Perpindahan panas/kalor yang terjadi karena perpindahan fluida (zat cair atau gas) yang menerima kalor disebut konveksi. Perpindahan fluida pada konveksi ada yang terjadi secara alamiah, ada yang terjadi karena dialirkan (perpindahan “paksa”).

a. Konveksi dalam zat cair

Konveksi alamiah terjadi dengan sendirinya. Misalnya, konveksi pada saat memasak air.  Jika air dipanaskan, maka air akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Jika massa jenis air berkurang, maka air ini menjadi lebih ringan dan naik ke atas. Air pada bagian atasnya tadi akan turun karena massa jenisnya lebih besar. Gerakan atau sirkulasi air tersebut dinamakan arus konveksi. Konveksi kalor dalam air ditunjukkan pada Gambar 1.5.6.

Contoh konveksi alami dalam keseharian lainnya yaitu konveksi udara pada sistem ventilasi rumah. Udara panas dalam rumah bergerak ke atas dan keluar melalui ventilasi. Tempat udara panas tadi digantikan oleh udara dingin yang masuk melalui ventilasi. Oleh karena arus konveksi udara ini, maka suhu udara di dalam rumah terasa lebih nyaman.

Penerapan konveksi paksa misalnya dalam teknik aliran fluida diadakan dengan sengaja, yaitu dengan mengalirkan fluida yang sudah panas ke tempat yang dituju. Misalnya pada pendinginan kendaraan bermotor, kalor yang timbul pada pembakaran bahan bakar dipindahkan ke tempat lain dengan menghembuskan udara ke bagian yang panas.

Bila kita biarkan secangkir teh panas beberapa lama di atas meja, suhu teh itu turun. Turunnya suhu teh itu sebagian disebabkan kalor dipindahkan oleh udara di sekitar cangkir melalui konveksi alamiah, sebagian oleh radiasi.

 Contoh 1.5.6.

Air yang panas akan tetap panas di dalam termos. Berikanlah argumentasi, apakah air yang dingin tetap dingin dalam termos?   

Penyelesaian:

Ya, Ruangan hampa pada termos dapat mencegah terjadinya perpindahan kalor secara konveksi dan radiasi sebab kedua perpindahan kalor tersebut memerlukan zat perantara/medium perambatan kalor. Akibatnya, air panas di dalam termos akan tetap hangat. Dan air yang dingi akan tetap dingin.

Untuk perbedaan suhu yang kecil, laju perpindahan kalor karena konveksi alamiah sebanding dengan selisih suhu benda dengan kelilingnya, yakni:

h = k A DT                                                                   (1.5.2)

dengan  h = kalor yang mengalir tiap satuan waktu, k = koefisien konveksi, dan DT = selisih temperatur. Nilai k bergantung pada bentuk dan orientasi permukaan yaitu “sikap” permukaan itu, tegak, miring, mendatar, menghadap ke bawah, menghadap ke atas. Nilai k untuk benda tertentu diperoleh secara percobaan. Misalnya untuk tubuh manusia ditemukan k»7,1 Js-m-2K-1

Contoh 1.5.7

            Seorang yang tanpa pakaian memiliki suhu kulit 33⁰C di kamar yang suhunya 29⁰C. Bila luas permukaan badan orang itu kira-kira 1,5 m², analisislah secara deduktif berapakah laju kalor yang dilepaskan badan orang itu melalui konveksi alamiah?

Penyelesaian:

Dengan menggunakan persamaan 1.5.2.

h = k A DT

   = (7,1 Js^-1m^-2K^-1)( 1,5 m²)(306K – 302K) = 4,6 J/s

b. Penerapan konveksi kalor dalam air pada kehidupan sehari-hari.

    1) Pemanasan air dalam ketel

Pada saat kita memanaskan air dalam ketel, maka terjadi pemindahan kalor secara konduksi dan konveksi.

   Gambar 1.5.7. Pemanasan air dalam ketel

                 terjadi secara konduksi dan konveksi

2) Sistem aliran panas

Di hotel-hotel besar, tiap-tiap kamar mandi biasanya disediakan kran air dingin dan kran air hangat. Air panas dialirkan dari tempat pemanasan dan penyimpanan air panas ke seluruh bangunan secara konveksi. Bagan sistem aliran air panas ditunjukkan pada Gambar 1.5.8.

Gambar 1.5.8. Bagan sistem aliran air panas

Pada saat air dalam ketel dipanasi, maka air panas dalam ketel naik mengisi tangki penyimpanan dan air dingin dalam tangki penyimpanan turun ke ketel pemanasan sehingga keseluruhan air dalam sistem menjadi panas. Jika kran A dibuka, air panas di bagian atas tangki penyimpanan keluar dan air dingin dari pusat persediaan air masuk ke tangki B melalui pipa dengan katub yang diatur oleh gerakan naik turunnya bola pelampung, sehi  ngga jumlah airdalam sistem tetap. Demikian seterusnya sehingga air panas terus tersedia. Pipa C berfungsi untuk mengalirkan uap panas atau limpahan air yang terjadi karena pemanasan.

c. Konveksi dalam udara

Arus konveksi pada udara atau gas terjadi ketika udara panas naik dan udara yang lebih dingin turun. Konveksi udara dapat dilihat pada gambar di bawah. Jika lilin dinyalakan akan terjadi aliran udara panas dalam alat. Dengan menggunakan asap dari obat nyamuk yang dibakar, aliran udara terlihat. Udara panas akan naik dan udara dingin akan turun. Penerapan konsep konveksi kalor dalam udara pada kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada terjadinya angin laut, angin darat dan pembuatan cerobong asap pada tangki pabrik.                       

                    Gambar 1.5.9. Peristiwa konveksi dalam udara                        

Contoh 1.5.8

Jika obat nyamuk diletakkan di cerobong 2 seperti pada Gambar 1.5.10. Mengapa aliran asap menuju cerobong 1? Berikanlah argumentasi pendapat Anda!

 Gambar 1.5.10. Aliran asap pada konveksi

Penyelesaian:

Aliran asap menuju cerobong 1. Hal ini terjadi karena pergerakan atau aliran energi kalor yang terjadi akibat perbedaan massa jenis. Rapat massa dari udara yang berada dekat pemanas (lilin) menjadi lebih kecil. Hal ini karena partikel-partikel udara pada lubang yang berisi lilin (cerobong 1) menerima kalor sehingga udara tersebut memuai. Partikel udara yang telah panas ini akan bergerak ke atas, sedangkan udara yang lebih dingin pada cerobong dua akan turun mengisi tempat yang ditinggalkan udara yang telah panas tadi. Rapat massa udara yang berada pada cerobong dua ini lebih besar sehingga masuk ke dalam cerobong.

1) Angin laut (terjadi siang hari)

Pada siang hari daratan lebih cepat panas dari pada lautan. Akibatnya udara di atas daratan naik, dan kekosongan udara tersebut akan digantikan oleh udara yang lebih dingin dari atas laut yang bertiup ke darat. Proses konveksi dalam udara pada siang hari inilah dikenal dengan angin laut.

Gambar 1.5.11. Angin laut

2) Angin darat (terjadi malam hari)

Pada malam hari daratan lebih cepat dingin dari pada lautan, karena daratan lebih cepat melepaskan kalor. Akibatnya udara panas di lautan naik dan kekosongan tersebut digantikan oleh udara yang lebih dingin dari atas daratan yang bertiup ke laut. Proses konveksi dalam udara pada malam hari inilah dikenal dengan angin darat.

Gambar 1.5.12. Angin darat