Bagaimana Panas Bergerak atau Berpindah?

Energi panas adalah energi gerak dari atom-atom. Karena semua atom terus bergerak, materi selalu mempunyai energi.

Di alam semesta ini, wajar bagi energi untuk mengalir dari satu tempat ke tempat lain. Secara alami panas akan mengalir dalam satu arah saja yakni “mengalir dari zat-zat yang lebih panas ke arah zat-zat yang lebih dingin”. 

Bayangkan kamu sedang berada di suatu ruangan yang dingin, dan menghidupkan pemanas listrik. Energi panasnya akan bergerak keluar dari pemanas ke atom-atom udara yang dingin, dan akhirnya ruangannya menjadi lebih panas.

Meskipun panas secara alami bergerak dari materi yang lebih hangat ke materi yang lebih dingin, panas dapat dipaksa untuk mengalir ke arah yang berlawanan. Sebagai contoh, dalam lemari es, panas secara terus menerus diambil dari ruangan dalam yang dingin dan dibuang ke udara luar yang lebih panas. Demikian juga ketika suhu udara lebih dingin daripada suhu normal tubuh (37 derajat celcius), panas mengalir keluar dari tubuh kita menuju udara. 

Namun perlu diperhatikan bahwa suhu berbeda dengan panas. Suhu adalah ukuran seberapa banyak energi panas yang tersimpan dalam setiap molekul suatu zat. Semakin tinggi suhu suatu zat, semakin banyak energi yang tersimpan dalam zat itu.

Panas bergerak secara alami dengan tiga cara. Prosesnya dikenal sebagai:

1. konduksi

2. konveksi

3. radiasi

Terkadang lebih dari satu proses bisa terjadi bersamaan. Contohnya ketika kita meletakan ujung besi pada api maka panas dipindahkan dari ujung yang panas ke ujung yang dingin melalui konduksi, namun pada saat yang sama ujung yang panas dari batang besi tersebut juga memancarkan panas melalui cahaya oranye tersebut secara radiasi.

Perlu diingat bahwa semua materi terbuat dari atom - baik yang tunggal atau yang terikat dalam kelompok yang dikenal sebagai molekul.

Atom dan molekul ini selalu bergerak. Jika mereka memiliki massa yang sama, atom dan molekul panas bergerak rata-rata lebih cepat dari yang dingin. Bahkan jika atom terkunci dalam keadaan padat, mereka tetap bergetar bolak-balik di sekitar posisi rata-rata. 

Dalam cairan, atom dan molekul bebas mengalir dari satu tempat ke tempat lain. Dalam gas, mereka bahkan lebih bebas bergerak dan akan benar-benar menyebar dalam volume di mana mereka terjebak. Beberapa contoh putaran arus panas yang paling mudah dipahami terjadi di dapur.

1. KONDUKSI

Letakkan panci di atas stovetop dan nyalakan panasnya. Logam yang duduk di atas kompor tersebut akan menjadi bagian pertama dari panci yan menjadi panas. Atom di dasar panci akan mulai bergetar lebih cepat saat menghangat. Mereka juga bergetar lebih jauh bolak-balik dari posisi rata-rata mereka. 

Saat mereka bertemu tetangga mereka, mereka berbagi dengan tetangga itu beberapa energi mereka.

Anggap ini sebagai versi bola yang sangat kecil dan dibenturkan ke bola lain seperti pada saat pertandingan biliar. Bola target, yang sebelumnya duduk diam, dapatkan beberapa energi sehingga akan bergerak atau berpindah. 

Akibat benturan dengan tetangga mereka yang lebih hangat, atom mulai bergerak lebih cepat. Dengan kata lain, mereka sekarang sedang memanas. Atom-atom ini, pada gilirannya, akan memindahkan beberapa energi yang meningkat ke tetangga bahkan lebih jauh dari sumber panas aslinya.

Konduksi panas yang melalui logam padat ini menjelas bagaimana pegangan wajan menjadi panas meski mungkin tidak ada sumber panasnya.

2. KONVEKSI

Konveksi terjadi bila bahan bebas bergerak, seperti cairan atau gas. Sekali lagi, pertimbangkan panci di atas kompor. Masukkan air ke dalam panci, lalu nyalakan panasnya. Saat wajan menjadi panas, sebagian dari panas itu beralih ke molekul air yang berada di dasar panci melalui konduksi. Itu mempercepat gerakan molekul air tersebut – mereka memanas.

Saat air di bagian dasar panci mulai hangat, air mulai mengembang sehingga membuatnya kurang padat atau rapat. Hal ini akan menyebabkan air yang berada di bagian bawah akan bergerak naik ke bagian atas yang airnya lebih padat. Ketika ia naik, ia juga membawa panas dari dasar panci.

Sedangkan air dingin akan mengalir turun ke bawah untuk mengambil tempatnya di sebelah bagian bawah panci yang panas. Karena air ini menghangat, ia mengembang dan naik, mengangkut energinya yang baru diperoleh dengan airnya. Singkatnya, aliran melingkar dari kenaikan air hangat dan air dingin yang turun semakin kencang. Pola edaran perpindahan panas ini dikenal dengan konveksi.

Proses ini juga yang menghangatkan makanan dalam oven. Udara yang dihangatkan oleh elemen pemanas atau nyala api di bagian atas atau bawah oven membawa panas ke zona tengah tempat makanan berada.

Udara yang hangat di permukaan bumi mengembang dan naik seperti air di panci di atas kompor. Sedangkan di lautan, konveksi yang disebabkan oleh pemanasan dan pendinginan membantu menggerakkan arus laut. Arus ini memindahkan air ke seluruh dunia.

3. RADIASI

Jenis ketiga transfer energi adalah dalam beberapa hal yang paling tidak biasa. Ini bisa bergerak melalui materi – atau tanpa adanya materi. Ini adalah radiasi. Radiasi, seperti energi elektromagnetik yang memancar dari matahari adalah satu-satunya jenis transfer energi yang bekerja di ruang kosong.

Tidak seperti konduksi dan konveksi, radiasi tidak memerlukan bahan untuk mentransfer energinya. Cahaya, sinar-X, gelombang inframerah (radiasi inframerah), dan gelombang radio semua melakukan perjalanan ke Bumi dari jangkauan alam semesta. Bentuk radiasi tersebut akan melewati banyak ruang kosong di sepanjang perjalanannya.

Sinar-X, cahaya tampak, radiasi infra merah, gelombang radio adalah berbagai bentuk radiasi elektromagnetik. Setiap jenis radiasi jatuh ke pita frekuensi tertentu. Jenis-jenis radiasi tersebut berbeda dalam jumlah energi yang mereka miliki.

Secara umum, semakin panjang panjang gelombang, semakin rendah frekuensi jenis radiasi tertentu dan semakin sedikit energi yang dimilikinya.

Penting untuk dicatat bahwa lebih dari satu bentuk perpindahan panas dapat terjadi pada waktu bersamaan. Kompor tidak hanya memanaskan panci, tapi juga memanaskan udara di dekatnya dan membuatnya kurang rapat. Hal ini akan membawa kehangatan ke atas secara konveksi.

Tetapi pembakaran juga memancarkan panas seperti gelombang infra merah sehingga akan membuat keadaan di dekatnya menjadi hangat. Dan jika Anda menggunakan wajan besi untuk memasak, pastikan untuk meraih pegangan dengan pengaman.

SUMBER RUJUKAN

- www.sciencenewsforstudents.org dengan judul artikel “explainer how heat moves” (https://www.sciencenewsforstudents.org/article/explainer-how-heat-moves) diakses pada senin, 12 juli 2017.