar 25.87 W/m⁰C dan 10.18 W/m⁰C pada alat hotplate dan coldplate.

Kata kunci: konduktvitas termal, panas spesifik, perpindahan panas, temperatur

PENDAHULUAN

Perpindahan panas adalah perpindahan energi yang terjadi pada benda atau material yang bersuhu tinggi ke benda atau material yang bersuhu rendah, hingga tercapainya kesetimbangan panas. Kesetimbangan panas terjadi jika panas dari sumber panas sama dengan jumlah panas benda yang dipanaskan dengan panas yang disebarkan oleh benda tersebut ke medium sekitarnya. Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme yaitu konduksi, konveksi dan radiasi (Nurzannah, 2014).

Perpindahan panas mempelajari bagaimana panas dapat berpindah dari peralatan atau sistem pengolahan ke dalam bahan pangan atau sistem pengolahan ke dalam bahan pangan dan bagaimana karakteristik termal bahan pangan akibat penerapan panas tersebut menjadi kajian yang sangat penting dalam mengoptimalisasi proses pengolahan.

Panas spesifik atau panas jenis adalah sifat termal penting lain untuk operasi pemrosesan untuk menentukan jumlah panas yang diperlukan proses tersebut. Jadi panas spesifik (digunakan lambang C_p untuk panas spesifik pada tekanan tetap) mengendalikan kenaikan temperatur dT oleh penambahan sejumlah panas dQ pada satu gram material jadi dQ = m. C_p.dT. (Smallman dkk, 2000)

Menurut Toledo 2007, salah satu model yang paling awal diggunakan untuk menghitung panas spesifik adalah yang diusulkan oleh Siebel (1892):
C_p = 0,837 + 3,349 X_w

dimana X_w adalah kadar air yang dinyatakan sebagai fraksi massa. Model ini tidak menunjukkan pengaruh suhu atau komponen-komponen lain dalam produk pangan.

Pengaruh komponen-komponen produk dinyatakan dalam suatu persamaan empiris yang dikemukakan oleh Charm (1971):

C_p = 2,093 X_f + 1,256 X_s + 4,187 X_w

dimana X adalah fraksi massa; dan subskrip f adalah padatan lemak, s adalah nonlemak dan w adalah air.

Heldman dan Singh (1981) mengemukaan persamaan yang didasarkan pada komponen-komponen suatu produk pangan:

 C_p = 1,424 X_c + 1,549 X_p + 1,675 X_f + 0,837 X_a + 4,187 X_w
dimana X adalah fraksi massa; dan subskrip c adalah karbohidrat, p adalah protein, subskrip f adalah padatan lemak, a adalah abu dan w adalah air.

Persamaan-persamaan diatas tidak memasukkan keterkaitannya dengan suhu. Namun, untuk proses-proses dimana suhu berubah harus menggunakan model-model prediktif panas spesifik yang memasukkan keterkaitannya dengan suhu. Choi dan Okos (1987) mempresentasikan suatu model komprehensif untuk mendga panas spesifik berdasarkan pada komposisi dan suhu. Model tersebut sebagai berikut:

Protein:

Cp_p = 2008.2 + 1208.9 × 10⁻³ T − 1312.9 × 10⁻⁶ T²

Lemak:

Cp_f = 1984.2 + 1473.3 × 10⁻³ T − 4800.8 ×10⁻⁶ T²

Karbohidrat:

Cp_c = 1548.8 + 1962.5 × 10⁻³ T − 5939.9 × 10⁻⁶ T²

Serat:

Cp_fi = 1845.9 + 1930.6 × 10⁻³ T − 4650.9 × 10⁻⁶ T²

Abu:

Cp_a = 1092.6 + 1889.6 × 10⁻³ T − 3681.7 × 10⁻⁶ T²

Air diatas suhu pembekuan:

Cp_waf = 4176.2 − 9.0864 × 10⁻⁵ T + 5473.1 × 10⁻⁶ T²

Panas spesifik dari campuran diatas suhu pembekuan adalah:

C_avg = P(Cp_p) + F(Cp_f) + C(Cp_c) + Fi(Cp_fi) + A(Cp_a) + M(Cp_waf)

dimana P, F, Fi, A, C dan M, adalah fraksi massa dari protein, lemak, serat, abu, karbohidrat dan air diatas suhu pembekuan.

Konduktivitas termal (k) adalah sifat bahan dan menunjukkan jumlah panas yang mengalir melintasi satu satuan luas jika gradien suhunya satu. Bahan yang mempunyai konduktivitas termal yang tinggi dinamakan konduktor sedangkan bahan yang konduktivitas termalnya rendah disebut isolator (Iskandar, 2014).

Keterangan:

k     = konduktivitas termal (W/m⁰C)

m    = massa air (kg)

C_p   = panas spesifik (J/kg⁰C)

dT_w = perubahan suhu air (⁰C)

t      = waktu (s)

A     = luas permukaan (m²)

dT_s = perubahan suhu sampel (⁰C)

Konduktivitas termal bahan bervariasi dengan komposisi dan, dalam beberapa kasus, fisik komponen. Makanan, yang berasal dari biologis memiliki komposisi yang sangat bervariasi dan struktur, oleh karena itu, k pada makanan yang disajikan dalam tabel tidak selalu sama untuk semua makanan di kategori yang tercantum. Efek variasi komposisi material pada nilai termal konduktivitas, telah dilaporkan oleh Choi dan Okos (1987). Prosedur mereka dapat digunakan untuk memperkirakan k dari komposisi. k dihitung dari konduktivitas termal k_i komponen murni dan fraksi volume tiap komponen, X_vi. Asumsi penting yang digunakan dalam prosedur estimasi ini adalah bahwa kontribusi masing-masing komponen terhadap konduktivitas termal komposit sebanding dengan fraksi volume komponen sebagai berikut:

Konduktivitas termal (W/mK) dari air (k_w), es (k_ic), protein (k_p), lemak (k_f), karbohidrat (k_c), serat (k_fi) dan abu (k_a) dihitung dalam temperatur ⁰C:

k_w= 0.57109 + 0.0017625 T − 6.7306 × 10⁻⁶ T²

k_ic= 2.2196 − 0.0062489 T + 1.0154 × 10⁻⁴ T²

k_p = 0.1788 + 0.0011958 T − 2.7178 × 10⁻⁶ T²

k_f  = 0.1807 − 0.0027604 T − 1.7749 × 10⁻⁷ T²

k_c = 0.2014 + 0.0013874 T − 4.3312 × 10⁻⁶ T²

k_fi = 0.18331 + 0.0012497 T − 3.1683 × 10⁻⁶ T²

k_a = 0.3296 + 0.001401 T − 2.9069 × 10⁻⁶ T²

Fraksi volume X_vi dari setiap komponen dapat dicari dengan cara:

Massa jenis dari tiap komponen diperoleh dari:

ρ_w   = 997.18 + 0.0031439 T − 0.0037574    T²

ρ_ic  = 916.89 − 0.13071 T

ρ_p  = 1329.9 − 0.51814 T

ρ_f   = 925.59 − 0.41757 T

ρ_c  = 1599.1 − 0.31046 T

ρ_fi  = 1311.5 − 0.36589 T

ρ_a  = 2423.8 − 0.28063 T (Toledo, 2007)

METODELOGI

Bahan dan alat

Bahan yang digunakan yaitu air, apel, jus jambu, selai, sosis dan susu.

Alat yang digunakan yaitu beaker glass, coldplate, hotplate, infrared thermometer, neraca analitik, penggaris, pisau, spatula dan stopwatch.

Penentuan Panas Spesifik

Disiapkan 10 gram air dan 10 gram sampel kemudian ditaruh diatas hotplate/coldplate selama 5 menit dengan suhu 50⁰C untuk hotplate dan 0⁰C untuk coldplate. Dicatat suhu awal dan akhir sebelum dipanaskan/didinginkan, kemudian dihitung panas spesifiknya.

Perhitungan panas spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Keterangan:

m_a        = massa air (kg)

C_p        = panas spesifik (kJ/kg⁰C)

dT        = perubahan suhu (⁰C)

Q         = panas kalor (kJ)

Penentuan Konduktivitas Termal

Disiapkan 10 gram air dan 10 gram sampel, diukur ketebalan dan luas permukaan sampel, kemudian ditaruh diatas hotplate/coldplate selama 5 menit dengan suhu 50⁰C untuk hotplate dan 0⁰C untuk coldplate. Dicatat suhu awal dan akhir sebelum dipanaskan/didinginkan. Kemudian dihitung konduktivitas termalnya.

Perhitungan konduktivitas termal dapat dihitung menggunakan rumus:

Keterangan:

k          = konduktivitas termal (W/m⁰C)

m         = massa air (kg)

C_p        = panas spesifik (J/kg⁰C)

dT_w      = perubahan suhu air (⁰C)

t           = waktu (s)

A         = luas permukaan (m²)

dT_s       = perubahan suhu sampel (⁰C)

  

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 1. Hasil perhitungan panas spesifik (hotplate)

Sampel	Panas Spesifik (J/kg0C)
Susu	2293
Jus Jambu	5541
Selai	3971

Tabel 2. Hasil perhitungan panas spesifik (coldplate)

Sampel	Panas Spesifik (J/kg0C)
Susu	3567
Jus Jambu	3096
Selai	4419

Pada pengukuran panas spesifik sampel ditimbang terlebih dahulu, suhu awal dan suhu akhir pada sampel dan air diuku untuk selanjutnya dapat dimasukkan ke dalam perhitungan. Q yang dilepas = Q yang diterima, dari rumus tersebut nilai panas spesifik dari suatu bahan pun dapat dihitung.

Tabel 3. Hasil perhitungan konduktivitas termal (hotplate)

Sampel	Konduktivitas Termal (W/m0C)
Apel	10.18
Sosis	3.54

Tabel 4. Hasil perhitungan konduktivitas termal (coldplate)

Sampel	Konduktivitas Termal (W/m0C)
Apel	25.87
Sosis	13.3

Pada pengukuran konduktivitas termal, sampel tidak ditimbang dahulu namun diukur panjang, lebar dan tingginya untuk menghitung luas permukaan dan ketebalan sampel untuk selanjutnya dapat dimasukkan ke dalam perhitungan. Suhu awal dan suhu akhir pada sampel dan airpun harus diukur.

Dari hasil praktikum dan perhitungan di atas antara hotplate dengan coldplate berbeda cukup jauh. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa hal antara lain, pada alat suhunya tidak merata, pengukuran suhu yang kurang tepat dan waktu yang kurang bersamaan dalam mengukur suhunya.

Dilakukan percobaan pada hotplate dan coldplate tujuannya untuk membandingkan hasil panas spesifik dan konduktivitas termal yang seharusnya sama.

Untuk mengetahui panas spesifik dan konduktivitas termal yang sebenarnya perlu dilakukan analisis pada bahan seperti komponen-komponen yang terdapat dalam bahan seperti karbohidrat, protein, lemak, serat, abu dan airnya. Hal ini dilakukan untuk dapat membandingkan hasilnya dengan percobaan yang dilakukan.

Bila digunakan hasil panas spesifik dan konduktivitas termal dari literatur lain tanpa dilakukan analisis pada bahan yang sama maka hasilnya tidak akan spesfik karena setiap bahan mempunyai jumlah komponen-komponen gizi yang berbeda-beda. Contoh susu X kandungannya tidak sama dengan suhu Y. Maka dari itu dari hasil praktikum kali ini tidak dapat ditentukan hasil panas spesifik dan konduktiivitas bahan yang sebenarnya.

KESIMPULAN

Dari hasil praktikum diperoleh panas spesifik (hotplate) susu sebesar 2293 J/kg⁰C, jus jambu sebesar 5541 J/kg⁰C, selai sebesar 3971 J/kg⁰C dan konduktivitas termal (hotplate) apel 10.18 W/m⁰C dan sosis sebesar 3.54 W/m⁰C sedangkan panas spesifik (coldplate) susu sebesar 3567 J/kg⁰C, jus jambu sebesar 3096 J/kg⁰C, selai sebesar 4419 J/kg⁰C dan konduktivitas termal (hotplate) apel 25.87 W/m⁰C dan sosis sebesar 13.3 W/m⁰C. Dari kedua alat didapatkan hasil panas spesifik dan konduktivitas termal yang berbeda. Panas spesifik paling besar dimiliki oleh jus jambu pada alat hotplate dan selai pada alat coldplate, sedangkan konduktivitas termal paling besar dimiliki apel pada kedua alat.

DAFTAR PUSTAKA

Charm, S. E. l971. Fundamentals of Food Engineering. 2nd ed. AVI Publishing Co., 

       Westport, CT.

Choi, Y. and Okos, M. R. 1987. Effect of temperature and composition on thermal 

      properties of foods. In: Food    Engineering and Process Applications. M. Le Maguer 

      and P. Jelen, Eds. Vol. 1. Elsevier, New York.

Heldman, D. R. and Singh, R. P. 1981. Food      Process Engineering. AVI Publishing    Co., 

      Westport, CT.

Iskandar. 2014. Perpindahan Panas. Deepublush, Yogyakarta.

Nurzannah. 2014. Solusi Analitik Dan Solusi Numerik Konduksi Panas Pada Arah Radial 

       Dari Pembangkit Energi Berbentuk Silinder. Universitas Sumatera Utara, Medan.

Smallman, R. E. dan Bishop, R. J. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa   Material. 

       Erlangga, Jakarta.

Toledo, Romeo T. 2007. Fundamentals of Food Process Engineering 3^rd ed. University of 

      Georgia, Georgia.

PDFnya disini

Kalau linknya bermasalah bisa komen di bawah atau kontak aku di ig ya