Laporan Praktikum

Nama / NPM : Indy Prasetya Girry / 1406604683

Fakultas / Program Studi : Teknik/Teknik Kimia

Group & Kawan Kerja : Kelompok 4

1. Gian Djohan Junior

2. Siti Salwa S.

3. Damaraji Wijoyono

4. Faris Alie Yafie

5. Agata Ayu Gita

6. Taqi Aufa

Nomor & Nama

Percobaan

: KR01 – Disipasi Kalor Hot Wire

Minggu Percobaan : 1

Laboratorium Fisika Dasar

UPP IPD

Universitas Indonesia

Tujuan Percobaan

Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.

Prinsip Dasar Percobaan

Single normal probe adalah suatu tipe hotwire yang paling banyak digunakan

sebagai sensor untuk memberikan informasi kecepatan aliran dalam arah

axial saja. Probe seperti ini terdiri dari sebuah kawat logam pendek yang

halus yang disatukan pada dua kawat baja. 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 ∙∆ t .............................................................................................................................. ( 1 )

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 =RwRa

.......................................................................................................... ( 2 )

Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan udara).

Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).

Gbr. 1 Diagram hot wire probe

Hot wire 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.

Pada percobaan yang akan dilakukan yaitu mengukur tegangan kawat pada

temperatur ambient dan mengukur tegangan kawat bila dialiri arus udara

dengan kecepatan yang dihasilkan 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.

Peralatan

Gbr. 2 Susunan peralatan hot wire

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

Cara Kerja

Eksperimen r-Lab ini dapat dilakukan dengan meng‘klik’ link ‘r-Lab’ di

http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01.

1. Mengaktifkan Web cam (meng’klik’ icon video pada halaman web r-Lab).

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.

Data Pengamatan

U = 0 m/sWakt

u[s]

Teganganhot wire

[V]

Arus listrikhot wire

[A]1 2,112 55,42 2,112 54,83 2,112 53,94 2,112 56,35 2,112 53,96 2,112 54,57 2,112 55,28 2,112 53,99 2,112 56,2

10 2,112 53,9

U = 70 m/sWakt

u[s]

Teganganhot wire

[V]

Arus listrikhot wire

[A]1 2,051 54,22 2,05 55,13 2,051 58,44 2,051 55,95 2,049 54,26 2,049 55,37 2,05 58,48 2,051 56,19 2,051 54,2

10 2,05 54,9

U = 110 m/sWakt

u[s]

Teganganhot wire

[V]

Arus listrikhot wire

[A]1 2,032 54,42 2,032 55,63 2,034 58,84 2,035 585 2,033 54,96 2,034 54,47 2,033 55,88 2,032 58,99 2,032 58,2

10 2,03 55,1

U = 150 m/sWakt

u[s]

Teganganhot wire

[V]

Arus listrikhot wire

[A]1 2,024 60,32 2,025 58,73 2,025 56,84 2,024 55,25 2,024 54,66 2,024 54,57 2,024 54,98 2,023 56,39 2,024 58,5

10 2,025 59,6

U = 190 m/sWakt

u[s]

Teganganhot wire

[V]

Arus listrikhot wire

[A]1 2,019 55,72 2,019 54,83 2,019 54,74 2,019 54,65 2,018 55,16 2,018 56,37 2,018 58,28 2,019 59,59 2,019 60

U =230 m/sWakt

u[s]

Teganganhot wire

[V]

Arus listrikhot wire

[A]1 2,016 57,32 2,016 58,23 2,016 59,34 2,016 605 2,016 59,66 2,015 58,37 2,016 56,88 2,015 55,59 2,014 54,8

10 2,019 59,1 10 2,014 54,7

Pengolahan Data

Kecepatan aliran angin = 0 m/s

0 2 4 6 8 10 122.111

2.1115

2.112

2.1125

2.113

2.1135

2.114

2.1145

2.115

f(x) = 2.112

U = 0 m/s

Waktu [s]

Teg

anga

n h

ot w

ire

[V]

no x y x² y² xy1 1 2,112 1 4,460544 2,1122 2 2,112 4 4,460544 4,2243 3 2,112 9 4,460544 6,3364 4 2,112 16 4,460544 8,4485 5 2,112 25 4,460544 10,566 6 2,112 36 4,460544 12,6727 7 2,112 49 4,460544 14,7848 8 2,112 64 4,460544 16,8969 9 2,112 81 4,460544 19,008

10 10 2,112 100 4,460544 21,12Σ 55 21,12 385 44,60544 116,16

a=(∑ y ) (∑ x2 )−(∑ x ) (∑ xy )

n(∑ x2 )−(∑ x )2 =2,112

b=n (∑ xy )−(∑ x ) (∑ y )n (∑ x2 )−(∑ x )

2 =0

sy2=( 1

n−2 )((Σ y )2−(∑ x2) (∑ y2 )−2 (∑ x) (∑ y ) (∑ xy )+n (∑ xy )

n (∑ x2 )−(∑ x )2 )= 73,5990

sa=s y √ (∑ x2 )n (∑ x2 )−(∑ x )

2=5,8609

sb=s y √ n

n (∑ x2 )−(∑ x )2=0,9445

Kecepatan aliran angin = 70 m/s

0 2 4 6 8 10 122.048

2.0485

2.049

2.0495

2.05

2.0505

2.051

2.0515

f(x) = − 3.03030303030404E-05 x + 2.05046666666667

U = 70 m/s

Waktu [s]

Teg

anga

n h

ot w

ire

[V]

no x y x² y² xy1 1 2,051 1 4,206601 2,0512 2 2,05 4 4,2025 4,13 3 2,051 9 4,206601 6,1534 4 2,051 16 4,206601 8,2045 5 2,049 25 4,198401 10,2456 6 2,049 36 4,198401 12,2947 7 2,05 49 4,2025 14,358 8 2,051 64 4,206601 16,4089 9 2,051 81 4,206601 18,459

10 10 2,05 100 4,2025 20,5Σ 55 20,503 385 42,03731 112,764

a=(∑ y ) (∑ x2 )−(∑ x ) (∑ xy )

n(∑ x2 )−(∑ x )2 =2,0505

b=n (∑ xy )−(∑ x ) (∑ y )n (∑ x2 )−(∑ x )

2 =−0,00003

sy2=( 1

n−2 )((Σ y )2−(∑ x2) (∑ y2 )−2 (∑ x) (∑ y ) (∑ xy )+n (∑ xy )

n (∑ x2 )−(∑ x )2 )= 69,3616

sa=s y √ (∑ x2 )n (∑ x2 )−(∑ x )

2=5,6894

sb=s y √ n

n (∑ x2 )−(∑ x )2=0,9169

Kecepatan aliran angin = 110 m/s

0 2 4 6 8 10 122.0272.0282.029

2.032.0312.0322.0332.0342.0352.036

f(x) = − 0.00020000000000001 x + 2.0338

U = 110 m/s

Waktu [s]

Teg

anga

n h

ot w

ire

[V]

no x y x² y² xy1 1 2,032 1 4,129024 2,0322 2 2,032 4 4,129024 4,0643 3 2,034 9 4,137156 6,1024 4 2,035 16 4,141225 8,145 5 2,033 25 4,133089 10,1656 6 2,034 36 4,137156 12,2047 7 2,033 49 4,133089 14,2318 8 2,032 64 4,129024 16,2569 9 2,032 81 4,129024 18,288

10 10 2,03 100 4,1209 20,3Σ 55 20,327 385 41,31871 111,782

a=(∑ y ) (∑ x2 )−(∑ x ) (∑ xy )

n(∑ x2 )−(∑ x )2 =2,0338

b=n (∑ xy )−(∑ x ) (∑ y )n (∑ x2 )−(∑ x )

2 =−0,0002

sy2=( 1

n−2 )((Σ y )2−(∑ x2) (∑ y2 )−2 (∑ x) (∑ y ) (∑ xy )+n (∑ xy )

n (∑ x2 )−(∑ x )2 )= 68,1758

sa=s y √ (∑ x2 )n (∑ x2 )−(∑ x )

2=5,6405

sb=s y √ n

n (∑ x2 )−(∑ x )2=0,9091

Kecepatan aliran angin = 150 m/s

0 2 4 6 8 10 122.022

2.0225

2.023

2.0235

2.024

2.0245

2.025

2.0255

f(x) = − 4.84848484848432E-05 x + 2.02446666666667

U = 150 m/s

Waktu [s]

Teg

anga

n h

ot w

ire

[V]

no x y x² y² xy1 1 2,024 1 4,096576 2,0242 2 2,025 4 4,100625 4,053 3 2,025 9 4,100625 6,0754 4 2,024 16 4,096576 8,0965 5 2,024 25 4,096576 10,126 6 2,024 36 4,096576 12,1447 7 2,024 49 4,096576 14,1688 8 2,023 64 4,092529 16,1849 9 2,024 81 4,096576 18,216

10 10 2,025 100 4,100625 20,25Σ 55 20,242 385 40,97386 111,327

a=(∑ y ) (∑ x2 )−(∑ x ) (∑ xy )

n(∑ x2 )−(∑ x )2 =2,0245

b=n (∑ xy )−(∑ x ) (∑ y )n (∑ x2 )−(∑ x )

2 =−0,00005

sy2=( 1

n−2 )((Σ y )2−(∑ x2) (∑ y2 )−2 (∑ x) (∑ y ) (∑ xy )+n (∑ xy )

n (∑ x2 )−(∑ x )2 )= 67,6069

sa=s y √ (∑ x2 )n (∑ x2 )−(∑ x )

2=5,6169

sb=s y √ n

n (∑ x2 )−(∑ x )2=0,9053

Kecepatan aliran angin = 190 m/s

0 2 4 6 8 10 122.01742.01762.0178

2.0182.01822.01842.01862.0188

2.0192.0192

f(x) = − 1.81818181818243E-05 x + 2.0188

U = 190 m/s

Waktu [s]

Teg

anga

n h

ot w

ire

[V]

no x y x² y² xy1 1 2,019 1 4,076361 2,0192 2 2,019 4 4,076361 4,0383 3 2,019 9 4,076361 6,0574 4 2,019 16 4,076361 8,0765 5 2,018 25 4,072324 10,096 6 2,018 36 4,072324 12,1087 7 2,018 49 4,072324 14,1268 8 2,019 64 4,076361 16,1529 9 2,019 81 4,076361 18,171

10 10 2,019 100 4,076361 20,19Σ 55 20,187 385 40,7515 111,027

a=(∑ y ) (∑ x2 )−(∑ x ) (∑ xy )

n(∑ x2 )−(∑ x )2 =2,0188

b=n(∑ xy )−(∑ x ) (∑ y )n (∑ x2 )−(∑ x )

2 =−0,00002

sy2=( 1

n−2 )((Σ y )2−(∑ x2) (∑ y2 )−2 (∑ x) (∑ y ) (∑ xy )+n (∑ xy )

n (∑ x2 )−(∑ x )2 )= 67,24

sa=s y √ (∑ x2 )n (∑ x2 )−(∑ x )

2=5,6017

sb=s y √ n

n (∑ x2 )−(∑ x )2=0,9028

Kecepatan aliran angin = 230 m/s

0 2 4 6 8 10 122.0125

2.013

2.0135

2.014

2.0145

2.015

2.0155

2.016

2.0165f(x) = − 0.000230303030303048 x + 2.01666666666667

U = 230 m/s

Waktu [s]

Teg

anga

n h

ot w

ire

[V]

no x y x² y² xy1 1 2,016 1 4,064256 2,0162 2 2,016 4 4,064256 4,0323 3 2,016 9 4,064256 6,0484 4 2,016 16 4,064256 8,0645 5 2,016 25 4,064256 10,086 6 2,015 36 4,060225 12,097 7 2,016 49 4,064256 14,1128 8 2,015 64 4,060225 16,129 9 2,014 81 4,056196 18,126

10 10 2,014 100 4,056196 20,14Σ 55 21,12 385 44,60544 116,16

a=(∑ y ) (∑ x2 )−(∑ x ) (∑ xy )

n(∑ x2 )−(∑ x )2 =2,0167

b=n (∑ xy )−(∑ x ) (∑ y )n (∑ x2 )−(∑ x )

2 =−0,0002

sy2=( 1

n−2 )((Σ y )2−(∑ x2) (∑ y2 )−2 (∑ x) (∑ y ) (∑ xy )+n (∑ xy )

n (∑ x2 )−(∑ x )2 )= 67,0203

sa=s y √ (∑ x2 )n (∑ x2 )−(∑ x )

2=5,5925

sb=s y √ n

n (∑ x2 )−(∑ x )2=0,9013

Kecepatanaliran angin,

U [m/s]

Tegangan hot wire

rata-rata,E [V]

0 2,11270 2,0503

110 2,0327150 2,0242190 2,0187230 2,0154

0 50 100 150 200 2501.961.98

22.022.042.062.08

2.12.12

f(x) = 2.45000300494961E-06 x² − 0.000962594218047736 x + 2.1100700462333

Grafik tegangan hot wire terhadap kecepatan aliran angin

Kecepatan aliran angin, U [m/s]

Teg

anga

n h

ot w

ire,

E [

V]

Dari trendline grafik yang didapat melalui Microsoft Excel, (polynomial

pangkat 2) dapat dicari hubungan antara tegangan hot wire, E, dengan

kecepatan aliran angin, U, sebagai berikut:

E=0,000002U 2+0,001U+2,1101E−2,1101=0,000002U2+0,001U

500000E-1055050=U 2+500U500000E-992550=U 2+500U+62500

500000E-992550=(U+250)2√500000E-992550=U+250

U=√500000 E−992550−250

dengan E≥2,1101 V.

Analisis

Salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan aliran angin

adalah hot wire anemometer. Prinsip dasar kerja alat ini adalah mengukur

jumlah kalor yang terbawa arus angin secara konveksi. Komponen utama alat

ini adalah kawat filamen (hot wire) yang akan memanas jika alat ini

dinyalakan dan arus listrik mengalir melalui kawat tersebut. Kawat filamen

tersebut memiliki resistansi Ra saat arus tidak mengalir pada suhu ruangan.

Saat arus mengalir melalui kawat, resistansi pada kawat tersebut akan

menyebabkan konversi energi listrik menjadi energi panas. Ketika

temperatur kawat mulai meningkat, resistansi pada kawat pun mulai naik

hingga mencapai Rw. Pada saat aliran angin melewati hot wire tersebut,

perpindahan panas pun mulai terjadi secara konveksi. Resistansi kawat pun

akan cenderung turun dari nilai Rw.

Dari beberapa jenis hot wire anemometer yang tersedia, yang paling

sederhana ialah yang menggunakan satu kawat saja, atau single probe hot

wire anemometer. Terdapat 2 jenis single probe hot wire anemometer, yaitu

constant current dan constant temperature. Pada jenis constant current, arus

yang diberikan konstan sehingga ketika kawat mulai dilewati aliran angin,

kawat mengalami penurunan temperatur dan resistansi yang menghasilkan

penurunan tegangan pada hot wire. Sementara itu, pada jenis constant

temperature, arus yang diberikan pada hot wire disesuaikan sehingga

temperatur hot wire tidak mengalami penurunan. Ketika aliran angin mulai

menyerap panas dari kawat secara konveksi, arus listrik pada kawat akan

ditambah sehingga tidak terjadi penurunan temperatur yang cukup berarti.

Pada percobaan kali ini, alat yang digunakan adalah single probe hot wire

anemometer dengan jenis constant temperature, sehingga ketika angin mulai

mengalir atau kecepatan aliran angin mulai bertambah,

temperatur kawat akan tetap,

resistansi kawat akan tetap,

arus listrik pada kawat akan bertambah, dan

tegangan pada kawat akan berkurang.

Waktu hanya akan berpengaruh saat kawat baru dialiri arus listrik dan mulai

memanas (mulai mendisipasikan kalor). Ketika alat sudah mulai digunakan,

waktu tidak lagi memainkan peranan yang cukup berarti.

Dari data pengamatan yang didapatkan dalam percobaan, ternyata terdapat

kesesuaian dengan teori. Begitu juga dengan grafik yang didapatkan.

Walaupun dalam grafik hubungan tegangan hot wire dengan waktu terlihat

bahwa trendline cenderung menurun, penurunan tersebut sangatlah kecil

(gradien trendline, b, mendekati 0) dan hanyalah dikarenakan kesalahan

rambang (random error). Sementara itu, pada grafik hubungan tegangan hot

wire dengan kecepatan aliran angin, trendline yang digunakan tidak linier

karena tidak cukup mewakili susunan data yang ada. Bentuk trendline yang

paling mendekati susunan data pada grafik tersebut adalah bentuk

polinomial berpangkat 2. Persamaan trendline tersebut kemudian diubah

menjadi bentuk fungsi kecepatan aliran angin, U, dalam tegangan hot wire, E.

Kecepatan aliran angin tidak boleh negatif, sehingga ditentukan batas

E≥2,1101, yang didapatkan dengan cara menyelesaikan pertidaksamaan

√500000E-992550−250≥0.

Ada beberapa kemungkinan faktor kesalahan pada percobaan ini. Selain

kesalahan rambang (random error) yang dapat diminimalisir dengan cara

memperbanyak jumlah data atau melakukan percobaan berulang-ulang,

dapat pula terjadi kesalahan alat. Kesalahan alat ini dapat terjadi karena

sebuah hot wire anemometer sangat sensitif dan harus sering-sering

dibersihkan untuk mencegah penumpukan debu. Selain itu, karena praktikan

hanya dapat melihat peralatan melalui webcam, praktikan tidak dapat

mengetahui kondisi lingkungan tempat dilaksanakannya percobaan.

Kesimpulan

Single probe hot wire anemometer dapat digunakan sebagai sensor untuk

mengukur kecepatan aliran angin, dan kecepatan aliran angin yang diukur

dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari tegangan hot wire.

Pada percobaan ini, ditemukan persamaan

U=√500000E-992550−250, E≥2,1101

dengan U adalah kecepatan aliran angin dan E adalah tegangan hot wire.

Daftar Pustaka

1. Giancoli, Physics for Scientists & Engeeners, 3rd Edition, Upper Saddle River,

NJ: Prentice Hall, 2000.

2. Halliday, Resnick, Walker, Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended

Edition, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2005.

3. http://www.efunda.com/designstandards/sensors/hot_wires/

hot_wires_intro.cfm