Sulap elektrokimia

Dalam kimia, banyak hal dalam kehidupan sehari-hari yang bagi orang awam sangat mempesona tetapi sebenarnya sesuatu yang sangat biasa. Dr. Joe Schwarcz, Direktur McGill University Office for Chemistry and Society, Kanada, dalam bukunya “The Genie in the Bottle” memberikan beberapa pandangan singkat tentang bagaimana kimia ini bekerja dalam dunia yang kompleks. Bagi generasi yang masa anak-anak atau remajanya berada pada tahun 1970-an mungkin masih ingat film seri “I dream of Jeannie” yang disiarkan TVRI setiap sore. Film seri tersebut bercerita tentang jin (Jeannie) yang berusia 2000 tahun yang ditemukan berada dalam botol di suatu gurun pasir oleh seorang astronot Kapten Tony Nelson yang jatuh di daerah tersebut. Kapten Nelson kemudian menjadi tuannya, Genie jatuh cinta kepadanya dan kemudian mereka menikah. Barangkali cerita tersebut yang mengilhami Dr. Joe memberi judul bukunya.

Dalam pengantarnya Dr. Joe menceritakan pengalamannya ketika pada suatu malam yang gelap dan berbadai didatangi seorang penjual filter air. Penjual tersebut mengatakan kepada Dr. Joe agar tidak minum air ledeng karena katanya air tersebut mengandung bahan kimia, bahan kimia yang tidak tampak. Untuk membuktikan ucapannya, penjual tersebut mengeluarkan peralatan dari dalam kopernya yang berupa alat listrik yang dipasangi dua batang logam seperti elektroda. Ia minta segelas air ledeng, membauinya dan tampak sangat yakin kalau air tersebut cukup beracun. Kemudian, ia mencelupkan elektroda ke dalam air dan memasukkan alat tersebut ke colokan listrik di dinding. Dalam beberapa detik air berubah menjadi keruh, dan dalam 1 menit terbentuk gumpalan berwarna kuning.

“Lihat,” pria tersebut berteriak dengan penuh kemenangan, untuk menunjukkan bahwa dengan mengalirkan listrik ke dalam air ia berhasil menakut-nakuti bahan kimia nakal keluar dari larutan. Racun yang telah dengan nyaman terlarut sampai ketakutan tersengat listrik sehingga dengan segera keluar menjadi gumpalan.

Penjual tersebut kemudian mengambil filter air dari tasnya, memasang di kran air, mengambil segelas air dan memberi perlakuan seperti sebelumnya. Kali ini air tidak mejadi keruh dan tidak muncul gumpalan berwarna kuning. “Lihat, bahan kimia tak nampak dan beracun telah berhasil disaring oleh filter.”

Sekarang giliran Dr. Joe yang memberi pelajaran kimia. Dr. Joe mengambil gelas berisi air yang ada gumpalan kuning tadi dan meminumnya. Wajah penjual berubah menjadi pucat karena mengira Dr. Joe mau bunuh diri dengan meminum air tersebut. Tetapi tidak terjadi apa-apa. Dr. Joe kemudian mengambil gelas berisi air yang telah disaring tadi, menambahkan beberapa butir garam, mencelupkan elektroda kedalamnya dan menyambungkan alat ke sumber listrik. Yang terjadi sangat mengherankan si penjual karena sekarang muncul kekeruhan dan gumpalan kuning. Kemudian Dr. Joe mengambil segelas air langsung dari kran, mengganti batang besi alat si penjual dengan alumunium dan mengulangi percobaan seperti sebelumnya. Kali ini tidak muncul kekeruhan dan gumpalan kuning. Si penjual terpaku dan terdiam seribu bahasa.

Dr. Joe kemudian menjelaskan bahwa warna kuning tidak datang dari bahan kimia tak nampak yang ada dalam air, tetapi berasal dari salah satu elektroda. Elektrolisa adalah percobaan kimia klasik dimana dua elektroda dicelupkan dalam air dan arus dialirkan diantara keduanya. Ini menyebabkan air terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Untuk kasus alumunium, ini yang terjadi. Tetapi jika salah satu elektroda terbuat dari besi (anoda), besi bereaksi dengan air membentuk endapan kuning besi oksida – atau karat. Jadi yang diminum oleh Dr. Joe hanyalah sedikit karat, untuk anggap saja minum suplemen besi untuk tubuh.

Sekarang pertanyaannya, kenapa untuk kasus air disaring dan kemudian ditambahkan garam gumpalan kuning terbentuk? (hs)

Jawab: ketika disaring, ion khlor dll. tersaring dan menempel di filter sehingga air memiliki konduktivitas listrik yang sangat kecil yang membuatnya tidak mampu mengalirkan listrik. ketika ditambah garam, konduktivitas listrik air meningkat dan air mampu menghantarkan listrik dan oksidasi besi dapat terjadi.

Bagaimana memilih jurnal untuk publikasi?

Barangkali banyak dosen/peneliti yang ketika ingin untuk mempublikasikan hasil penelitiannya pada jurnal ilmiah bingung memilih jurnal mana yang dituju. Kalau dasar untuk mempublikasikan itu hanya untuk memenuhi persyaratan kenaikan pangkat atau hal yang terkait, yang dilihat terlebih dahulu adalah apakah jurnal yang dituju itu dapat digunakan untuk keperluan itu. Kemristekdikti memilih jurnal terindeks SCOPUS yang diakui sebagai jurnal bereputasi dan dapat digunakan untuk syarat kenaikan pangkat, terutama ke profesor. Celakanya, tiap tahun SCOPUS sendiri secara periodik mengeluarkan pengumuman tentang jurnal yang berubah statusnya menjadi tidak terindeks lagi. Ini bisa menjadi masalah.

Terlepas dari polemik di atas, memilih jurnal untuk mempublikasikan hasil penelitian merupakan langkah penting pertama. Mungkin kita sepakat bahwa tujuan dari publikasi itu salah satunya adalah untuk mengkomunikasikan hasil penelitian yang telah kita capai kepada khalayak, terutama yang memiliki penelitian yang sebidang. Namun dalam era penelitian saat ini, beberapa bidang penelitian menjadi lebur dan tidak ada garis batas yang jelas antar bidang satu dengan bidang lain. Jadi intinya memilih jurnal untuk publikasi adalah mengidentifikasi jurnal yang mungkin cocok untuk topik yang akan kita publikasikan, dan juga akan menentukan peluang manuskrip kita diterima untuk publikasi.

Sebelum memilih jurnal ada baiknya kita meneliti terlebih dahulu tentang jurnal tersebut yang dapat dilihat dari faktor kunci seperti: kinerjanya, jangkauannya, platformnya apakah akses terbuka atau terbatas untuk pelanggan, penerbitnya, dan masih banyak lagi. Ini adalah langkah awal untuk melihat apakah penerbit adalah sebuah penerbit atau perusahaan yang kredibel, jurnal terindeks pengindeks terpercaya, proses review dilakukan dengan baik, dan seterusnya. Barangkali rangking h-index atau rate manuskrip diterima dapat membantu juga dalam menentukan jurnal yang akan kita tuju.

Untuk membantu menilai jurnal, beberapa pengideks terpecaya dan diakui di kalangan ilmuwan dan universitas/lembaga penelitian global disajikan di bawah:

Cek jurnal terindeks (EI, SCI, ISI, …)

Cari untuk jurnal SCI (Daftar lengkap jurnal SCI disini)

Cari untuk jurnal SCIE (Daftar lengkap jurnal SCIE disini)

Cari untuk jurnal SSCI (Daftar lengkap jurnal SSCI disini)

Cari untuk jurnal ISI

Laman EI compendex 
(Catatan: untuk mengunduh daftar jurnal EI dan prosiding dalam format Excel, (1) klik pada link ini dan kemudian (2) klik pada “Compendex source list” )

Cek JCR (Journal Citation Report) ranking dari sebuah jurnal dan impact factor-nya (memerlukan langganan):https://jcr.incites.thomsonreuters.com/

Cek SCImago Journal Ranking (SJR) dalam istilah kuartil Q1, Q2, Q3, Q4, (catatan: rangking ini berbeda dengan rangking JCR di atas) http://www.scimagojr.com/

Cari untuk sitasi dalam ISI Web of Science (juga disebut Web of Knowledge):http://apps.webofknowledge.com/

Cek jurnal Impact Factor

Laman berikut menyediakan impact factor: https://www.scijournal.org/

4. Perpindahan panas dan massa konvektif

Balik ke – 3. Konduktivitas panas, difusivitas panas dan difusivitas molekuler

Perpindahan panas dan massa dalam fluida hampir selalu terjadi secara serempak dengan gerakan fluida besarnya. Konveksi ada dua jenis, yaitu: konveksi alami dan konveksi paksa.

Konveksi alami (atau bebas): gerakan disebabkan oleh perpindahan panas dan massa itu sendiri, biasanya oleh beda densitas. Sebagai contoh, pandang air di dalam panci yang dipanaskan di atas kompor. Air yang bersentuhan dengan permukaan bawah panci yang terkena api menjadi panas lebih dulu, kemudian memuai dan densitasnya menjadi turun. Air panas ini kemudian bergerak ke atas dan digantikan oleh air yang lebih dingin, lebih berat. ‘Arus konveksi’ berputar alami terus menggerakkan air, sepanjang ada beda suhu pada air di dalam panci. Jenis yang sama dari arus yang digerakkan densitas akan terjadi dan teramati dalam secangkir teh yang tidak diaduk dimana sesendok gula ditambahkan.

Konveksi paksa: Gerakan (aliran) fluida disebabkan oleh faktor yang tidak tergantung perpindahan. Pandang air yang direbus di dalam panci atau cangkir teh seperti di atas, kali ini dengan mengaduk air dengan sendok. Panas atau gula, selain berpindah karena beda densitas atau konsentrasi, juga karena aliran air yang disebabkan pengadukan.

Berlawanan dengan konduksi, laju perpindahan panas dan massa konveksi amat sangat sulit untuk diperkirakan secara analitik, khususnya dalam kasus aliran turbulent. Salah satu model sederhana yang paling umum digunakan dalam perpindahan konvektif antara permukaan dan fluida yang sedang bergerak adalah model lapisan tipis batas. Lapisan batas ini selalu dalam keadaan laminar meskipun aliran besarnya turbulent.

Koefisien perpindahan panas dan massa lapisan batas

Pandang perpindahan panas dari permukaan batas (mis.: dinding) pada suhu T1 ke fluida dalam aliran turbulent yang bersentuhan dengannya (Gambar 1). Berdasarkan teori lapisan tipis:

  1. Ada lapisan tipis fluida diam yang bersentuhan dengan dinding (suhu T1) yang tebalnya ‘delta’.
  2. Fluida besar diluar lapisan tipis bercampur sempurna oleh aliran turbulent, yang suhunya adalah T2, berbeda dengan suhu dinding T1.

(Catatan: Sejauh yang dibahas adalah perpindahan panas, lapisan tipis laminar juga akan diperlakukan sebagai fluida diam karena tidak ada gerakan fluida ke arah aliran panas.)

Laju perpindahan panas adalah:

(1)

Gambar 1. Lapisan batas dalam konveksi turbulent.

Pembagian fluida menjadi lapisan tipis diam dan aliran fluida besar turbulent tentu saja murni model teoritis dan tidak nyata. Dengan demikian, tebal ‘delta’ lebih merupakan simbol daripada nilai fisik yang dapat diukur. Koefisien perpindahan panas konvektif h didefinisikan sebagai:

(2)

Maka laju perpindahan panas oleh konveksi dinyatakan dengan persamaan berikut:

(3)

Koefisien perpindahan panas h adalah simbol dasar dalam perpindahan panas. Satuan SI nya adalah W/m^2.K. Koefisien ini ditentukan dari percobaan dan nilainya tergantung pada sifat fluida (panas jenis, vikskositas, densitas dan konduktivitas panas), turbulensi (kecepatan rata-rata) dan geometri dari sistem. Parameter-parameter tersebut lebih mudah bila dikelompokkan dalam bilangan tak berdimensi. Bilangan tak berdimensi yang dipakai dalam perpindahan panas adalah:

Bilangan Reynolds

Bilangan Nusselt

Bilangan Prandtl

Bilangan Grashof

d adalah ukuran linier (diameter, panjang, tinggi, dll.) yang mencirikan geometri sistem. Catat bahwa bilangan Prandtl hanya mengandung sifat fluida. Bilangan Grashof berhubungan dengan konveksi alami.

Beberapa nilai h untuk pemakaian yang berbeda diberikan dalam Tabel 1.

Hubungan percobaan untuk perhitungan h biasanya dinyatakan dalam bentuk umum bilangan Nusselt sebagai fungsi dari bilangan Reynolds, Parndtl, Grashof atau lainnya sebagai berikut:

Koefisien perpindahan massa konvektif km didefinisikan dengan cara yang sama seperti koefisien perpindahan panas konvektif sebagai:

(4)

Jika gaya penggerak untuk perpindahan massa dinyatakan dalam istilah beda konsentrasi, maka flux keadaan tunak ditulis sebagai:

(5)

Satuan SI dari kc adalah m/s.

Dalam hal perpindahan massa dalam gas, gaya penggerak biasanya diberikan diberikan dalam istilah beda tekanan parsial komponen yang berpindah daripada konsentrasi. Koefisien perpindahan massa kemudian diberi indeks sebagai kg. Maka flux adalah:

(6)

Satuan SI dari kg adalah kg.m^-2.s^-1.Pa^-1.

Dua kelompok tak bersatuan lainnya bermanfaat dalam perhitungan perpindahan massa:

Bilangan Sherwood

Bilangan Schmidt

Seperti halnya bilangan Prandtl, bilangan Schmidt hanya mengandung sifat fluida. Bilangan Sherwood mengandung koefisien perpindahan, sama halnya seperti bilangan Nusselt dalam perpindahan panas.

Persamaan empiris untuk perpindahan panas dan massa konvektif

Seperti diuraikan di atas, koefisien perpindahan panas dan massa konvektif dipengaruhi oleh, selain sifat fluida, juga geometri dari sistem. Dalam praktek, sistem seringkali melibatkan geometri yang kompleks dan tidak beraturan. Oleh sebab itu, hubungan antara koefisien perpindahan dengan sifat bahan dan kondisi operasi biasanya dinyatakan menggunakan korelasi empiris atau semi-empiris. Korelasi tersebut bisa dinyatakan dalam bentuk grafik, tabel atau persamaan korelasi. Beberapa di antaranya yang paling umum digunakan akan diuraikan di sini.

Untuk konveksi alami, yang intinya berdasarkan pada densitas, yang dari sini muai panas fluida, korelasi mengandung bilangan Grashof. Pada aplikasi rekayasa, perpindahan panas oleh konveksi alami khususnya penting untuk perhitungan kehilangan panas atau kebocoran panas dari permukaan bangunan, peralatan, bejana, dll. Korelasi berikut sering disarankan untuk perhitungan perpindahan konveksi alami dari permukaan tegak:

(7)

Dalam hal ini ukuran linier d dalam kedua kelompok tak bersatuan adalah tinggi permukaan.

Untuk bola yang terendam dalam fluida, bisa digunakan persamaan berikut:

(7)

Perlu diingat bahwa persamaan empiris seperti di atas hanya berlaku untuk geometri dan himpunan kondisi operasi tertentu (mis.: rentang Re dan/atau Nu tertentu). Karena bersifat pendekatan, derajat ketepatan persamaan empiris seringkali ditetapkan berdasarkan sumber yang mengusulkan korelasi tersebut. Dalam bentuk umum, persamaan perpindahan panas empiris biasanya juga berlaku untuk perpindahan massa (dan sebaliknya), dengan diberikan bahwa kelompok tak berdimensi diganti dengan mitranya yang sesuai (Nu dengan Sh, Pr dengan Sc, dst.).

Lanjut ke – 5. Perpindahan massa antar fasa keadaan tunak

3. Konduktivitas panas, difusivitas panas dan difusivitas molekuler

Balik ke – 2. Perpindahan panas dan massa konduktif

Konduktivitas panas dan difusivitas panas

Konduktivitas panas adalah sifat bahan. Sifat ini berubah dengan suhu dan sangat tergantung pada tekanan dalam hal gas. Dalam sistem SI, satuannya adalah W/m.K. Dalam rentang suhu yang sempit, ketergantungan suhu terhadap konduktivitas panas k dapat didekati dengan persamaan linier

dimana k0 dan a adalah tetapan dan T adalah suhu. Pendekatan linier tersebut berlaku dengan syarat tidak terjadi perubahan fase pada bahan.

Difusivitas panas ‘alfa’ adalah konsep yang berguna dalam analisis perpindahan panas. Besaran ini didefinisikan sebagai nisbah konduktivitas panas terhadap ‘kapasitas panas volumetrik’ dari bahan. Kapasitas panas volumetrik diperoleh dengan mengalikan kapasitas panas massa (Cp) dengan densitas (‘rho’).

(1)

Seacara fisik, difusivitas panas dapat diterjemahkan sebagai nisbah dari kemampuan bahan untuk memindahkan panas terhadap kapasitasnya untuk menyimpan panas. Satuan SI untuk difusivitas panas adalah m^2/s.

Nilai mewakili pendekatan konduktivitas panas dan difusivitas panas beberapa bahan disajikan pada Tabel 1. Salah satu metode yang diusulkan untuk evaluasi konduktivitas panas bahan dari komposisinya diilustrasikan pada Contoh 1.

Contoh 1. Berdasarkan pada data percobaan, Sweat (1986) menyarankan persamaan berikut untuk perhitungan konduktivitas panas makanan

Sweat (1986), Thermal properties of foods. In Engineering Properties of Foods (Rao, M.A. and Rizvi, S.S.H., eds). Marcel Dekker, New York.

dimana X mewakili fraksi massa, c = karbohidrat, p = protein, f = lemak, a = abu, w = air.

Hitung konduktivitas panas roti daging yang mengandung 21% protein, 12% lemak, 10% karbohidrat, 1,5% abu dan 55,5% air.

Penyelesaian:

Difusivitas (massa) molekuler, koefisien difusi

Koefisien difusi D dalam hukum Fick tergantung pada spesies molekul yang berdifusi, media dimana molekul berdifusi dan suhu. Dalam sistem SI koefisien difusi dinyatakan dalam satuan m^2/s, sama seperti difusivitas panas.

Difusivitas gas dapat diperkirakan dengan cukup akurat, dengan bantuan teori kinetika gas. Difusivitas dalam campuran biner pada suhu ruang dan tekanan atmosfir adalah pada tingkat 10^-5 sampai 10^-4 m^2/s.

Beberapa model telah diusulkan untuk memperkirakan difusivitas dalam cairan. Salah satu yang paling dikenal adalah persamaan Einstein-Stokes untuk difusivitas Brownian zat terlarut. Menurut model ini difusivitas zat terlarut dengan jejari r (dianggap berbentuk bola) dalam cairan yang viskositasnya ‘miu’ diberikan oleh:

(2)

kB adalah tetapan Boltzman (1,38 x 10^-23 J/K), r adalah jejari partikel dan T adalah suhu absolut. Difusivitas zat terlarut dalam air pada suhu ruang berkisar dari 10^-9 untuk molekul kecil sampai 10^-11 untuk molekul besar (mis.: protein). Difusivitas beberapa senyawa dalam udara dan air diberikan dalam Tabel 2.

Difusi dalam padatan sebenarnya adalah amat sangat kecil. Dalam kristal dan logam, perpindahan molekuler terutama terjadi melalui cacat (lubang) kisi kristal, melalui proses ‘lompatan tunggal’. Koefisien difusi ion kecil dalam gelas padat mungkin bisa serendah 10^-25 m^2/s. Dalam padatan berpori, perpindahan massa besar terjadi melalui gas atau cairan yang mengisi pori-pori dan tidak melalui matriks padatan. Difusivitas efektifDef’ dihubungkan dengan difusivitas D melalui media dalam pori-pori sebagai berikut:

(3)

‘epsilon’ (tak bersatuan) adalah porositas, yakni: fraksi volume rongga padatan berpori dan ‘tau’ (tak bersatuan) adalah faktor liku-liku, sebagai akibat lintasan berliku-liku molekul yang berdifusi melalui porositas padatan.

Lanjut ke – 4. Perpindahan panas dan massa konvektif

2. Perpindahan panas dan massa konduktif

Balik ke – 1. Analogi Proses Perpindahan Momentum, Panas dan Massa

Perpindahan panas terjadi melalui tiga mekanisme dasar: konduksi, konveksi dan radiasi. Dalam praktek, lebih daripada satu mekanisme mungkin terlibat dalam proses perpindahan.

  • Konduksi merujuk kepada perpindahan panas melalui media diam. Perpindahan massa yang setara dengan konduksi (perpindahan massa konduktif) adalah difusi molekuler melalui media diam.
  • Konveksi terjadi ketika panas berpindah bersama-sama dengan fluida yang sedang bergerak. Pada perpindahan massa, konveksi (perpindahan massa konvektif) merujuk kepada keadaan dimana difusi molekuler terjadi secara serempak dengan aliran besarnya.
  • Radiasi adalah perpindahan panas dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Tidak seperti dua mekanisme terdahulu, perpindahan panas radiatif tidak memerlukan keberadaan media bahan antara dua titik.

Dalam media tanpa ada gerakan internal (mis.: padatan), panas berpindah oleh konduksi dan massa oleh difusi molekuler. Perpindahan ini diatur oleh hukum Fourier dan hukum Fick (lihat disini).

Untuk perpindahan panas:

(1)

Untuk perpindahan massa:

(2)

Dalam persamaan (1) dan (2), qz dan JA adalah flux panas (W/m^2.K) dan massa (mol/m^2.s) ke arah z, k adalah konduktivitas panas media (W/m.K), T adalah suhu (K), DAB adalah difusivitas (koefisien difusi) molekul A dalam media B (m^2/s) dan CA adalah konsentrasi A (mol/m^3). Tanda minus sebelum gradien pada kedua persamaan tersebut bertindak untuk menunjukkan bahwa panas mengalir ke arah penurunan suhu dan massa berpindah ke arah penurunan konsentrasi.

Pada keadaan tunak, semua sifat yang mendefinisikan keadaan sistem (suhu, tekanan, komposisi kimia, dll.) tetap tidak berubah dengan waktu. Mereka mungkin saja bervariasi dengan lokasi dalam sistem. Ingat bahwa pada keadaan tunak, suhu dan konsentrasi hanya tergantung pada lokasi (z), sehingga persamaan (1) dan (2) di atas ditulis sebagai persamaan diferensial biasa.

Kondisi batas untuk integrasi persamaan (1) dan (2) adalah:

Dengan menganggap bahwa konduktivitas panas k tidak banyak berubah dengan suhu dan bahwa difusivitas tidak tergantung konsentrasi, integrasi memberikan:

(3)

(4)

Contoh 1. Hitung laju perpindahan panas melalui dinding beton (3 x 4) m. Salah satu muka dinding yang tebalnya 0,2 m adalah pada 22 oC dan muka yang lain pada 35 oC. Konduktivitas panas beton adalah 1,1 W/m.K.

Penyelesaian:

Dengan menganggap keadaan tunak dan persamaan (3) berlaku

Contoh 2. Difusivitas uap aroma mudah menguap dalam udara diukur dengan prosedur sederhana, yang dikenal dengan metode Winkelman. Cairan mudah menguap ditaruh dalam bejana yang dihubungkan dengan tabung, melalui mana aliran udara dilewatkan (Gambar 1). Aliran udara cukup besar untuk membawa pergi uap secara sempurna dari zona penghubung antara bejana dan tabung. Jarak z dari penghubung ke permukaan cairan diukur sebagai fungsi waktu.

Dalam uji dengan aroma mudah menguap pada 25 oC dengan z mula-mula (t = 0) 30 mm, setelah 6 jam jarak z berubah menjadi 95 mm. Berapakah difusivitas uap aroma dalam udara?

(Data: berat molekul aroma = 110 g/mol; densitas cairan aroma = 940 kg/m^3; tekanan uap aroma pada 25 oC = 34 mm Hg; tekanan atmosfir = 100 kPa).

Penyelesaian:

Metode didasarkan pada pengetahuan bahwa konsentrasi uap dalam udara adalah nol pada bidang 2 dan jenuh pada bidang 1. Keduanya adalah tidak berubah dengan waktu sehingga persamaan keadaan tunak dapat digunakan, walaupun sistem tidak benar-benar dalam keadaan tunak (z berubah dengan waktu).

Tetapi CA2 = 0 sehingga:

Integralkan memberikan

Konsentrasi jenuh dalam udara (kg/m^3) dapat dengan mudah dicari dari data tekanan uap.

Lanjut ke – 3. Konduktivitas panas, difusivitas panas dan difusivitas molekuler

1. Analogi proses perpindahan momentum, panas dan massa

Analogi adalah alat yang berguna untuk membantu memahami peristiwa perpindahan dan bisa menjadi cara yang baik untuk meramalkan perilaku sistem pada saat data kuantitif yang tersedia terbatas. Karena konsentrasi dan suhu adalah besaran skalar, analogi antara perpindahan massa dan panas lebih absah daripada analogi dengan momentum.

Semua fenomena perpindahan (aliran fluida, perpindahan panas dan massa) adalah akibat dari kurangnya kesetimbangan antar bagian dari sistem. Pada dasarnya, mereka semua mengikuti hukum universal, serupa dengan hukum Ohm yang sudah sangat dikenal, yang dapat dinyatakan, dalam istilah umum, sebagai berikut: Laju perpindahan (dengan kata lain, besaran yang dipindahkan per satuan waktu) berbanding lurus dengan gaya penggerak dan berbanding terbalik dengan tahanan (hambatan) dari media untuk perpindahan. Secara matematika hukum perpindahan umum dapat dapat dituliskan sebagai:

(1)

Persamaan di atas menunjukkan bahwa dibutuhkan gaya penggerak untuk mengatasi tahanan/hambatan agar momentum, panas dan massa, atau besaran lain, dapat berpindah. Gaya penggerak selalu merupakan sebuah gradien, yang mewakili penyimpangan dari kesetimbangan: gradien suhu dalam hal perpindahan panas, gradien konsentrasi dalam hal perpindahan massa dan gradien tekanan (tegangan geser) dalam hal aliran fluida. Dengan definisi, pada kesetimbangan gaya penggerak sama dengan nol.

Kadang-kadang lebih mudah mengurai gagasan kompleks dari tahanan ke komponen fisiknya. Jadi, karena perpindahan secara akal dapat diharapkan berbanding lurus dengan luas A yang tersedia untuk perpindahan, seringkali lazim berurusan dengan laju perpindahan per satuan luas. Dimensi ini dikenal sebagai flux. Dalam istilah flux, semua tiga persamaan perpindahan molekuler (momentum, panas dan massa) secara matematika adalah identik, dan berturut-turut dapat ditulis sebagai:

(2) (3) (4)

Persamaan (2), (3) dan (4) berturut-turut adalah hukum Newton, Fourier dan Fick, yang menggambarkan, berturut-turut, perpindahan momentum, panas dan massa molekuler. Ruas kiri dari tiga persamaan di atas adalah flux yang berbanding lurus dengan gradien properti dengan konstanta pembanding difusivitas. Besaran analog dalam proses perpindahan dirangkum dalam tabel di bawah.

Lanjut ke – 2. Perpindahan Panas dan Massa Konduksi

Peluang nanoteknologi dalam pertanian

Oleh: Heru Setyawan

Dalam kaji ulang yang diterbitkan di Nano Today (Vol. 10, hal. 124-127, 2015), Parisi dkk. dari Institute for Prospective Technology Studies, Spanyol mengulas tetang peluang nanoteknologi dalam pertanian. Menurut mereka tantangan saat ini mengenai keberlanjutan keamanan pangan dan perubahan musim telah mendorong peneliti untuk  mengeksplorasi bidang nanoteknologi sebagai sumber baru perbaikan kunci untuk sektor pertanian. Akan tetapi, sumbangan nyata masih belum pasti. Meskipun banyak keunggulan potesial nanoteknologi dan kecenderungan yang terus meningkat dalam publikasi ilmiah dan paten, aplikasi pertanian belum terwujud di pasar. Salah satu alasannya adalah bahwa nanoteknologi pertanian belum menunjukkan pengembalian ekononomi yang memadai untuk mengimbangi investasi produksi awal yang tinggi. Kemajuan nanoteknologi yang cepat pada industri kunci lain selama ini bisa dipakai untuk mempercepat aplikasi nanoteknologi pertanian, dan untuk menfasilitasi pengembangannya.

Sebelumnya, pertanian diuntungkan dari banyak inovasi teknologi berbeda, yang meliputi varitas hibrida, bahan kimia sintetis dan bioteknologi. Sumber perbaikan pertanian saat ini mulai dicari dalam nanoteknologi. Sementara industri makanan dapat dilihat dengan jelas mengambil keuntungan dari nanoteknologi (khususnya untuk pemrosesan makanan, distribusi, pengemasan dan makanan fungsional), sumbangan nyata sektor pertanian masih belum pasti.

Produk inovatif agro-nanoteknologi mengalami kendala dalam mencapai pasar, yang membuat pertanian masih sektor pinggiran untuk nanoteknologi. Namun demikian, bentang R&D sangat menjanjikan dan peluang yang ditawarkan oleh nanoteknologi dalam beberapa aplikasi pertanian sedang aktif dieksplorasi. Nanoteknologi sedang maju dengan sangat cepat dalam bidang lain. Pengetahuan yang diperoleh dalam sektor lain yang sedang muncul, mis.: energi dan kemasan, mungkin bisa dipindahkan, atau memberikan kelebihan kepada aplikasi pertanian juga. Sebagai contoh, aditif peningkatan bahan bakar dan pelumas juga dapat digunakan untuk memperbaiki kinerja dan jejak karbon mesin pertanian dan peningkatan ukuran kemasan dapat menguntungkan petani dalam mengurangi degradasi produk sebelum konsumsi. Sementara itu kemajuan dalam teknik pemantauan dan pemberian obat dapat secara positif memengaruhi pertanian dan sektor peternakan secara tidak langsung.

Table 1 menyajikan aplikasi dalam nanoteknologi pertanian dan contoh aplikasi yang berhasil pada skala kecil atau tahap R&D.

Screen Shot 2018-10-13 at 08.52.42