kr 01 angelina 1406533522 teknologi bioproses grup 3
TRANSCRIPT
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
1/30
Laporan Praktikum R-LAB
Fisika Dasar
Nama : Angelina
NPM : 1406533522
Fakultas/Jurusan : Teknik/ Teknologi Bioproses
Grup : A3
No dan Nama Percobaan : KR01 - Disipasi Kalor Hotwire
Minggu Percobaan : 2
Tanggal Percobaan : Jumat, 6 Maret 2015
Laboratorium Fisika Dasar
Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP IPD)
Universitas Indonesia
Depok
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
2/30
Disipasi Kalor Hot Wire
I. Tujuan Percobaan
-
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
II. Peralatan
- Kawat pijar (hotwire)
- Fan / Kipas
- Voltmeter dan Amperemeter
- Adjustable power supply
-
Camcorder / Webcam
- Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
III. Landasan Teori
Energi dapat didefinisikan sebagai suatu kemampuan untuk melakukan usaha. Bumi,
sebagai tempat tinggal manusia memiliki banyak sekali sumber energi, dari energi yang
terbarukan terbarukan sampai dengan energi yang tak terbarukan. Energi terbarukan
merupakan jenis energi yang tidak habis bila dikonsumsi secara kontinu oleh manusia.
Contoh dari sumber energi terbarukan adalah angin, matahari, air, dan sebagainya.
Sedangkan, sumber energi yang tidak terbarukan adalah jenis energi yang akan habis bila
dikonsumsi secara kontinu, seperti energy fosil (minyak dan gas bumi) dan batu bara.
Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Seringkali perubahan energi
melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya, dan diiringi dengan adanya
kerja. Namun, jika energi tersebut dipindahkan atau diubah, namun ternyata tidak ada energi
yang hilang pada proses tersebut, maka ini merupakan hukum kekekalan energi, yang
berbunyi :
“Energi total tidak berkurang dan juga tidak bertambah pada proses apa pun. Energi dapat
diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya, dan dipindahkan dari satu benda ke benda
lainnya, tetapi jumlah totalnya tetap konstan.”
E awal = E akhir
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
3/30
Menurut hukum kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, tetapi
energi dapat diubah dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Contoh konversi
energi atau perubahan energi adalah energi air pada air terjun diubah menjadi energi listrik
dalam PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air), energi kimia dalam tubuh yang berasal dari
bahan makanan diubah menjadi energi gerak ketika kita berlari, dan energi listrik yang
mengalir pada lampu akan diubah menjadi energi cahaya.
Kalor didefinisikan sebagai panas yang dimiliki suatu zat. Panas merupakan energi
yang ditransfer dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur. Bila
energi panas ditambahkan pada suatu zat, maka temperatur zat itu akan naik, kecuali ketika
sedang terjadi perubahan fasa pada zat tersebut. Untuk membuktikan bahwa suatu benda
memiliki panas, dapat dilakukan pengukuran suhu benda tersebut. Jika suhu benda tinggi,
maka benda tersebut memiliki kalor yang tinggi, dan sebaliknya.
Energi kalor adalah suatu kemampuan yang digunakan untuk menghasilkan usaha
yang berupa panas (kalor). Sedangkan, definisi dari kalor tersebut adalah suatu bentuk energi
yang diakibatkan karena adanya perbedaan suhu dan kalor mengalir dari benda yang
memiliki suhu tinggi ke benda yang memiliki suhu rendah. Hal ini dinamakan transfer kalor
untuk mendapatkan suhu dalam keadaan setimbang dari kedua benda tersebut.
Panas dapat bergerak dari suatu tempat ke tempat yang lain karena adanya perbedaan
suhu diantara tempat tersebut, dan bergerak melalui benda padat, cair maupun gas. Jadi,
perbedaan panas merupakan syarat terjadinya perpindahan kalor. Dalam prosesnya,
perpindahan panas dibedakan dalam beberapa cara, yaitu secara konduksi, konveksi dan
radiasi. Perpindahan panas yang ideal, artinya panas yang dipindahkan dari bahan satu dapat
dipindahkan seluruhnya ke bahan yang lain tanpa ada panas yang hilang. Perbedaan suhu
yang menyebabkan terjadinya perpindahan panas bisa terjadi karena ada pemanasan atau
pendinginan dari salah satu benda yang berinteraksi. Pemanasan berarti pengaktifan getaran
molekul, sedangkan pendinginan adalah pengurangan gerakan molekul dalam suatu bahan.
Perpindahan panas dapat memberikan manfaat yang besar bagi makhluk hidup maupun benda
mati, namun ada juga hal-halyang merugikan bagi makhluk hidup maupun benda mati seperti
kanker kulit, pelapukan, korosi, pemuaian, dan lain lain.
Kalor timbul akibat perbedaan suhu, maka sampai dengan pertengahan abad
kedelapan belas, istilah kalor dan suhu memiliki arti yang sama. Joseph black pada tahun1760 merupakan orang pertama yang menyatakan perbedaan antara suhu dan kalor. Suhu
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
4/30
adalah derajat panas atau dinginnya suatu benda yang diukur oleh termometer, sedang kalor
adalah sesuatu yang mengalir dari benda panas ke benda lebih dingin untuk menyamakan
suhunya. Suhu sesungguhnya adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel (berkaitan
dengan gerak partikel-partikel) dalam suatu benda. Sedangkan dalam fisika, istilah kalor
selalu menngacu pada energi yang berpindah dari suatu benda lainnya karena perbedaan
suhu. Begitu proses perpindahan energi ini berhenti, maka kalor tidak lagi memiliki arti. Jadi,
kalor bukanlah jumlah energi yang dikandung dalam suatu benda.
Suatu satuan yang umum untuk kalor, masih digunakan sampai sekarang, dinamakan
kalori. Satuan ini disebut kalori (kal) dan didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk
menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius. Secara kuantitatif, kerja 4,186
Joule (J) ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal dengan tara kalor mekanik.
Kalor pertama kali diamati oleh A. Laouvisier yang kemudian menyatakan Teori
Kalorik, sebuah teori dasar yang menerangkan keberadaan kalor. Teori ini menyatakan :
“Setiap zat/ benda mempunyai zat alir yang berfungsi untuk mentransfer panas.” Jadi,
Lavoisier menyatakan bahwa pada saat dua benda/ zat berbeda suhu bersentuhan, maka akan
terdapat zat alir yang memindahkan panas dan menyebabkan perubahan suhu pada kedua
benda tersebut. Teori Kalorik tidak dapat menerangkan mengapa benda yang dijemur akan
menjadi panas meskipun tidak bersentuhan dengan benda lain, dan masih banyak kasus yang
tidak dapat dijelaskan oleh teori ini. Sampai akhirnya, para ilmuwan sadar bahwa kalor itu
sebenarnya adalah sebuah bentuk energi yang dapat berpindah dari satu benda ke benda lain
dan menyebabkan perubahan suhu pada keduanya.
Dalam topik kalor, terdapat sebuah istilah yang bernama kerja kalor. Kerja kalor
merupakan suatu kerja sistem. Kerja kalor yang terjadi pada suatu benda ini dinamakan
“melepas” dan “menerima” kalor. Pada benda, dikenal dengan istilah sistem dan lingkungan,
di mana sistem itu adalah sebuah atau sekumpulan objek yang ditinjau yang merupakan
tempat terjadinya suatu reaksi. Sedangkan, lingkungan adalah segala sesuatu yang berada di
luar sistem yang bersifat persuasif. Jadi, pengertian dari “melepas“ kalor adalah adanya suatu
perpindahan panas dari sistem ke lingkungan. Sedangkan, pengertian “menerima“ kalor
adalah adanya suatu perpindahan panas dari lingkungan menuju sistem.
Salah satu alat yang terus dikembangkan adalah alat yang digunakan untuk alat
sensor pengukur kecepatan dari angin atau kecepatan dari aliran udara turbulen, yang manadapat diukur dengan menggunakan prinsip dasar dari percobaan hotwire. Percobaan hotwire
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
5/30
ini dilakukan untuk melihat hubungan antara kecepatan angin dengan besarnya tegangan
yang diberikan. Lalu, dari percobaan hotwire ini akan dihasilkan energi kalor yang berasal
dari konversi energi listrik, yang mana energi listrik ini dihasilkan dari suatu daya listrik
yang dihubungkan dengan tegangan listrik. Jadi, percobaan hotwire ini juga dilakukan untuk
mempelajari mengenai disipasi kalor. Disipasi kalor adalah kegiatan mengecek atau
mengukur kalor yang teramati dalam percobaan dengan menggunakan sensor, yang mana
sensor ini merupakan fungsi dari hotwire itu sendiri.
Jenis sensor yang banyak digunakan adalah hotwire anemometer. Sistem hotwire
anemometer memiliki spesifikasi khusus, seperti menggunakan single normal hotwire probe.,
DISA 55M01 main unit, 55M11 CTA booster adapter, dan 55M05 power pack.
Dalam percobaan ini, hotwire probe dioperasikan dalam suatu mode suhu konstan
agar dapat merespon frekuensi yang lebih tinggi. Dalam mode suhu konstan ini, resistansi
kawat Rw juga dipertahankan konstan untuk memfasilitasi respon instantaneous dari inersia
termal sensor terhadap berbagai perubahan dalam kondisi aliran. Sebelum digunakan dalam
pengukuran aliran, hotwire anemometer dikalibrasi untuk menentukan persamaan respon
kalibrasi, yang menyatakan hubungan antara tegangan kawat (wire voltage, E) dengan
kecepatan referensi (reference velocity, U).
Hot wire anemometers menggunakan kawat yang sangat halus dan sangat tipis dengan
ketebalan hanya beberapa micrometer saja. Lalu, kawat dipanaskan hingga mencapai suhu di
atas suhu ambien. Udara yang mengalir melewati kawat akan mendinginkan kawat. Karena
hambatan listrik pada logam bergantung pada suhu logam tersebut, maka dapat diperoleh
hubungan antara hambatan listrik dari kawat dengan kecepatan arus.
Beberapa cara penerapannya, dan perangkat hotwire lebih lanjut dapat
diklasifikasikan sebagai CCA (Constant-Current Anemometer ), CVA (Constant-Voltage
Anemometer ) dan CTA (Constant-Voltage Anemometer ). Dengan tegangan output dari
berbagai anemometer ini, maka akan didapatkan hasil berupa beberapa jenis sirkuit dalam
perangkat untuk menjaga variable tertentu berupa tegangan atau suhu, agar tetap konstan.
Selain itu, PWM ( pulse-width modulation) anemometers juga digunakan, dimana kecepatan
dipengaruhi waktu dari pulsa berulang, yang mana pulsa ini membawa kawat hingga pada
tingkat hambatan tertentu, kemudian berhenti sampai pada ambang bawah tercapai, yaitu saat
yang pulsa dikirim kembali.
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
6/30
Sebuah probe dengan tipe sensor
hotwire harus memiliki dua karateristik
agar dapat menjadi alat yang berguna,
yaitu memiliki koefisien resistansi pada
temperatur yang tinggi dan probe
merupakan sebuah resistansi elektrik yang
dapat dengan mudah dipanaskan oleh arus
elektrik pada tegangan dan arus tertentu.
Material yang paling umum adalah tungsten, pencampuran platinum-iridium. Alat
berbahan dasar tungsten sangat kuat dan memiliki koefisien resistansi pada suhu tinggi
(0.004/o
C). Namun, tungsten tidak dapat digunakan pada suhu tinggi pada beberapa gas
karena mudah teroksidasi. Platinum memiliki ketahanan oksidasi yang bagus (0.003/oC), tapi
sangat lemah terhadap suhu yang tinggi. Alat dengan bahan platinum-iridium terdapat di
tengah-tangah tungsten and platinum dengan ketahanan terhadap oksidasi yang bagus dan
juga memilki kekuatan yang lebih bagus dari platinum, namun memilki koefisien temperatur
resistansi yang rendah (0.00085/oC). Tungsten lebih disukai sebagai material dari hotwire.
Lapisan platinum biasnya dilakukan untuk meningkatkan ikatan antara akhir plat dengan
jarum pendukung.
Sensor udara atau air mass censor bertugas menghitung massa & suhu udara yang
masuk. Ada 2 tipe air mass, yaitu hotwire air mass dan hot film airmass. Sinyal dari air mass
ini akan dihitung oleh ECU untuk menentukan siklus kontrol tergantung dari beban mesin
dan kecepatan, seperti siklus waktu atau lamanya injeksi bahan bakar. Debu yang
menutupinya akan membuat kalkulasi beban mesin menjadi tidak akurat. Jika air mass tidak
memberi sinyal ke ECU, maka ECU akan mengandalkan sinyal dari throttle valve. Kerusakan
pada sensor ini biasanya menyebabkan mesin susah melakukan start sehingga menjadi sering
mati.
Beberapa nilai dari kalibrasi yang dapat digunakan adalah persamaan simple power
l aw dan persamaan extended power law yang dapat digunakan dalam konversi energi listrik
yang dihasilkan. Nilai dari keakurasian ini berasal dari suatu nilai maksimal dan minimal
curve vit , yang merupakan metode yang dapat digunakan dalam pengukuran dari nilai
kalibrasi, dengan menggunakan nilai optimum yang ada. Keakurasian curve fit ini dapat
diperoleh dari persamaan simple power law yang dengan rentang kecepatan yang berbeda-
beda untuk menghasilkan nilai optimum dengan konstanta pangkat nilai optimum. Nilai ini
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
7/30
ditemukan oleh seorang peneliti yang bernama King dengan nilai optimumnya adalah sebesar
0,5.
King (1914) menggunakan rentang kecepatan exit moderat dari 10 – 20 meter /detik ,
sedangkan Collis dan Williams (1959) menyarankan nilai optimum konstanta pangkat sebesar
0.45 dengan rentang 0.02 - 44 untuk menghasilkan suatu curve fit yang baik. Berbeda dengan
para peneliti sebelumnya, Bruun (1976) dan Swaminathan (1983) menyarankan nilai
optimum sebesar 0.4 – 0.45 pada kecepatan exit moderat tersebut digunakan untuk persamaan
simple power law. Selanjutnya, penelitian yang dilakukan oleh Bruun dan Tropea (1985)
menjelaskan bahwa persamaan extended power law tidak mampu memberikan suatu curve fit
yang lebih akurat dibandingkan curve fit dari persamaan simple power law bahkan untuk
suatu rentang kecepatan exit yang besar.
Dengan mempertimbangkan permasalahan pemilihan persamaan respon kalibrasi
untuk rentang kecepatan exit yang berbeda-beda tersebut, diuji keakurasian curve fit kedua
persamaan respon tersebut dengan suatu rentang kecepatan exit yang lebih besar. Selanjutnya,
hasil pengujian yang diperoleh digunakan sebagai referensi pemilihan persamaan respon
kalibrasi yang tepat dalam pengukuran aliran jet terpulsasi. Lebih jauh, peningkatan akurasi
persamaan respon yang dipilih dapat dilakukan dengan menggunakan metode look-up table.
Parameter-parameter yang dievaluasi meliputi normalized standard deviation dan sum of
errors squared (SES). Kalibrasi dilakukan pada single normal hotwire probe untuk
pengukuran kecepatan satu komponen (axial velocity).
Persamaan simple power-law dinyatakan dalam bentuk :
E2 = A + BU
dimana A dan B merupakan konstanta-konstanta kalibrasi, E merupakan tegangan kawat, n
merupakan konstanta pangkat, dan U merupakan komponen kecepatan aksial. Sedangkan
persamaan extended power law dinyatakan dalam bentuk :
E2 = A + (BU) n + CU
dimana A, B, dan C adalah konstanta-konstanta kalibrasi dan n = 0.5
Hotwire merupakan sensor yang digunakan untuk memberikan informasi tentang
kecepatan aliran udara. Ada berbagai macam jenis hotwire dan setiap jenisnya memiliki
kepekaan yang berbeda terhadap kecepatan aliran udara. Untuk percobaan disipasi kalor
hotwire ini, praktikan menggunakan hotwire jenis single normal probe. Alat ini terdiri dari
sebuah kawat logam pendek yang halus yang disatukan pada dua kawat baja yang dipanasi
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
8/30
dengan arus listrik dan bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas konveksi. Masing-
masing ujung probe dihubungkan ke sebuah sumber tegangan.
Prinsip kerja dari alat ini adalah 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. Jadi, semakin besar arus listrik yang mengalir, semakin lama arus listrik itu
mengalir dan semakin besar tegangan dari listrik pada hot wire maka akan semakin besar
energi listrik yang dihasilkan dan akan semakin banyak pula energi panas hasil dari disipasi
energi listrik menjadi energi kalor. Sesuai dengan rumus seperti berikut:
W=V I ∆T
dimana:
W = energi listrik (Joule)
V = tegangan listrik (Volt)
I = arus listrik (Ampere)
∆T = perbedaan waktu (sekon)
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 =
Dimana :
Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan udara).
Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).
Prinsip Kerja dalam hotwire
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
9/30
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. Tegangan kawat pada temperatur
ambient dan tegangan kawat bila dialiri arus udara dengan kecepatan yang dihasilkan oleh
kipas angin merupakan dua komponen yang dapat membandingkan kecepatan tersebut.
Kecepatan aliran udara dapat divariasikan dengan tujuan praktikan mendapatkan variasi data.
Kecepatan aliran ini akan menyebabkan resistensi yang berbeda-beda pula.
Voltmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik.
Voltmeter biasanya disusun secara paralel (sejajar) dengan sumber tegangan atau peralataan
listrik. Cara memasang voltmeter adalah dengan menghubungkan ujung sumber tegangan
yang memiliki potensial lebih tinggi (kutub positif) harus dihubungkan ke terminal positif
voltmeter,dan ujung sumber tegangan yang memiliki potensial lebih rendah (kutub negatif)
harus dihubungkan ke terminal negatif voltmeter. Biasanya voltmeter digunakan untuk
mengukur sumber tegangan seperti baterai, elemen Volta, atau aki.
Yang menentukan seberapa besar arus yang mengalir adalah besarnya beda potensial
(dinyatakan dengan satuan volt). Jadi untuk sebuah konduktor semakin besar beda potensial
akan semakin besar pula arus yang mengalir. Perlu dicatat bahwa beda potensial diukur
antara ujung-ujung suatu konduktor. Namun kadang-kadang kita berbicara tentang potensial
pada suatu titik tertentu. Dalam hal ini kita sebenarnya mengukur beda potensial pada titik
tersebut terhadap suatu titik acuan tertentu. Sebagai standar titik acuan biasanya dipilih titik
tanah (ground).
Baterai ini mempunyai energi kimia yang siap diubah menjadi energi listrik. Jika
baterai tidak digunakan, maka tidak ada energi yang dilepas, tapi perlu diingat bahwa
potensial dari baterai tersebut ada di sana. Hampir semua baterai memberikan potensial)
yang hampir sama, walaupun arus dialirkan dari baterai tersebut.
Jika sebuah tegangan V dikenakan pada sebuah hambatan R maka besarnya arus yang
mengalir adalah V = I.R, dimana :
I = arus listrik (Ampere)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
10/30
V = tegangan listrik (Volt)
R = hambatan listrik (Ohm)
IV. Prosedur Percobaan
1. Mengaktifkan Web cam dengan cara meng”klik” icon video yang terdapat pada halaman
web r-Lab.
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s sebagai awal dari percobaan untuk
memperoleh data keadaan awal dari alat-alat praktikum, 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.
Gambar Prosedur Percobaan Disipasi Kalor hotwire:
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
11/30
V. Data Hasil Pengamatan
Data hasil percobaan yang diperoleh berdasarkan eksperimen yaitu:
Tabel Data Percobaan Disipasi Kalor Hotwire
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) V-HW (Volt) I-HW (Ampere)
1 0 2.113 54.3
2 0 2.113 54.0
3 0 2.112 53.9
4 0 2.113 54.2
5 0 2.113 54.4
6 0 2.113 54.3
7 0 2.112 54.08 0 2.113 53.9
9 0 2.113 54.1
10 0 2.113 54.4
1 70 2.080 54.3
2 70 2.079 54.7
3 70 2.079 55.0
4 70 2.080 54.8
5 70 2.080 54.3
6 70 2.079 54.2
7 70 2.081 54.3
8 70 2.080 54.7
9 70 2.080 55.0
10 70 2.079 54.7
1 110 2.063 54.5
2 110 2.063 55.0
3 110 2.063 55.3
4 110 2.064 54.9
5 110 2.063 54.4
6 110 2.063 54.3
7 110 2.063 54.7
8 110 2.063 55.2
9 110 2.063 55.3
10 110 2.062 54.8
1 150 2.056 54.5
2 150 2.056 55.0
3 150 2.056 55.4
4 150 2.056 55.1
5 150 2.056 54.66 150 2.056 54.4
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
12/30
VI. Pengolahan Data dan Jawaban Tugas Pendahuluan
Dari data percobaan, dengan mengubah kecepatan aliran udara, maka kita akan
memperoleh grafik hubungan antara tegangan hotwire dengan waktu untuk setiap
kecepatan aliran udara. Selain itu, kita juga dapat memperoleh hubungan antara
tegangan hotwire dengan kecepatan aliran angin pada tiap detiknya. Kita juga
dapat menghitung persamaan garis sebagai literatur sebab dalam percobaan ini
pun dapat terjadi kesalahan-kesalahan relatif terhadap literatur.
1. Membuat grafik yang menggambarkan hubungan tegangan hotwire dengan
waktu untuk tiap kecepatan aliran udara berdasarkan data yang didapat.
a. Kecepatan 0 m/s
7 150 2.057 54.8
8 150 2.056 55.3
9 150 2.056 55.4
10 150 2.056 54.8
1 190 2.051 54.72 190 2.051 54.5
3 190 2.051 54.8
4 190 2.051 55.3
5 190 2.051 55.6
6 190 2.052 55.1
7 190 2.051 54.6
8 190 2.051 54.5
9 190 2.051 54.8
10 190 2.051 55.4
1 230 2.049 54.9
2 230 2.049 54.5
3 230 2.049 54.8
4 230 2.048 55.4
5 230 2.049 55.6
6 230 2.048 55.1
7 230 2.049 54.6
8 230 2.048 54.7
9 230 2.048 55.4
10 230 2.049 55.6
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
13/30
b. Kecepatan 70 m/s
c. Kecepatan 110 m/s
y = 1E-05x + 2.1127
2.1114
2.1116
2.1118
2.112
2.1122
2.1124
2.1126
2.11282.113
2.1132
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T e g a n g a n (
v o l t )
Waktu (s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
V-HW
Linear (V-HW)
y = 3E-05x + 2.0795
2.078
2.0785
2.079
2.0795
2.08
2.0805
2.081
2.0815
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T e g a n g a n (
v o l t )
Waktu (s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
14/30
d. Kecepatan 150 m/s
e. Kecepatan 190 m/s
y = -7E-05x + 2.0634
2.061
2.0615
2.062
2.0625
2.063
2.0635
2.064
2.0645
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T e g a n g a n (
v o l t )
Waktu (s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
V-HW
Linear (V-HW)
y = 2E-05x + 2.056
2.0554
2.0556
2.0558
2.056
2.0562
2.0564
2.0566
2.0568
2.057
2.0572
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T e g a n g a n (
v o l t )
Waktu (s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
15/30
f. Kecepatan 230 m/s
2. Membuat grafik yang menggambarkan hubungan tegangan hotwire dengan
kecepatan aliran angin berdasarkan pengolahan data di atas.
y = 6E-06x + 2.0511
2.0504
2.0506
2.0508
2.051
2.0512
2.0514
2.0516
2.0518
2.052
2.0522
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T e g a n g a n (
v o l t )
Waktu (s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
V-HW
Linear (V-HW)
y = -6E-05x + 2.0489
2.0474
2.0476
2.0478
2.048
2.0482
2.0484
2.0486
2.0488
2.049
2.0492
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
T e g a n g a n (
v o l t )
Waktu (s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
16/30
Praktikan memilih data sampel yang digunakan sebanyak 5 buah waktu (dalam
satuan detik) untuk melihat bagaimana grafik hubungan tegangan dengan
kecepatan aliran angin yang dihasilkan.
a. Keadaan saat waktu 1 detik
Untuk mencari persamaan garisnya, dapat dilakukan dengan sistem least square,
sehingga akan didapat persamaan y = bx + a. Dengan menganggap x adalah kecepatan
aliran udara pada percobaan hot wire dan y adalah besarnya tegangan yang dihasilkan
untuk tiap kecepatan aliran udara yang berbeda-beda, maka perhitungan least
squarenya adalah :
Diperoleh, persamaan garis linearnya yang juga merupakan suatu persamaan
kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan, yaitu y = – 0.00028x + 2.103235
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
17/30
b.
Keadaan saat waktu 2 detik
Untuk mencari persamaan garisnya, dapat dilakukan dengan sistem least square,
sehingga akan didapat persamaan y = bx + a. Dengan menganggap x adalah kecepatan
aliran udara pada percobaan hot wire dan y adalah besarnya tegangan yang dihasilkan
untuk tiap kecepatan aliran udara yang berbeda-beda, maka perhitungan least
squarenya adalah :
2
2.02
2.04
2.06
2.08
2.1
2.12
0 70 110 150 190 230
T e g a n g a n (
v o l t )
Kecepatan Aliran Angin (m/s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan
Kecepatan Aliran Angin
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
18/30
Diperoleh, persamaan garis linearnya yang juga merupakan suatu persamaan
kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan, yaitu y = – 0.000275x + 2.10287
c. Keadaan saat waktu 3 detik
Untuk mencari persamaan garisnya, dapat dilakukan dengan sistem least square,
sehingga akan didapat persamaan y = bx + a. Dengan menganggap x adalah kecepatan
aliran udara pada percobaan hot wire dan y adalah besarnya tegangan yang dihasilkan
2
2.02
2.04
2.06
2.08
2.1
2.12
0 70 110 150 190 230
T e g a n g a n (
v o l t )
Kecepatan Aliran Angin (m/s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan
Kecepatan Aliran Angin
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
19/30
untuk tiap kecepatan aliran udara yang berbeda-beda, maka perhitungan least
squarenya adalah :
Diperoleh, persamaan garis linearnya yang juga merupakan suatu persamaan
kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan, yaitu y = – 0.000271x + 2.102254
2
2.02
2.04
2.06
2.08
2.1
2.12
0 70 110 150 190 230
T e g a n g a n (
v o l t )
Kecepatan Aliran Angin (m/s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan
Kecepatan Aliran Angin
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
20/30
d. Keadaan saat waktu 4 detik
Untuk mencari persamaan garisnya, dapat dilakukan dengan sistem least square,
sehingga akan didapat persamaan y = bx + a. Dengan menganggap x adalah kecepatan
aliran udara pada percobaan hot wire dan y adalah besarnya tegangan yang dihasilkan
untuk tiap kecepatan aliran udara yang berbeda-beda, maka perhitungan least
squarenya adalah :
Diperoleh, persamaan garis linearnya yang juga merupakan suatu persamaan
kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan, yaitu y = – 0.00028x + 2.103667
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
21/30
e.
Keadaan saat waktu 5 detik
Untuk mencari persamaan garisnya, dapat dilakukan dengan sistem least square,
sehingga akan didapat persamaan y = bx + a. Dengan menganggap x adalah kecepatan
aliran udara pada percobaan hot wire dan y adalah besarnya tegangan yang dihasilkan
untuk tiap kecepatan aliran udara yang berbeda-beda, maka perhitungan least
squarenya adalah :
2
2.02
2.04
2.06
2.08
2.1
2.12
0 70 110 150 190 230
T e g a n g a n (
v o l t )
Kecepatan Aliran Angin (m/s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan
Kecepatan Aliran Angin
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
22/30
Diperoleh, persamaan garis linearnya yang juga merupakan suatu persamaan
kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan, yaitu y = – 0.000276x + 2.103235
3. Membuat persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire
Dari data diatas, bisa ditentukan nilai gradien m (bisa ditulis dengan b) dengan rumus
sebagai berikut:
2
2.02
2.04
2.06
2.08
2.1
2.12
0 70 110 150 190 230
T e g a n g a n (
v o l t )
Kecepatan Aliran Angin (m/s)
Hubungan Tegangan Hotwire dengan
Kecepatan Aliran Angin
V-HW
Linear (V-HW)
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
23/30
Nilai konstanta (a) dapat juga ditentukan dari data tersebut dengan rumus berikut:
Maka, persamaannya menjadi y = -0.000276x + 2.103088
Untuk menghitung kemungkinan kesalahan yang terjadi, dapat menggunakan
perbandingan antara nilai gradien (m) dengan rata-rata perubahan gradien (Δm). Nilai
Δb didapat dari rumus :
Untuk menyelesaikan persamaan tersebut, dibutuhkan nilai Δy yang didapatkan dari
rumus berikut :
4. Berdasarkan percobaan dan data yang didapat, apakah kita dapat
menggunakan kawat Hotwire sebagai pengukur kecepatan angin?
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
24/30
Dari hasil percobaan dan perhitungan pada bagian pengolahan data, ternyata
kawat hot wire dapat digunakan sebagai alat pengukur kecepatan angin yang
mengenai pada kawat tersebut. Menurut persamaan tegangan, hotwire akan
menghasilkan energi listrik, yang mana energi listrik ini akan didisipasi menjadi
energi kalor, sehingga kawat akan menjadi panas. Daya pada kawat yang
menghasilkan energi listrik ini akan berbanding lurus dengan kenaikan dari tegangan,
arus dan perubahan suhu, sesuai persamaan :
P = v . i . Δt
Dimana :
P = daya (Watt)
V = tegangan (Volt)
I = kuat arus (Ampere)
Δt = perubahan suhu (OCelcius)
Bila tegangan listrik semakin besar, maka energi listrik yang dihasilkan juga
akan semakin besar, sehingga energi kalor yang dihasilkan juga akan semakin besar.
Pada grafik di bagian sebelumnya, kita dapat melihat bahwa grafik yang dihasilkan
menunjukkan penurunan tegangan seiring dengan pertambahan kecepatan angin. Hal
ini disebabkan karena energi kalor yang dihasilkan dari energi listrik mengalami
disipasi. Lalu, adanya angin yang bertiup makin kuat akan menurunkan suhu pada
kawat hotwire. Resistansi kawat hotwire akan bertambah seiring dengan pertambahan
kecepatan angin. Nilai resistansi yang semakin bertambah ini akan menurunkan daya
dari energi listrik, sehingga tegangan juga akan turun. Akibatnya, energi kalor yang
dihasilkan juga akan berkurang.
Persamaan hubungan antara resistansi kawat pada suhu tertentu yang
diberikan dari energi listrik dapat dinyatakan dalam overheat ratio, yaitu :
Overheat ratio =
Dimana :
Rw = resistansi kawat pada suhu operasi saat mendapat hembusan udara
Ra = resistansi kawat pada suhu ambien atau suhu ruangan
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
25/30
Dengan menggunakan persamaan-persamaan garis yang tertera pada jawaban
soal di nomor sebelumnya, maka kita dapat mengukur kecepatan angin berdasarkan
penambahan tegangan hotwire.
VII. Analisis
1. Analisa Percobaan
Percobaan disipasi kalor hotwire bertujuan untuk menentukan hubungan antara
kecepatan angin yang melalui kawat hotwire dengan tegangan yang mengalir pada
kawat. Percobaan disipasi kalor ini dilakukan secara online dengan menggunakan
fasilitas remote lab (RLAB) yang diselenggarakan oleh UPP-IPD di Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia.
Mula-mula, praktikan melakukan log-in di website www.sitrampil.ui.ac.id.
Setelah login kedalam RLAB, praktikan dapat melakukan percobaan dengan
mengklik link video untuk mengaktifkan webcam yang ada di labolatorium dan
melihat alat yang sesungguhnya bekerja. Peralatan diatur sedemikian rupa,
sehingga kawat hotwire terletak di dalam tabung dan dirangkai amperemeter danvoltmeter untuk mengukur tegangan serta arus listrik pada kawat. Percobaan ini
pada awalnya dilakukan dengan cara mengatur terlebih dahulu kecepatan angin
yang diberikan pada percobaan tersebut. Kecepatan angin yang diberikan akan
menjadi variabel bebas yang berubah-ubah sesuai dengan alat yang akan kita ukur.
Kecepatan angin dapat diatur dengan memilih kecepatan yang diinginkan pada
pilihan drop down.
Setelah kipas angin dinyalakan dan menghasilkan aliran udara pada kawat
hotwire, tunggu beberapa saat untuk menstabilkan aliran udara dalam tabung.
Kemudian mengklik tombol ukur untuk mendapat 10 data dari detik pertama
sampai detik kesepuluh. Percobaan ini dimulai dengan mengukur tegangan yang
terdapat pada hotwire dengan memberikan kecepatan udara 0 m/s atau tidak
memberikan aliran udara. Hal ini bertujuan untuk memperoleh data awal
praktikum. Setelah itu percobaan dilanjutkan dengan memberikan kecepatan
aliran udara yang berbeda-beda yaitu 70 m/s, 110 m/s, 150 m/s, 190 m/s, dan 230
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
26/30
m/s. Hal tersebut bertujuan untuk memperoleh variasi data. Percobaan dapat
dilakukan berulang kali jika dirasa belum mendapat data yang akurat. Setelah
selesai melakukan percobaan, data yang diperoleh dapat diamnbil dengan
mengklik link data, dan mendownloadnya. Untuk melihat grafik yang telah
dicapai dapat mengklik link grafik yang ada.
Pada saat dilakukan percobaan jika diamati ada beberapa hal yang terjadi. Pada
saat kecepatan angin 0 m/s pada video terlihat suhu dari alat. Suhu dari alat tidak
berubah. Hal ini menunjukkan bahwa ruangan tersebut memiliki suhu konstan.
Tetapi pada saat ada kecepatan angin, tampak adanya penurunan suhu. Ini
menunjukkan bahwa adanya angin akan memberikan pengaruh turunnya suhu
pada alat.
Setelah percobaan dilakukan, hasil yang didapat pada percobaan dengan
kecepatan angin nol adalah berupa tegangan dan arus listrik yang dihubungkan
dengan daya listrik, dimana daya sebanding dengan perubahan energi kalor yang
akan didisipasi oleh kecepatan angin. Tegangan listrik akan berkurang seiring
dengan kecepatan angin yang semakin bertambah karena penambahan kecepatan
angin akan memberikan resistansi energi listrik yang semakin besar, sehingga
daya listrik dan energi kalor yang dihasilkan akan berkurang.
Setelah diberikan kecepatan angin, ternyata tegangan yang tercatat pada
percobaan lebih kecil jika dibandingkan dengan saat kecepatan angin 0 m/s. Hal
ini disebabkan karena adanya angin akan memperbesar resistensi. Saat resistensi
membesar, maka daya akan mengecil sehingga akan menurunkan tegangan listrik.
Semakin besar kecepatan angin, tegangan yang terukur akan semakin kecil karena
semakin cepat angin akan meningkatkan resistensi yang dihasilkan.
2. Analisa Hasil Percobaan
Dari data di atas, didapatkan bahwa pada saat kecepatan angin yang dihembuskan
sebesar 0 m/s, rata-rata tegangan yang dihasilkan pada hot wire adalah 2,1128 volt
dan arus listrik yang dihasilkan rata-rata sebesar 54.15 ampere dalam selang
waktu 10 detik.
Pada saat kecepatan angin yang dihembuskan sebesar 70 m/s, rata-rata tegangan
yang dihasilkan pada hotwire adalah 2,0797 volt dan rata-rata kuat arus yang
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
27/30
dihasilkan adalah 54,6 ampere dalam selang waktu 10 detik. Bila dibandingkan
dengan data pada saat kecepatan angin sebesar 0 m/s, tegangan semakin kecil
nilainya, hal ini disebabkan karena adanya resistansi yang dihasilkan pada kawat
hotwire. Selain itu, karena pengaruh kecepatan angin, arus listrik juga mengalami
sedikit perubahan yaitu dari 54,15 ampere menjadi 54,6 ampere.
Percobaan ketiga, menggunakan kecepatan angin sebesar 110 m/s. Rata -rata
tegangan yang dihasilkan adalah 2,063 volt dan arus listrik rata-rata yang
dihasilkan adalah 54,84 ampere dalam selang waktu 10 detik. Dengan
membandingkannya dengan data sebelumnya, kita dapat membandingkan bahwa
tegangan listrik mengalami penurunan karena adanya resistansi yang lebih besar,
sebab kecepatan angin yang dipakai juga semakin besar, sedangkan arus listrik
meningkat.
Percobaan keempat, menggunakan angin yang dihembuskan dengan kecepatan
sebesar 150 m/s. rata-rata tegangan yang dihasilkan adalah 2,0561 volt dan arus
listrik rata-rata yang dihasilkan adalah 54,93 ampere dalam selang waktu 10 detik.
Apabila praktikan membandingkan data dengan data sebelumnya, maka
ditemukan penurunan nilai tegangan dan kenaikan nilai arus. Hal tersebut
dikarenakan resistansi yang dihasilkan semakin besar dari kecepatan angin yang
dihembuskan ke hotwire.
Percobaan kelima menggunakan angin yang dihembuskan dengan kecepatan
sebesar 190 m/s dan praktikan mendapatkan data sebagai berikut, rata-rata
tegangan yang dihasilkan adalah 2,0511 volt dan arus listrik rata-rata yang
dihasilkan adalah 54,94 ampere dalam selang waktu 10 detik. Dari data tersebut
didapatkan bahwa terjadi penurunan tegangan dan kenaikan arus listrik pada
hotwire, karena resistansinya yang lebih tinggi dari percobaan sebelumnya.
Percobaan yang terakhir menggunakan angin dengan kecepatan sebesar 230 m/s
dan didapatkan data sebagai berikut, rata-rata arus yang dihasilkan adalah 2,0486
volt dan tegangan rata-rata yang dihasilkan adalah 55,06 ampere dalam selang
waktu 10 detik. Ternyata, kembali ditemukan bahwa tegangan semakin kecil dan
arus listrik semakin besar.
3. Analisa Perhitungan
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
28/30
Pada subbab pengolahan data di atas, telah dilakukan perhitungan untuk mencari
nilai-nilai yang dibutuhkan praktikan untuk menemukan sebuah persamaan
kecepatan angin yang merupakan fungsi dari tegangan hotwire. Perhitungan
tersebut dilakukan dengan metode least square karena data yang diperoleh cukup
banyak, sehingga least square digunakan agar perhitungan yang dilakukan dapat
menghasilkan hasil yang mendekati benar atau cukup akurat.
Dengan least square ini, praktikan harus mencari nilai xi2, yi2, dan xiyi yang bisa
didapatkan setelah praktikan memasukkan nilai rataan tegangan hotwire sebagai
nilai x dan kecepatan angin sebagai nilai y. Pada nilai x, yang dimasukkan adalah
rataan tegangan hotwire, hal ini dikarenakan nilai rataan tegangan pada kecepatan
angin tertentu ini dapat mewakili nilai-nilai tegangan yang bervariasi pada
kecepatan angin tertentu tersebut yang praktikan dapatkan pada percobaan ini.
Nilai m dan b haruslah dihitung untuk mengisi persamaan y= ax yang
merupakan persamaan umum untuk kecepatan angin yang merupakan fungsi dari
tegangan hotwire yang setelah disubstitusikan harga a dan b- nya dengan data
yang sudah praktikan olah.
4. Analisa Grafik
a. Grafik hubungan Tegangan dan waktu
Grafik tegangan dengan waktu digambarkan dengan tegangan pada sumbu Y dan
waktu pada sumbu X. Dalam grafik ini menunjukkan hubungan antara tegangan
dan waktu yang diberikan sesuai dengan kecepatan angin yang berfungsi sebagai
variabel bebas. Grafik dari percobaan ini dalam persamaan linearnya umumnya
merupakan persamaan yang bernilai negatif pada nilai a pada persamaan y = ax+b.
Nilai negatif ini menunjukkan bahwa grafik yang dihasilkan merupakan
persamaan linear yang menuju ke arah kanan bawah dimana nilai yang dihasilkan
akan semakin kecil dengan penambahan dari variabel x dan y.
Variabel x yang didefinisikan sebagai waktu dan y yang didefinisikan sebagai
tegangan menunjukkan bahwa pada kecepatan angin yang tetap, semakin lama
angin bertiup maka nilai energi kalor akan menjadi lebih kecil yang berdampak
pada nilai energi listrik yang akan semakin kecil sehingga nilai dari teganganlistrik akan menjadi lebih kecil seiring dengan penambahan waktu yang ada.
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
29/30
Penurunan ini terjadi karena adanya disipasi dari kalor hotwire yang terjadi pada
kecepatan angin tertentu.
b. Grafik hubungan Tegangan dengan Kecepatan aliran udara
Pada grafik ini digambarkan dengan sumbu y berupa tegangan hotwire dan sumbu
x berupa kecepatan angin. Pada sumbu x, terdapat 6 variasi variabel sesuai
dengan kecepatan angin pada percobaan. Pada grafik hubungan tegangan dengan
kecepatan angin, terdapat 5 grafik dari 5 sampel, yaitu saat detik ke 1, 2, 3, 4, dan
5. Pada grafik detik ke 1, terlihat seakan-akan membentuk suatu grafik
eksponensial yang bergerak dari kiri atas ke kanan bawah. Hal ini menunjukan
adanya perubahan tegangan karena kecepatan angin. Demikian juga pada grafik
pada detik ke 3, 3, 4, dan 5.
Dari kelima grafik tersebut dapat dikatakan memiliki pola yang sama bergerak dari kiri
atas ke kanan bawah. Karena bergerak dari kiri atas ke kanan bawah, hal ini
berarti hubungan tegangan dan kecepatan angin akan berbanding terbalik,
sehingga gradien grafiknya bernilai negatif .
5. Analisa Kesalahan
Dalam percobaan ini, data mengenai tegangan dan arus listrik yang diperoleh pada
kecepatan angin yang sama, ternyata berbeda-beda tiap detiknya. Kesalahan-
kesalahan yang mungkin dapat terjadi pada saat percobaan ini adalah :
Alat-alat praktikum yang tidak dikalibrasikan sebelumnya, sehingga data
mengenai arus dan tegangan yang diperoleh tiap detik untuk kecepatan angin yang
sama bervariasi.
Kesalahan dalam perhitungan, misalnya dalam hal pembulatan angka. Adanya
pembulatan angka pasti akan mempengaruhi ketepatan perhitungan.
Karena praktikum adalah online, maka kita tidak dapat melihat secara keseluruhan
kesalahan yang dapat terjadi.
-
8/17/2019 KR 01 Angelina 1406533522 Teknologi Bioproses Grup 3
30/30