-
LAPORAN R-LAB
DISIPASI KALOR HOT WIRE
NAMA/NPM : Andikaputra Brahma Widiantoro / 1406607893
FAKULTAS / PRODI : Teknik / Teknik Kimia
GRUP & KAWAN KERJA : GRUP 5
1. Andikaputra Brahma Widiantoro T. Kimia 14
2. Melissa Putri Hidayat T Industri 14
3. Salma Tarizka Noor T. Industri 14
4. Ramadana Guna Prakasa T. Elektro 14
5. Muhamad Ruby Mujakki T Kimia 14
6. Givanny Permata Sari T. Industri 14
7. Egi Aulia Mahendra T. Industri 14
NOMOR & NAMA PERCOBAAN : KR 01 DISIPASI KALOR HOT WIRE
MINGGU PERCOBAAN : PEKAN 1
TANGGAL PERCOBAAN : SELASA, 3 Maret 2015
NAMA ASISTEN :
-
LABORATORIUM FISIKA DASAR
UPP IPD
UNIVERSITAS INDONESIA
I. Tujuan Percobaan
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
II. Peralatan yang Digunakan
1. Kawat pijar (hotwire)
2. Voltmeter dan Amperemeter
3. Camcorder
4. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
5. Fan
6. Adjustable power supply
III. Teori
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 didispasi 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 = Rw/Ra
Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan
udara).
Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).
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 hasilkan oleh fan. Kecepatan aliran udara oleh
fan akan
divariasikan melalui daya yang diberikan ke fan yaitu 0 , 70 ,
110 , 150 dan 190
dari daya maksimal 230 m/s.
-
Gambar 1. Disipasi Kalor Hot Wire
IV. Cara Kerja
Eksperimen rLab ini dilakukan dengan cara meng-klik tombol rLab
di bagian
bawah halaman.
1. Mengaktifkan Web cam. (mengklik icon video pada halaman web
r-Lab).
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s , dengan
mengklik pilihan
drop down pada icon atur kecepatan aliran.
3. Menghidupkan motor pengerak kipas dengan mengklik 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 m/s , 110
m/s , 150 m/s , 190
m/s dan 230 m/s.
V. Pengolahan data dan Evaluasi
I. DATA PENGAMATAN
Pada percobaan Disipasi Kalor Hotwire, kecepatan aliran angin
yang digunakan
berubah-ubah mulai dari 0 m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150 m/s, 190
m/s, dan 230 m/s. Berikut
adalah hasil pengamatan percobaan Disipasi Kalor Hotwire :
i. Tabel Pengamatan Saat Kecepatan Angin 0 m/s
No Waktu Kecepatan Angin V-HW I-HW
1 1 0 2.112 54.4
2 2 0 2.112 54.4
3 3 0 2.112 54.5
4 4 0 2.112 54.5
5 5 0 2.112 54.4
6 6 0 2.112 54.2
7 7 0 2.112 54.2
8 8 0 2.112 54.0
9 9 0 2.112 54.0
10 10 0 2.112 53.9
Rata-Rata 2,112 54.25
-
ii. Tabel Pengamatan Saat Kecepatan Angin 70 m/s
No Waktu Kecepatan Angin V-HW I-HW
1 1 70 2.068 54.7
2 2 70 2.066 54.6
3 3 70 2.065 54.4
4 4 70 2.063 54.4
5 5 70 2.064 54.3
6 6 70 2.064 54.3
7 7 70 2.064 54.3
8 8 70 2.065 54.4
9 9 70 2.065 54.5
0 10 70 2.066 54.6
Rata-Rata 2.065 54.45
iii. Tabel Pengamatan Saat Kecepatan Angin 110 m/s
No Waktu Kecepatan Angin V-HW I-HW
1 1 110 2.047 54.5
2 2 110 2.048 54.6
3 3 110 2.048 54.8
4 4 110 2.048 55.0
5 5 110 2.048 55.3
6 6 110 2.048 55.5
7 7 110 2.047 55.6
8 8 110 2.049 55.7
9 9 110 2.048 55.5
10 10 110 2.047 55.3
Rata-Rata 2.0478 55.18
-
iv. Tabel Pengamatan Saat Kecepatan Angin 150 m/s
No Waktu Kecepatan Angin V-HW I-HW
1 1 150 2.040 55.3
2 2 150 2.040 55.0
3 3 150 2.041 54.8
4 4 150 2.040 54.7
5 5 150 2.040 54.6
6 6 150 2.040 54.6
7 7 150 2.041 54.7
8 8 150 2.040 55.0
9 9 150 2.041 55.2
10 10 150 2.040 55.5
Rata-Rata 2.0403 54.94
v. Tabel Pengamatan Saat Kecepatan Angin 190 m/s
No Waktu Kecepatan Angin V-HW I-HW
1 1 190 2.036 56.0
2 2 190 2.036 56.0
3 3 190 2.036 55.9
4 4 190 2.035 55.8
5 5 190 2.035 55.8
6 6 190 2.035 55.7
7 7 190 2.036 55.5
8 8 190 2.036 55.5
9 9 190 2.036 55.4
10 10 190 2.036 55.2
Rata-Rata 2.0357 55.68
-
vi. Tabel Pengamatan Saat Kecepatan Angin 230 m/s
No Waktu Kecepatan Angin V-HW I-HW
1 1 230 2.032 56.1
2 2 230 2.033 55.9
3 3 230 2.033 55.6
4 4 230 2.033 55.4
5 5 230 2.033 55.1
6 6 230 2.032 54.9
7 7 230 2.033 54.8
8 8 230 2.033 54.7
9 9 230 2.033 54.7
10 10 230 2.033 54.9
Rata-Rata 2.0328 55.21
VI.1 Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu
Melalui tabel data pengamatan percobaan Disipasi Kalor Hotwire,
kita dapat
membuat grafik hubungan antara tegangan hotwire dengan waktu
untuk setiap kecepatan
angin.
a. Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu pada Kecepatan Aliran
Angin
0 m/s
-
b. Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu pada Kecepatan
Aliran
Angin 70 m/s
c. Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu pada Kecepatan Aliran
Angin
110 m/s
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n
waktu
Hubungan Tegangan Hotwire dan Waktu saat Kecepatan Angin
0m/s
2.06
2.062
2.064
2.066
2.068
2.07
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n
waktu
Hubungan Tegangan Hotwire dan Waktu saat Kecepatan Angin
70m/s
-
d. Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu pada Kecepatan Aliran
Angin
150 m/s
e. Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu pada Kecepatan Aliran
Angin
190 m/s
2.046
2.047
2.048
2.049
2.05
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n
waktu
Hubungan Tegangan Hotwire dan Waktu saat Kecepatan Angin 110
m/s
2.0395
2.04
2.0405
2.041
2.0415
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n
waktu
Hubungan Tegangan Hotwire dan Waktu saat Kecepatan Angin 150
m/s
-
Hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu pada Kecepatan Aliran
Angin 230 m/s
Dengan menganalisis grafik diatas, persamaan kecepatan angin
sebagai fungsi dari
tegangan hotwire dapat diperoleh dengan menggunakan least square
dari grafik hubungan
keduanya. Perhitungannya dapat diamati dari tabel berikut:
Tabel Least Square
No Kecepatan Kecepatan (xi)2 (yi)2 xi.yi
2.0345
2.035
2.0355
2.036
2.0365
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n
waktu
Hubungan Tegangan Hotwire dan Waktu saat Kecepatan Angin 190
m/s
2.0315
2.032
2.0325
2.033
2.0335
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n
waktu
Hubungan Tegangan Hotwire dan Waktu saat Kecepatan Angin 230
m/s
-
Angin (xi) Rata-rata
(yi)
1 0 2.112 0 4.46054 0
2 70 2.065 4900 4.26422 144.55
3 110 2.0478 12100 4.19348 225.258
4 150 2.0403 22500 4.16282 306.045
5 190 2.0357 36100 4.14407 386.783
6 230 2.0328 52900 4.13227 467.544
Total 750 12.3336 128500 20.89688 1530.18
Kemudian ditentukan hubungan antara kecepatan angin dengan
tegangan dengan
menggunakan rumusan persamaan garis:
Dimana nilai m dan c dapat kita tentukan dengan rumus
berikut:
= ()
()
=6 1530,18 750 (12,3336)
6 128500 (750)2
=69,12
208500
= ,
-
=
()
= 128500 12,3336 (750 1530,18)
6 128500 (750)2
=437232,6
208500
= ,
m adalah besarnya gradien dari grafik hubungan antara kecpeatan
angin dan tegangan
hotwire dan b adalah faktor penambah. Keduanya merupakan
variabel pada persamaan
yang menghubungkan kecepatan angin dengan tegangan.
Dari data di atas, kita mendapatkan persamaan (least square)
dari hubungan tegangan dan
Kecepatanangin,dengan kecepatan angin sebagaivariabel bebas x
dan tegangan sebagai
variable terikatnya, adalah :
= , ,
Dari data y diatas dapat dicari kesalahan relatif dengan cara
:
b= y dengan y =
-
= 1
6 2 25,4651
128500(12,3599)2 2(750)(12,3599)(1534,07) + 6(1534,07)2
6 128500 750 2
= 81,42216
=
n X2 (X)2
= 0.01146 6
6 128500 (750)2
= 0.000061476
Kesalahan Relatif = b
b x 100%
Kesalahan Relatif = 0.000061476
0,00031417 x 100% = 19,57 %
Maka kesalahan dari perhitungan adalah sebesar b = 0.0000835
Berdasarkan dari berbagai data dan perhitungan yang telah
diambil, dapat disimpulkan
bahwa kawat hot wire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan
anginkarena
tegangan hot wire mempengaruhi kecepatan angin. Besar tegangan
hot wire dan
kecepatan angin berbanding lurus, sehingga semakin kecil
tegangan, semakin kecil pula
-
kecepatan angin, begitu juga sebaliknya.
B. Evaluasi
1. Kawat hot wire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan
angin karena
kecepatan angin akan mempengaruhi tegangan hot wire. Jika
kecepatan angin meningkat,
maka tegangan hotwire akan berkurang. Bila hotwire dihembuskan
udara maka akan
merubah nilai resistansi kawat sehingga merubah besarnya arus
listrik yang mengalir.
Semakin cepat udara yang mengalir maka perubahan nilai
resistansi akan semakin besar
dan arus listrik berubah. Hal ini menunjukkan bahwa kawat
hotwire bisa dipakai untuk
pengukur kecepatan angin.
2. Analisis dari hasil percobaan ini
a. Analisis Percobaan
Percobaan Disipasi Kalor Hot Wire ini bertujuan untuk
menggunakan hotwire
sebagai sensor kecepatan aliran udara. Percobaan ini menggunakan
Single Normal Probe.
Pada ujung probe telah diberi tegangan sehingga tercipta energi
listrik yang terdisipasi
menjadi energi kalor. Tegangan dan arus yang melewati kawat
probe bersifat konstan.
Hal ini karena resistansi kawat probe juga konstan(tidak
mengalami perubahan). Setelah
kawat diberi udara dengan kecepatan tertentu, tegangan dan arus
mengalami penurunan.
Hal ini diasumsikan karena udara yang memiliki massa dan
kecepatan sehingga memiliki
energi kinetik akan menerpa kawat probe dengan gaya yang
memiliki besaran tertentu.
Peristiwa ini menyebabkan peristiwa yang mempengaruhi kawat
,tepatnya di
resistansi kawat. Semakin cepat kecepatan angin yang menerpa
kawat maka semakin
kecil tegangan pada kawat probe namun sebaliknya arus yang
mengali pada kawat
menjadi semakin besar. Pada percobaan ini ditentukan enam
kondisi kecepatan angin
yaitu 0 m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150 m/s, 190 m/s, 230 m/s.
b. Analisis Hasil
-
Dari hasil percobaan Disipasi Kalor Hot Wire, didapatkan
perbedaan tegangan hot
wire pada tiap kecepatan aliran angin. Pada kecepatan aliran
angin 0 m/s, kecepatan
angin tidak mempengaruhi tegangan hotwire. Namun, saat kecepatan
aliran angin yang
diberikan adalah 70 m/s kecepatan angin mempengaruhi tegangan
hotwire. Hal ini
dibuktikan pada saat tegangan hot wire mengalami kenaikan dan
penurunan tegangan,
begitu pula dengan kecepatan aliran angin lainnya, yaitu 110
m/s, 150 m/s, 190 m/s, 230
m/s. Terlihat pula dari data yang didapatkan dari percobaan
disipasi kalor ini makin besar
kecepatan aliran angin yang diberikan maka tegangan pada hotwire
akan menurun.
Maka, pada percobaan ini ditegaskan bahwa tegangan hotwire
berbanding terbalik
dengan kecepatan aliran udara yang diberikan. Berdasarkan
persamaan seharusnya
tegangan dan kecepatan udara saling berbanding lurus, namun kuat
arus yang berbanding
lurus dengan kecepatan udara dan mempengaruhi tegangan membuat
tegangan
berbanding terbalik dengan kecepatan aliran udara.Kuat arus pada
percobaan semakin
meningkat ketika kecepatan yang diberikan semakin besar
pula.Inilah yang menyebabkan
tegangan tidak tegak lurus dengan kecepatan aliran udara.
Semakin besarnya kecepatan
aliran angin ke hot wire membuat disipasi kalor yang terjadi
semakin kecil karena
tegangan dan arus berbanding terbalik dengan kecepatan angin
yang dihembuskan,
dengan begitu disipasi juga ikut mengecil karena disipasi kalor
sebanding dengan
tegangan dan arus.
Percobaan yang dilakukan mencatat perubahan tegangan dari suatu
kecepatan aliran
udara per detik, setiap kecepatan diperlukan sepuluh detik.Dari
data percobaan ini
ditunjukkan waktu tidak selalu berbanding lurus dengan tegangan
hot wire yang
dihasilkan dari kecepatan aliran udara yang dilakukan. Terjadi
beberapa fluktuasi, tidak
ada kepastian tentang hubungan waktu dengan tegangan yang
diberikan.
Pada pengolahan data, tegangan dari tiap kecepatan yang ada
dijadikan sebuah
rataan agar lebih mudah dalam menggambar grafik hubungan
tegangan hot wire dengan
kecepatan aliran udara. Kesalahaan pada percobaan ini relatif
lebih kecil bila
dibandingkan jika kita melakukan percobaan secara langsung
karena bila secara langsung
masih aka nada kesalahan yang berupa human error. Kesalahan pada
percobaan RLab ini
dapat dibuktikan dengan mensubstitusikan tegangan hotwire ke
dalam persamaan yang
menyatakan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire.
Hal ini terjadi karena
-
semua sistem dan peralatan telah diatur sedemikian rupa sesuai
dengan kondisi realnya.
c. Analisis Grafik
VII.2.1 Hubungan Antara Tegangan dengan Waktu
Pada grafik ini hubungan antara tegangan dengan waktu , kita
amati dari
kecepatan 0 s hingga 10 s, tegangan hanya mengalami perubahan
yang sangat kecil
sehingga kenaikan dan penurunan grafik sangat kecil. Namun
antara kecepatan satu
dengan yang lain, pada kecepatan diawal awal, seperti antara 0
m/s dengan 70 m/s
memiliki jarak yang sangat besar, dimana semakin tinggi
kecepatan, jarak antar grafik
semakin kecil.
Semakin lama waktu yang diberikan, maka akan semakin besar
tegangan yang
terbaca pada alat. Apabila kita kaitkan dengan persamaan energi
untuk mendapatkan
energi kalor dari disipasi energi listrik, kita dapat melihat
bahwa besarnya tegangan
berbanding terbalik dengan lamanya waktu. Hal ini sesuai dengan
hasil percobaan yang
didapat oleh praktikan bahwa sebagian besar hasil percobaan
melalui pemberian
kecepatan angin yang berbeda-beda dalam selang waktu yang lama,
akan didapatkan
besar tegangan yang semakin kecil pula.
VII.2.1 Hubungan Antara Tegangan dengan Kecepatan Aliran
Udara
Pada grafik hubungan antara tegangan degan kecepatan, dapat
dikatakan bahwa
grafik mengalami penurunan. Dapat dikatakan bahwa nilai
kecepetan berbanding terbalik
dengan tegangan dan berbanding lurus dengan arus. Dimana semakin
kecil nilai
kecepatan maka tegangan semakin besar dan semakin besar
kecepatan angin maka
semakin kecil nilai tegangan. Namun, dapat diamati juga bahwa
semakin besar kecepatan
angin makan penurunan nilai tegangan semakin kecil sampai
mendekati 0. Hal ini
menandakan bahwa grafik memiliki gradien yang bernilai
negatif.
-
Besarnya penurunan tegangan pada setiap pertambahan kecepatan
angin tidak
selalu sama. Hal ini dikarenakan kesalahan-kesalahan pengukuran
yang mungkin terjadi
saat dilakukannya percobaan. Apabila kita tinjau lebih dalam,
tegangan yang terbaca
pada alat menjadi semakin menurun disebabkan karena perubahan
arus listrik yang
semakin bertambah. Pertambahan arus listrik ini disebabkan oleh
nilai resistansi kawat
yang semakin membesar. Nilai resistansi kawat yang semakin
membesar ini sebanding
dengan semakin besarnya kecepatan aliran udara yang mengalir
melewati kawat.
VII.3 Analisis Kesalahan
Dalam melaksanakan percobaan, terdapat banyak sekali
faktor-faktor yang
menyebabkan kesalahan yang dapat mempengaruhi hasil percobaan
yang diperoleh.
Faktor faktor tersebut adalah :
1. Koneksi internet yang kurang baik. Karena percobaan ini
menggunakan internet
sebagai sehingga dalam melakukan percobaan remote ini,
praktikan
melakukannya dengan terputus-putus yang membuat pengambilan data
untuk
percobaan tidak maksimal.
2. Kesalahan dalam proses penghitungan.
Pada percobaan Disipasi Kalor Hotwire ini, praktikan
mendapatkan
kesalahan relative sebesar 19,57 %. Kesalahan relative tersebut
dapat terjadi
karena kesalahan pengukuran dan kesalahan penghitungan. Karena
percobaan ini
dilakukan dengan cara remote, maka praktikan tidak dapat
mengamati secara
langsung dan jelas skala tegangan yang terbaca pada alat.
Referensi
Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third
Edition, Prentice Hall,
NJ, 2000.
-
Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition,
Extended Edition,
JohnWiley& Sons, Inc., NJ, 2005.
http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01