i

TERMOKOPEL (P3)

ZIDNI NAFI’ AKBAR

1113.100.052

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

ABSTRAK

Telah dilakuka percobaan termokopel untuk menjelaskan konsep temperature pada logam, Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1 °C. dalam percobaan ini diperoleh tegangan sebesar 3,5mV pada suhu dalam air sebesar 90oC dan tegangan -0,4mV pada suhu 20oC dalam air.

Kata Kunci : Termokopel, Tegangan, Suhu

ii

DAFTAR ISI

Halaman Judul..................................................................................................i

Abstrak..............................................................................................................ii

Dafar Isi............................................................................................................iii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang................................................................................1

1.2 Permasalahan..................................................................................1

1.3 Tujuan.............................................................................................1

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tempertur .......................................................................................2

2.2 Arus Listrik.....................................................................................2

2.3 Beda Potensial.................................................................................4

2.4 Termokopel.....................................................................................5

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan bahan........................................................................6

3.2 Cara Kerja.......................................................................................6

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisa data.....................................................................................8

4.2 Grafik..............................................................................................9

4.3 Pembahasan.....................................................................................10

BAB V KESIMPULAN...................................................................................12

Daftar Pustaka...................................................................................................13

iii

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangSuhu adalah besaran yang menyatakan derajat panas dingin suatu benda.

Dalam kehidupan sehari-hari masyarakat untuk mengukur suhu cenderung menggunakan indera peraba. Tetapi dengan adanya perkembangan teknologi maka diciptakanlah termokopel untuk mengukur suhu dengan valid.

Termokopel merupakan salah satu jenis alat pengukur suhu yang banyak digunakan dalam laboratorium teknik. Dimana termokopel berupa sambungan (junction) dua jenis logam atau logam campuran, yang salah satu sambungan logam tadi diberi perlakuan suhu yang berbeda dengan sambungan lainnya. Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1°C

1.2 PermasalahanPermasalahan yang muncul pada percobaan termokopel ini adalah

bagaimana cara menera termokopel menggunakan konsep temperature.

1.3 TujuanTujuan dari praktikum thermokopel ini adalah Untuk menjelaskan “Konsep

Temperatur” pada logam dan menera “Termokopel” dari konsep diatas.

1

BAB IIDASAR TEORI

2.1 Temperatur

Dalam kehidupan sehari hari temperature adalah suatu ukuran seberapa panas atau dingin suatu benda, sebuah oven yang memiliki panas dikatakan memiliki temperature tinggi, sebaliknya es dari suatu danau beku dikatakan memiliki temperature rendah.

Untuk menyatakan panas atau dingin sesuatu, kita biasa menggunakan kata sifat sejuk, dingin hangat, panas dan sebagainya. Bila kita menyentuh sebuah benda, sifat yang disebut suhu atau temperaturnya kita terangkan berdasarkan indera suhu kita. Suhu itu akan menunjukan apakah benda itu akan terasa panas atau dingin. Makin panas terasa, makin tinggi suhnya, dari segi illmu kualitatif mengira suhu dengan cara seperti ini sama dengan mengira bobot suatu benda dengan cara mengangkatnya atau dengan mengir massa nya. (Sears, 355)

Sebuah alat yang didesai untuk mengukur temperature disebut thermometer. Untuk mengukur temperature secara kuantitatif, beberapa jenis skala numeric harus ditetapkan. Skala yang paling umum sekarang adalah skala Celsius yang kadang kadang disebut skala centigrade. Di amerika serikat, sklaa Fahrenheit juga umum digunakan. Yang yang paling penting dalam ilmu pengetahuan adalah skala mutlak, atau skala Kelvin.

Datu cara untuk menetapkan skala temperature adalah dengan menetapkan nilai nilai sembarang untuk dua temperature yang siap direproduksi. Untuk skala baik Celsius maupun Fahrenheit, dua titik tetap dipilih untuk menjadi titik beku dan titik didih dari air, keduanya diambil pada tekanan atmosfir. Pada skala Celsius titik beku air dipilih 0 derajat Celsius, dan titik didih air adalah 100 derajat celcius. Pada skala Fahrenheit, titik beku ditetapkan 32 derajat Fahrenheit dan titik didih 212 derajat Fahrenheit (giancoli, 354)

Dengan demikian jika t menunjukan suhu Celsius, maka

T= T-2120 F

2.2 Arus Listrik

Dengan adanya beda potensial yang ditunjukkan oleh sumber tegangan menyebabkan adanya aliran muatan. Banyaknya aliran muatan, Q, per satuan

2

waktu, t, disebut arus muatan, I. Jika aliran muatan positif disebut arus listrik atau kuat arus. Secara matematika dapat ditulis,

I =Q/t

Dengan Q dinyatakan dalam satuan coulomb (C), t dalam satuan sekon, dan kuat arus dinyatakan dalam  satuan ampere (A). Oleh karena itu, ampere dapat dinyatakan sebagai coulomb per sekon dan 1 ampere adalah 1 coloumb muatan yang mengalir dalam waktu 1 sekon. Seperti pada satuan panjang atau massa, satuan kuat arus dapat dinyatakan dalam satuan yang lebih kecil yaitu miliampere (mA) dan mikroampere (µA). 

Hubungan satuan-satuan tersebut sebagai berikut :

1 µA = 10-6  A                                                  1 mA = 10-3 A

Apabila dalam suatu penghantar mengalir elektron sebanyak N dan masing-masing elektron bermuatan e coulomb, dengan e = 1,6 × 10–19 coulomb, maka kuat arus I adalah:

I = Ne/t

Arus listrik memiliki arah yaitu dari potensial tinggi ke potensial rendah. Oleh karena itu, arus listrik termasuk besaran vektor. Sedangkan kuat arus listrik tidak memiliki arah, maka kuat arus listrik termasuk besaran skalar.

Ada beberapa teori yang berhubungan dengan arus listrik yaitu seperti teori hukum ohm dan hukum kirchoff. Pada hukum ohm arus listrik diartikan bahwa besarnya arus yang mengalir adalah hasil bagi antara beda potensial dengan tahanan. Sedangkan pada hukum kirchoff menjelaskan tentang arus listrik yang memasuki suatu titik percabangan. Semua teori adalah benar dan sudah terbukti secara meyakinkan. Jika anda kurang percaya dengan teori yang sudah baku, maka anda bisa melakukan praktek untuk melakukan beberpaa pengujian dan pengukuran. Caranya buatlah beberapa variasi rangkaian listrik, dan lakukan pengukuran pada setiap variasi, setelah itu cocokkan hasil pengukuran dengan perhitungan secara teori.

Secara umum kita mengenal beberapa sumber yang mampu menghasilkan arus lisrik  yaitu seperti : generator listrik, batere kering dan accumulato. Untuk batere dan accu hanya bisa menyediakan arus listrik searah (dc). Untuk yang pembangkit generator itu contohnya listrik PLN. Generator dikopel dengan turbin pada sistem pembangkit. Sistem pembangit bisa dengan air (PLTA), uap (PLTU), gas (PLTG), surya (PLTS), nuklir (PLTN dan lain sebagainya.

3

2.3 Beda Potensial

Beda potensial disebut juga tegangan. Beda potensial/tegangan menunjukkan selisih potensial (voltage) antar ujung-ujung penghantar yang dialiri arus listrik. Satuan tegangan listrik adalah volt disimbolkan dengan V. Jika suatu penghantar listrik dihubungkan dengan sumber tegangan (misalnya: baterai, accu, atau power suply), maka di antara kedua ujung penghantar terjadi beda tegangan atau beda potensial. Besarnya beda tegangan atau beda potensial tersebut dapat diukur dengan voltmeter.

Untuk mengukur tegangan voltmeter dipasang secara paralel pada rangkaian. Sama seperti amperemeter, voltmeter juga mempunyai keterbatasan alat ukur. Batas ukur voltmeter dapat ditingkatkan dengan menambah hambatan yang dipasang seri dengan voltmeter. Hambatan ini disebut hambatan muka (Re).

Mengapa pemasangan hambatan muka dapat memperbesar batas ukur voltmeter? Pada pembahasan selanjutnya, akan mengetahui bahwa hambatan yang dirangkai seri menghasilkan hambatan yang lebih besar. Dengan memasang hambatan muka secara seri, hambatan voltmeter akan lebih besar dan hambatan dalamnya. Dengan demikian, jika kuat arus yang mengalir konstan, maka tegangan yang terukur akan lebih besar. Artinya, pemasangan hambatan muka akan memperbesar batas ukur voltmeter. Untuk menentukan besar hambatan muka yang harus dipasang agar dapat mengukur tegangan V yang besarnya beberapa kali lipat dan tegangan maksimum, kita dapat menggunakan persamaan:

Rm = ( n – 1 )rd

Dengan n = V’/VKeterangan:Rm = hambatan muka (ohm)rd = hambatan dalam voltmeter (ohm)V’ = tegangan yang ingin diukur (volt = V)V = tegangan maksimum yang terukur voltmeter (V)

Aliran muatan dipengaruhi besar kecilnya potensial dari satu titik ke titik yang lain. Dengan kata lain, besarnya beda potensial akan mempengaruhi banyak muatan yang mengalir dalam suatu penghantar. Oleh karena itu, ada hubungan antara beda potensial dengan muatan listrik. Perpindahan muatan dari satu titik ke titik yang lain diperlukan energi. Jika muatannya adalah muatan elektron, maka dapat ditulis kembali dalam persamaan,

4

W = e V

Dengan satuan untuk energi adalah joule, sehingga berdasarkan persamaan di atas, joule dapat dinyatakan dengan satuan coulombvolt atau elektronvolt (eV).

2.4 Termokopel

Pada tahun 1821, Ilmuwan Jerman bernama Thomas Johann Seebeck melakukan percobaan, Seebeck mendeteksi adanya tegangan pada rangkaian tertutup pada kawat tembaga dan Bismuth apabila salah satu sambungan kawat dipanaskan.

Apabila sambungan tersebut didinginkan, terdeteksi adanya perubahan polaritas tegangan. Rangkaian ini kemudian di kenal dengan nama termokopel, yang merupakan kependekan thermo-electric couple. Termokopel merupakan salah satu sensor besaran suhu yang terdiri dari sepasang kawat yang terbuat dari bahan yang berbeda. Kedua kawat tersebut disambung pada salah satu ujungnya sementara ujung yang lain disambungkan ke alat ukur tegangan melalui kawat tembaga.

Konduksi panas Apabila seutas kawat dipanaskan pada satu ujungnya, panas akan mengalir dari ujung yang dipanaskan menuju yang lebih dingin. Aliran panas ini terjadi dengan dua Proses yaitu tumbukan antar electron dan Aliran panas melalui awan electron. Medan listrik yang terjadi karena adanya gradien suhu disebut gejala Seebeck.

Tegangan Seebeck sebuah kawat Logam Medan listrik, E, yang terjadi berbanding lurus dengan gradien suhu kawat, ∂T/∂x,

sehingga,

E = S(x, T)∂T/∂x

Dimana S(x,T) adalah koefisien Seebeck Diketahui beda potensial antara kedua ujung logam E= ∂V/∂x, sehingga

∂V = S(x,T)∂T

Untuk logam homogen, S merupakan fungsi dari T saja; S = S(T). Sehingga, tegangan Seebeck adalah

ε= ∫Sa(T)dT

5

Tegangan Seebeck termokopel Untuk sebuah termokopel, tegangan Seebeck dapat dihitung sebagai berikut :

V = εA – εB = ∫[SA – SB] dT

V = a1(t2-t1) + a2(t2²-t1²)+….an(t2²-t1²)

Bila t1=0, V=a1t2 - a2t2² +ant2 Nilai tegangan listrik yang dihasilkan termokopel tidak bergantung pada panjang kawat atau diameternya, tetapi bergantung pada bahan dan beda suhu antar sambungan ukur (t1) dan sambungan acuan (t2).

Ketika memilih termokopel kita harus juga mempertimbangankan jenis pengisolasian dan konstruksi probenya. Karena semua ini akan memiliki efek pada suhu kisaran, akurasi suhu terukur, dan keandalan pembacaannya. Di bawah ini dapat dilihat jenis-jenis termokopel yang secara umum dipakai dikalangan industri.

Tipe K (Chromel / Alumel)Tipe K adalah termokopel yang berbiaya murah dan umum digunakan, karena popularitasnya itu termokopel jenis ini tersedia dalam berbagai macam probe.termokopel tersedia untuk rentang suhu di -200 ° C sampai +1200 ° C. Sensitivitasnya adalah kira-kira 41 v / ° C.

Tipe E (Chromel / konstanta)Tipe E memiliki output yang tinggi (68 v / ° C) yang membuatnya cocok untuk digunakan pada suhu rendah (cryogenic).  Properti lainnya dari tipe E ini adalah tipe non magnetik.

Tipe J (Iron / konstanta)Jangkauan pengukurnnya terbatas, hanya -40 hingga 750 ° C membuat termokopel jenis ini kurang populer dibandingkan dengan tipe K. Termokopel tipe J ini tidak boleh digunakan di atas 760 ° C.

Tipe N (Nicrosil / Nisil)Stabilitas tinggi dan ketahanannya terhadap oksidasi suhu tinggi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C pada 900 °C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan dari tipe K.(http://share.its.ac.id/mod/resource/view.php?id=244).

6

8 8 8

KOMPOR LISTRIK

THERMOMETER VOLTMETER

TERMOKOPEL

BAB IIIMETODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan BahanDalam percobaan termokopel ini digunakan alat berupa satubuah aplifer

(amp), satu buah Voltmeter (V), dua set termokopel, satu buah thermometer, satu set statip dengan kelengkapannya, satu buah kompor listrik, dan digunakan potongan es batu secukupnya.

3.2 Cara KerjaAlat dirangkai seperti pada gambar 3.1 dan jarum penunjukkan voltmeter

bergerak. Ditambahkan es batu sampai didapat suhu pada thermometer 20oC kemudian dicatat nilai pada penunjukan voltmeter. Beda potensial dicatat pada suhu 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, dan 90oC dengan cara kompor listrik dinyalakan agar didapat kenaikan suhu tersebut. Untuk penurunan suhu ditambahkan es batu perlahan dan dicatat perubahan beda potensial pada suhu 90, 80, 70, 60,50, 40, 30, dan 20oC.

Gambar 3.1 Skema alat percobaan termokopel

7

BAB IVANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 ANALISA DATA

No Suhu (°C) Tegangan (mV)

1. 20 -0,4

2. 30 0

3. 40 0,5

4. 50 1,1

5. 60 1,7

6. 70 2,2

7. 80 2,7

8. 90 3,4

Tabel 4.1 Tegangan saat kenaikan suhu

No Suhu (°C) Tegangan (mV)

1. 90 3,5

2. 80 2,6

3. 70 2,2

4. 60 1,6

5. 50 1,1

6. 40 0,5

7. 30 0

8. 20 -0,4

Tabel 4.2 Tegangan saat Penurunan suhu

8

4.2 GRAFIK

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.50

0.51

1.52

2.53

3.54

f(x) = 0.0545238095238095 x − 1.59880952380952R² = 0.997280541609615

Grafik TeganganSaat Kenaikan Suhu

Series2Linear (Series2)

T (ͦ�C)

V(ͦm

V)

Gambar 4.1 Grafik Tegangan saat Kenaikan suhu

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.50

0.51

1.52

2.53

3.54

f(x) = 0.0546428571428571 x − 1.61785714285714R² = 0.993014804654912

Grafik Tegangan Saat Penurunan Suhu

Series2Linear (Series2)

T (ͦ�C)

V (ͦm

v)

Gambar 4.2 Grafik Tegangan saat Penurunan suhu

9

4.3 PEMBAHASAN

Pada percobaan termokopel ini memiliki tujuan untuk menjelaskan konsep temperature pada logam dan untuk menera termokopel dari konsep temperature tersebut.

Dalam percobaan termokopel ini di gunakan 1 macam termokopel, termokopel ini terdiri dari 2 logam yang berbeda yang disambungkan menjadi satu dan kedua ujungnya lainnya disambungkan menuju alat voltmeter, pada percobaan ini digunakan 2 variasi yaitu menghitung tengangan saat suhu pada air dinaikan dan juga menghitung tegangan pada saat suhu di turunkan. Untuk menurunkan suhu kami menggunakan es batu sehingga penurunan suhu lebih cepat.

Langkah kerja yang kami lakukan pada percobaan termokopel dengan suhu naik adalah pertama kami rangkai semua alat yang digunakan, kemudian saat termokopel telah berada dalam air langkah selanjutnya kami menurunkan suhu air dalam gelas beker dengan cara menambahkan es batu, dan suhu yang terlihat pada thermometer pada air pun perlahan berkurang hingga pada suhu 20oC diperoleh tegangan sebesar -0,4 mv. Setelah diperoleh tegangan pada suhu tersebut kami menyalakan kompor listrik yang telah terhubung ke PLN untuk mendidihkan air dalam wadah tersebut dan suhu pada air perlahan meningkat, saat thermometer telah menunjukan suhu 30o C kami peroleh tegangan yang tertera pada voltmeter sebesar 0 mV. Suhu terus dinaikan dan dicatat nilai teganga yang telah diperoleh untuk setiap kelipatan suhu 10oC. suhu tertinggi yang kami amati adalah 90o C dan diperoleh tegangan sebesar 3,5mv.

Pada saat suhu telah mencapai 90oC percoaan termokopel dilanjutkan untuk penurunan suhu, kami menambahkan es batu sdikit demi sedikit ke dalam air hingga thermometer menunjukan suhu air pada awalnya sebesar 90 oC berubah menjadi sebesar 80oC dan kami peroleh tegangan pada voltmeter menunjukan 2,7mV. Suhu terus kami turunkan dengan cara menambahkan es batu pada air dan dicatat perubahan tegangan yang terjadi setiap penurunan suhu dengan kelipatan 10oC, hingga pada suhu terendah yang kami amati yaitu sebesar 20oC diperoleh tegangan sebesar -0,4mv.

Pada percobaan ini diperoleh hasil seperti yang tergambar pada grafik sebelumnya, terlihat pada grafik percobbaan dengan kenaikan suhu terlihat bahwa ketika suhu rendah maka tegangan yang timbul juga rendah sedangkan saat suhu pada air tinggi tegangan yang timbul juga besar, terlihat saat suhu 20oC diperoleh tegangan sebesar -0,4 mV. Dan saat suhu 90oC diperoleh tegangan sebesar 3,5mV. Pada percobaan dengan penurunan suhu juga demikian saat suhu tinggi diperoleh tegangan yang besar dan sebaliknya, tegangan sebesar 3,4 mV. diperoleh pada saat suhu 90oC, dan pada saat suhu telah turun menjadi 20oC tegangan yang

10

diperoleh sebesar -0,4. Berdasarkan hal ini berarti kenaikan suhu pada air itu sebanding dengan kenaikan tegangan, terlihat pada kedua grafik saat penurunan suhu dan kenaikan suhu diperoleh garis lurus, garis lurus pada grafik kenaikan suhu membentuk persamaan garis y = 0.054x - 1.598 dan pada grafik penurunan suhu diperoleh persamaan garis y = 0.054x - 1.617. berdasarkan kedua grafik tersebut terlihat bahawa saat penurunan suhu dan kenaikan suhu diperoleh hasil yang hampir sama namun terdapat sedikit perbedaan hasil, hal ini bias dikarenakan karenan pengamatan suhu yang kurang tepat, karena ketika suhu naik atau turun sedikit saja maka nilai tegangan yang diperoleh berbeda meski perbedaannya sangat kecil. Namun, dalam percobaan termokopel ini dirasa telah berhasil untuk menunjukan bahwa temperature pada logam itu berpengaruh terhadap tegangan yang dihasilkan, dan nilai temperature itu sebanding dengan kenaikan tegangan.

11

BAB VKESIMPULAN

Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa temperature pada logam itu berpengaruh terhadap tegangan yang dihasilkan, dan nilai temperature pada logam itu sebanding dengan kenaikan tegangan atau beda potensial.

12

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli Douglas C, 2005, Physics :Principles with application, Pearson Education.inc

Sears, Zemansky, 1994, “Physics For University”, John & Soons.Inc“Termokopel”, http://share.its.ac.id/mod/resource/view.php?id=244, Diakses

pada 16 Maret 2014

13