LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR
REMOTE LABORATORY
Nama : Jordan Obed Partogi
NPM : 1206247410
Fakultas/Program Studi : Teknik/Teknik Perkapalan
Nomor/Nama Percobaan : KR 01/Disipasi Kalor Hot Wire
Minggu Percobaan : Pekan 8
Tanggal Percobaan : 26 April 2013
Nama Asisten : Alexander Garry, S.Si
LABORATORIUM FISIKA DASAR
UPP IPD
UNIVERSITAS INDONESIA
Tujuan
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
Alat
1. kawat pijar (hotwire)
2. Fan
3. Voltmeter dan Ampmeter
4. Adjustable power supply
5. Camcorder
6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
Landasan Teori
Disipasi Energi
Energi mekanik akibat gerakan partikel materi dan dapat dipindah dari satu
tempat ke tempat lain disebut kalor. (Syukri S, 1999).
Hubungan kuantitatif antara kalor dan bentuk lain energi disebut
termodinamika. Termodinamika dapat didefinisikan sebagai cabang kimia yang
menangani hubungan kalor, kerja, dan bentuk lain energi dengan kesetimbangan
dalam reaksi kimia dan dalam perubahan keadaan (Keenan, 1980). Hukum pertama
termodinamika menghubungkan perubahan energi dalam suatu proses termodinamika
dengan jumlah kerja yang dilakukan pada sistem dan jumlah kalor yang dipindahkan
ke sistem (Petrucci, 1987). Hukum kedua termodinamika, yaitu membahas tentang
reaksi spontan dan tidak spontan. Proses spontan yaitu reaksi yang berlangsung tanpa
pengaruh luar. Sedangkan reaksi tidak spontan tidak terjadi tanpa bantuan luar. Energi
disipasi dapat berarti energi yang hilang dari suatu sistem. Hilang dalam arti berubah
menjadi energi lain yang tidak menjadi tujuan suatu sistem (dalam percobaan, energi
listrik berubah menjadi energi kalor).
Timbulnya energi disipasi secara alamiah tidak dapat dihindari. Contohnya:
1. Energi panas yang timbul akibat gesekan. Dalam hal ini, timbulnya
gesekan dianggap merugikan.
2. Energi listrik yang terbuang akibat adanya hambatan pada kawat
penghantar.
3. Energi panas pada transformator (trafo). Trafo dikehendaki untuk
mengubah tegangan. Namun, pada kenyataan, timbul panas pada trafo.
Panas inilah yang dianggap sebagai energi disipasi.
Dalam fisika, disipasi mewujudkan konsep sistem dinamis di mana modus
mekanis yang penting, seperti gelombang atau osilasi, kehilangan energi selama
waktu, biasanya karena tindakan gesekan atau turbulensi. Energi yang hilang diubah
menjadi panas, menaikkan temperatur dari sistem. Sistem seperti ini disebut sistem
disipasi.
Hotwire sebagai Sensor Kecepatan Aliran Udara
Perkembangan teknologi yang cepat dalam peralatan penyensoran telah
memungkinkan berbagai pengukuran aliran fluida dilakukan dengan berbagai sensor
yang memberikan hasil-hasil pengukuran yang akurat. Untuk pengukuran berbagai
aliran turbulen, salah satu jenis sensor yang banyak digunakan adalah hotwire
anemometer. Single normal probe adalah suatu tipe hotwire yang paling banyak
digunakan sebagai sensor untuk memberikan informasi kecepatan aliran dalam arah
aksial saja. Probe seperti ini terdiri dari sebuah kawat logam pendek yang halus
(delicate) yang disatukan pada dua kawat baja dengan arus listrik dan bekerja
berdasarkan prinsip perpindahan panas konveksi. Masing masing ujung probe
dihubungkan ke sebuah sumber tegangan. Energi listrik yang mengalir pada probe
tersebut akan didisipasi oleh kawat menjadi energi kalor. Besarnya energi listrik yang
terdisipasi sebanding dengan tegangan, arus listrik yang mengalir di probe tersebut
dan lamanya waktu arus listrik mengalir.
P = V i Δt
Bila probe dihembuskan udara maka akan merubah nilai resistansi kawat
sehingga merubah besarnya arus listrik yang mengalir. Semakin cepat udara yang
mengalir maka perubahan nilai resistansi juga semakin besar dan arus listrik yang
mengalir juga berubah. Jumlah perpindahan panas yang diterima probe dinyatakan oleh
overheat ratio yang dirumuskan sebagai :
Overheat ratio =
Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan udara)
Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).
Sistem hot-wire anemometer yang digunakan meliputi sebuah single normal
hotwire probe, DISA 55M01 main unit, 55M11 CTA booster adapter, dan 55M05 power
pack. Probe yang digunakan dioperasikan dalam suatu mode temperatur konstan untuk
menyediakan respon frekuensi yang lebih tinggi. Dalam mode temperatur konstan,
resistansi kawat, Rw dipertahankan konstan untuk memfasilitasi respon instantaneous dari
inersia termal sensor terhadap berbagai perubahan dalam kondisi aliran.
Hotwire probe harus dikalibrasi untuk menentukan persamaan yang
menyatakan hubungan antara tegangan kawat (wire voltage, E) dengan kecepatan
referensi (reference velocity, U). Setelah persamaan diperoleh, kemudian informasi
kecepatan dalam setiap percobaan dapat dievaluasi menggunakan persamaan tersebut.
Persamaan yang didapat berbentuk persamaan linear atau persamaan polinomial.
Beberapa persamaan yang dapat digunakan antara lain:
1. Persamaan Simple Power-law
Persamaan ini diperkenalkan oleh L.V. King dan dirumuskan sebagai berikut:
E2 = A + BU
n
dimana A dan B merupakan konstanta-konstanta kalibrasi, E merupakan
tegangan kawat, n merupakan konstanta pangkat, dan U merupakan komponen
kecepatan aksial.
2. Persamaan Extended Power-law
Persamaan ini diperkenalkan oleh R.G. Siddal dan T.W. Davies yang
diformulasikan sebagai berikut:
E2 = A + BU
n + CU
dimana A, B, dan C adalah konstanta-konstanta kalibrasi dan n = 0.5.
Pada percobaan yang akan dilakukan, yaitu mengukur tegangan kawat pada
temperatur ambient dan mengukur tegangan kawat bila dialiri arus udara dengan
kecepatan yang hasilkan oleh fan. Kecepatan aliran udara oleh fan akan divariasikan
melalui daya yang diberikan ke fan yaitu 70 , 110 , 150 dan 190 dari daya maksimal 230
m/s.
Konveksi
Konveksi adalah proses di mana kalor ditransfer dengan pergerakan molekul
dari satu tempat ke tempat yang lain. Sementara konduksi hanya melibatkan molekul
(dan/atau elektron) yang hanya bergerak dalam jarak yang kecil dan bertumbukan,
konveksi melibatkan pergerakan molekul dalam jarak yang besar. Tungku dengan
udara yang dipaksa, di mana udara dipanaskan, dan kemudian ditiup oleh kipas angin
ke dalam ruangan, merupakan satu contoh konveksi yang dipaksakan. Konveksi alami
juga terjadi, dan satu contoh yang banyak dikenal adalah bahwa udara panas akan
naik. Misalnya, udara di atas radiator (atau pemanas jenis lainnya) memuai pada saat
dipanaskan, dan kerapatannya akan berkurang; karena kerapatan menurun, udara
tersebut naik, sama seperti sebatang kayu yang diceburkan ke dalam air akan terapung
ke atas karena massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air. Air samudra yang
hangat atau dingin, seperti Gulf Stream yang sejuk, menunjukkan konveksi alami
dalam skala besar. Angin merupakan contoh konveksi yang lain, dan cuaca pada
umumnya merupakan hasil dari arus udara yang konvektif.
Cara Kerja
1. Mengaktifkan Web cam.
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s , dengan meng”klik” pilihan drop
down pada icon “atur kecepatan aliran”.
3. Menghidupkan motor pengerak kipas dengan meng”klik” radio button pada icon
“menghidupkan power supply kipas.
4. Mengukur Tegangan dan Arus listrik di kawat hot wire dengan cara mengklik icon
“ukur”.
5. Mengulangi langkah 2 hingga 4 untuk kecepatan 70 , 110 , 150 , 190 dan 230 m/s.
Tugas & Evaluasi
1. Berdasarkan data yang didapat , membuat grafik yang menggambarkan hubungan
Tegangan Hotwire dengan Waktu untuk tiap kecepatan aliran udara.
2. Berdasarkan pengolahan data di atas, membuat grafik yang menggambarkan
hubungan Tegangan Hotwire dengan Kecepatan aliran angin.
3. Membuat persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire.
4. Berdasarkan percobaan dan data yang didapat, menetukan apakah kita dapat
menggunakan kawat Hotwire sebagai pengukur kecepatan angin
5. Memberi analisis dari hasil percobaan ini.
Data Hasil Percobaan
Evaluasi
1. Membuat grafik berdasarkan hubungan antara waktu dengan tegangan hotwire
Kecepatan angin 0 m/s
Kecepatan angin 70 m/s
Kecepatan angin 110 m/s
Kecepatan angin 150 m/s
Kecepatan angin 190 m/s
Kecepatan angin 230 m/s
2. Membuat grafik berdasarkan hubungan antara tegangan hotwire dengan kecepatan angin
3. Membuat persamaan tegangan hotwire
Analisis
Analisis Percobaan
Percobaan “Disipasi Kalor Hot Wire” yang dilakukan dengan menggunakan
sistem R-Lab (Remote Laboratory) ini dimulai dengan mengaktifkan Web cam, yaitu
dengan mengklik icon video yang ada pada halaman R-Lab. Hal ini harus dilakukan
agar dalam menjalankan praktikum, alat peraga yang ditampilkan benar-benar berada
dalam kondisi siap untuk dipakai. Selain itu, dengan mengaktifkan Web cam, dapat
menghindarkan kita dari kesalahan-kesalahan yang diakibatkan oleh prosedur kerja
yang tidak dikerjakan secara benar (seperti diharuskan untuk menunggu sampai alat
peraga yang ditampilkan menunjukkan angka nol). Jika kita tidak mengaktifkan web
cam, maka percobaan kita rentan salah, sehingga daa yang diambil akan mengalami
kesalahan yang berlanjut pada kesalahan dalam pengolahan data maupun 15 hasilnya,
yaitu didapat suatu nilai yang bukan merupakan nilai yang sebenarnya, sehingga kita
diharuskan untuk mengulang percobaan. Setelah mengaktifkan web cam, hal yang
dilakukan selanjutnya adalah memberikan aliran udara sebesar 0 m/s, yaitu dengan
mengklik pilihan drop down yang ada pada icon “atur kecepatan aliran”. Hal ini
dilakukan untuk memastikan bahwa aliran udara yang diberikan adalah sebesar 0 m/s,
sehingga kesalahan dalam pengambilan data tidak terjadi dalam percobaan kali ini.
Kemudian, setelah menyetel kecepatan aliran sebesar 0 m/s, motor penggerak
kipas harus dinyalakan. Hal ini dilakukan untuk menggerakkan kipas agar berputar,
dan menghasilkan kecepatan sebesar 0 m/s (walaupun pada kenyataannya kipas tidak
bergerak). Untuk menggerakkan motor kipas, kita harus mengklik radio button pada
icon “menghidupkan power supply kipas”. Jika kita tidak mengklik radio button
tersebut, maka secara otomatis kipas tidak akan berputar dan menghasilkan kecepatan
yang kita inginkan, sehingga percobaan mengalami kegagalan, yang mengakibatkan
data yang diambil juga mengalami kesalahan. Untuk mengukur tegangan dan arus
listrik di kawat hot wire, kita bisa melakukannya dengan mengklik icon “ukur”.
Setelah mengklik tombol “ukur” maka akan terjadi pergerakan kipas dan perubahan
tegangan. Setelah menunggu selama beberapa detik, maka akan muncul data yang
meliputi waktu, kecepatan aliran, tegangan, dan arus yang dihasilkan. Percobaan
dilanjutkan dengan mengubah kecepatan aliran menjadi 70, 110, 150, 190, dan 230
m/s, dengan prosedur yang sama seperti prosedur di atas.
Analisis Hasil
Data yang diperoleh dari percobaan ini meliputi waktu, kecepatan, tegangan,
dan arus yang merupakan data yang telah dicetak oleh sistem.. Dari data yang terlihat,
terdapat beberapa data yang tidak berada dalam suatu kecenderungan untuk berada
dalam satu nilai. Selisih data yang keluar dari kecenderungan untuk berada dalam satu
nilai itu memang tidak terlalu jauh. Akan tetapi, data tersebut merupakan data yang
kurang baik, yang dapat mengakibatkan hasil yang diperoleh tidak akurat. Dalam
menganalisis data ini, praktikan tidak dapat menganalisis penyebab secara fisis, apa-
apa yang menyebabkan timbulnya nilai-nilai yang keluar dari kecenderungan tersebut,
karena praktikan tidak melakukan percobaan secara langsung.
Analisis Grafik
Pada percobaan ini, terdapat tujuh buah grafik, yaitu enam buah grafik yang
menghubungkan waktu dengan tegangan untuk tiap-tiap kecepatan aliran udara,
sedangkan satu grafik yang lain merupakan grafik yang menghubungkan tegangan
dengan kecepatan aliran udara. Dari ke-enam grafik yang merupakan grafik tegangan
vs waktu, bisa terlihat bahwa terdapat simpangan yang cukup jauh untuk kecepatan
aliran udara dari 70 m/s sampai dengan 230 m/s. Akan tetapi, hal ini hanya
dikarenakan skala pada sumbu y yang digunakan dalam grafik ini sangat kecil,
sehingga grafik yang ditampilkan “seolah-olah” memiliki simpangan yang besar. Jika
kita memperbesar skala pada sumbu y, maka grafik yang dihasilkan hampir berbentuk
garis lurus yang sejajar dengan sumbu x. Simpangan yang terjadi ini, dikarenakan
kumpulan data yang dihasilkan, ada sebagian data yang keluar dari kecenderungan,
sebagaimana seperti yang telah dijelaskan pada analisis data di atas. Pada grafik yang
menggambarkan hubungan antara kecepatan aliran dengan tegangan, dapat terlihat
bahwa kecepatan aliran udara berbanding terbalik dengan tegangan.
Hal ini dapat terlihat dari persamaan grafik yang di dapat dari metode least
square yaitu:
y = -0.0003x + 2.0966
Pada persamaan grafik di atas, gradiennya bernilai negatif, sehingga grafik
akan terus turun seiring dengan bertambahnya tegangan (kecepatan aliran udara
berbanding terbalik dengan tegangan). Persamaan y = -0.0003x + 2.0966 didapat
dengan menggunakan metode least-square, untuk membuat persamaan umum grafik
tersebut dengan jarak simpangan yang sangat kecil. Gradien (m) dan nilai konstanta
(b), Dengan x pada kasus ini adalah tegangan, dan y adalah kecepatan aliran angin.
Kesimpulan
1. Single normal probe hotwire merupakan salah satu jenis hotwire yang umumnya
digunakan sebagai sensor untuk memberikan informasi kecepatan aliran dengan
menghubungkan kedua ujung probe dengan dengan sumber tegangan.
2. Besarnya energi listrik yang terdisipasi sebanding dengan tegangan, arus listrik yang
mengalir di probe tersebut dan lamanya waktu arus listrik mengalir.
3. Semakin cepat udara yang mengalir maka perubahan nilai resistansi juga semakin
besar dan arus listrik yang mengalir juga berubah.
4. Jumlah perpindahan panas yang diterima dinyatakan sebagai overheat ratio yang
dirumuskan sebagai :
Referensi
1. Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Prentice Hall, NJ,
2000.
2. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition,
John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.
Link RLab
http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01