Konsep Fundamental dalam Proses Perpindahan

Dalam dunia engineering, terutama terkait proses transformasi sebuah material, hal ini tidak akan pernah bisa lepas daripada disiplin operasi yang dinamakan “proses perpindahan”. Sebagai contoh, dalam sebuah proses di pabrik gula, untuk mendapatkan butiran gula dalam bentuk kristal, hal pertama yang harus kita lakukan adalah dengan cara mengkonsentrasikan larutan gula yang kita dapatkan dari sari tebu. Caranya adalah dengan cara menguapkan air yang ada dalam larutan gula tersebut menggunakan alat yang disebut “evaporator”. Dalam evaporator, terjadi proses perpindahan panas dari alat penukar panas ke dalam larutan gula, yang pada akhirnya akan menaikkan suhu larutan dan air dalam larutan gula akan menguap. Tentu saja, titik didih larutan gula akan lebih besar jika dibandingkan dengan air murni. Setelah pada konsentrasi yang cukup jenuh, larutan gula tersebut akan dipindahkan ke dalam sebuah alat yang disebut “separator”, dengan tujuan untuk memisahkan antara gula dalam bentuk padat dengan pelarutnya yang dalam hal ini adalah air, dengan cara yang disebut “kristalisasi”. Sebagaimana kita tahu, penurunan suhu, secara umum, akan mengurangi daya kelarutan suatu larutan. Ketika larutan gula tadi, dalam keadaan suhu tinggi, kemudian didinginkan, maka akan mencapai kondisi oversaturated (titik jenuh yang terlampaui), dimana akan mulai terbentuk Kristal primer, yang kemudian akan menjadi agglomerate. Di proses ini juga terjadi proses perpindahan panas.

Contoh diatas merupakan contoh paling sederhana untuk menggambarkan rangkaian operasi yang melibatkan peristiwa perpindahan yang digunakan untuk memfabrikasi/menangani sebuah material. Dalam teknik proses, kita mengenal tiga proses perpindahan: perpindahan jumlah gerakan (momentum), perpindahan panas dan perpindahan materi(massa).

Proses dalam pabrik gula

Perpindahan jumlah gerakan (momentum). Bayangkan jika kita berada dalam sebuah bus yang sedang melaju kencang, ketika bus yang kita kendarai berbelok arah, maka kita akan merasa badan kita akan bergoyang sesuai dengan arah bus berbelok. Atau, ketika bus mengerem mendadak, badan kita akan terasa terlontar ke depan, jika kita tidak memberikan energy ke dalam tubuh kita untuk bisa tetap diam di tempat. Ini adalah contoh sederhana perpindahan jumlah gerakan (momentum). Hal ini akan sering kita temui dalam kasus perpindahan fluida (mekanika fluida), misalkan: dalam system pemurnian air.

Perpindahan panas (thermal). Kuantitas panas yang bisa terukur dalam sebuah materi adalah temperature. Dalam contoh di atas kita telah bisa mengenal bagaimana aplikasi dari proses perpindahan panas.

Perpindahan materi (massa). Hal ini juga telah dijelaskan di atas. Bagaimana molekul air berpindah dari larutan gula karena titik didihnya telah terlampaui.

Tiga proses perpindahan di atas memiliki kesamaan antara satu sama lain yaitu proses perpindahan hanya akan bisa terjadi jika memiliki sebuah driving force (gaya penggerak). Untuk perpindahan momentum, gaya penggeraknya adalah kecepatan (hukum Newton), perpindahan panas adalah suhu (hukum Fourier) dan perpindahan materi adalah konsentrasi (hukum Fick).

Dua penglihatan terhadap system dalam dunia engineering

Sebuah pendekatan untuk mendefinisikan sebuah system penting untuk dilakukan. Hal ini akan mempengaruhi bagaimana cara kita dalam menangani sebuah system.

Yang pertama adalah pendekatan secara makroskopik (global) dan yang kedua adalah secara mikroskopik (local). Pendekatan secara makroskopik, bertumpu pada pendekatan system yang disebut “kotak hitam”. Sistem ini memiliki keunggulan yaitu penyelesaian matematik yang sederhana, tanpa memerlukan penyelesaian persamaan differensial yang rumit. Namun, kelemahannya adalah kita tidak memiliki pandangan secara utuh terhadap apa yang sedang terjadi dalam system yang kita tangani. Ada tiga persamaan yang sering kita gunakan untuk menyelesaikan persoalan terkait engineering dengan menggunakan cara pendekatan kotak hitam, yaitu persamaan konservasi massa, konservasi energy total dan konservasi energy mekanik (bernouilli). Dengan menggunakan ketiga hal tersebut, misalkan dalam proses penguapan air dalam pabrik gula, kita akan bisa mengetahui berapa panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air, konsentrasi larutan gula yang bisa dihasilkan dan sebagainya. Pendekatan makroskopik ini bisa diterapkan untuk menangani hal-hal yang sederhana, namun jika system yang kita tangani adalah system yang kompleks, dimana sedikit perubahan dari property akan mengakibatkan efek yang signifikan, contoh dalam reactor katalitik. Sebagaimana kita tahu, dalam hukum Arhenius, perubahan suhu akan mempengaruhi kinetika reaksi secara signifikan. Maka alangkah lebih baiknya jika kita menggunakan pendekatan mikroskopik. Para enginer sering menggunakan pendekatan secara mikroskopik, selain mereka memiliki keingintahuan yang besar terhadap proses yang sedang terjadi dalam suatu system. Dengan menggunakan beberapa hipotesis, akan menghasilkan persamaan yang jauh lebih sederhana yang bisa diaplikasikan secara mudah ke dalam sebuah system.

Dengan menggunakan pendekatan mikroskopik, kita bisa memperoleh informasi profil kecepatan fluida, dalam hal ini bisa kita ketahui bahwa profilnya adalah parabolik