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