KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 1
Laporan Praktikum
Nama/NPM : Imam Taufiq Ramadhan/1306370612
Fakultas/Program Studi : Teknik/Teknik Kimia
Grup : B4
Nomor & Nama Percobaan : KR01 Disipasi Kalor Hot Wire
Minggu Percobaan : Pekan 3
Tanggal Percobaan : Jumat, 14 Maret 2014
Koordinator Asisten : Rizal Ferdiansyah
Laboratorium Fisika Dasar
UPP IPD
Universitas Indonesia
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 2
Disipasi Kalor Hot Wire
I. Tujuan Percobaan
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
II. Peralatan
1. Kawat pijar (hotwire)
2. Fan
3. Voltmeter dan Amperemeter
4. Adjustable power supply
5. Camcorder
6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
III. Landasan Teori
Dewasa ini, banyak pekerjaan menggunakan electro-mechanic (semi otomatis) dengan sistem
robotic (full automatic) seperti penggunaan Flexible Manufacturing Systems (FMS) dan
Computerized Integrated Manufacture (CIM) dan sebagainya. Model apapun yang digunakan
dalam sistem otomasi pemabrikan sangat tergantung kepada keandalan sistem kendali yang
berupa sensor atau transduser.
Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai peranan penting
dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Ketepatan dan kesesuaian dalam memilih sebuah
sensor akan sangat menentukan kinerja dari sistem pengaturan secara otomatis. Besaran masukan
pada kebanyakan sistem kendali adalah bukan besaran listrik, seperti besaran fisika, kimia,
mekanis dan sebagainya. Untuk memakaikan besaran listrik pada sistem pengukuran, atau sistem
manipulasi atau sistem pengontrolan, maka biasanya besaran yang bukan listrik diubah terlebih
dahulu menjadi suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut transducer.
Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan
disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor berikut ini : (D Sharon, dkk, 1982)
Linearitas
Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai
tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor
panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti
ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan
masukannya berupa sebuah grafik.
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 3
Sensitivitas
Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur.
Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan perubahan keluaran
dibandingkan unit perubahan masukan. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang
dinyatakan dengan satu volt per derajat, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan
akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja
memiliki kepekaan dua volt per derajat, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor
yang pertama. Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila
tanggapannya linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran
keseluruhan.
Tanggapan Waktu
Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan
masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah
termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri.
Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan hertz (Hz). [1 hertz
berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000 siklus per detik]. Pada frekuensi rendah, yaitu
pada saat temperatur berubah secara lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut
dengan setia.
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
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 4
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 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 =
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 5
Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan udara).
Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).
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 hot-wire anemometer. Sebelum digunakan dalam pengukuran aliran,
hot-wire anemometer harus dikalibrasi untuk menentukan suatu persamaan respon kalibrasi yang
menyatakan suatu hubungan antara tegangan kawat (wire voltage, E) dengan kecepatan referensi
(reference velocity, U). Setelah persamaan respon kalibrasi tersebut diperoleh, kemudian
informasi kecepatan dalam setiap percobaan utama dapat dievaluasi dengan menggunakan
persamaan respon tersebut.
Ada beberapa bentuk persamaan respon kalibrasi berbentuk persamaan linear atau persamaan
polynomial, di antaranya adalah persamaan simple power-law [1] dan persamaan extended
power-law [2] yang dapat digunakan dalam konversi data.
1. Persamaan Simple Power-law
Persamaan ini diperkenalkan oleh L.V. King dan dirumuskan sebagai berikut:
E2 = A + BU
n
Di mana 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.
Setiap persamaan respon ini memiliki keakurasian yang dihubungkan dengan curve fit yang
dihasilkan pada suatu rentang kecepatan exit yang digunakan untuk setiap percobaan.
Keakurasian persamaan respon kalibrasi tersebut ditentukan oleh nilai optimum konstanta
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 6
pangkat yang dipilih untuk menghasilkan suatu curve fit yang baik. Sehubungan dengan
keakurasian curve fit dari persamaan respon kalibrasi tersebut, beberapa peneliti telah mengkaji
keakurasian curve fit dari persamaan simple power-law dengan rentang kecepatan referensi atau
kecepatan exit yang berbeda-beda untuk menghasilkan nilai optimum konstanta pangkat selain
nilai optimum (nopt = 0.5) yang disarankan oleh King. King menggunakan rentang kecepatan
exit moderat dari 1020 meter/detik, sementara Collis dan Williams menyarankan nilai optimum
konstanta pangkat sebesar 0.45 dengan rentang 0.02 < Re < 44 untuk menghasilkan suatu curve
fit yang baik. Berbeda dengan para peneliti sebelumnya, Bruun dan Swaminathan, Bacic et al.
menyarankan nilai optimum sebesar 0.4 0.45 pada kecepatan exit moderat tersebut digunakan
untuk persamaan simple power-law. Lebih jauh, penelitian awal yang dilakukan oleh Bruun dan
Tropea menjelaskan bahwa persamaan extended power-law oleh Siddall dan Davies (1972) 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.
Mempertimbangkan permasalahan pemilihan persamaan respon kalibrasi untuk rentang
kecepatan exit yang berbeda-beda tersebut, studi ini bertujuan untuk menguji 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. Peningkatan akurasi
persamaan respon yang dipilih dapat dilakukan dengan menggunakan metode look-up table.
Parameter-parameter yang dievaluasi meliputi normalized standard deviation, u dan sum of
errors squared (SES). Kalibrasi dilakukan pada single normal hotwire probe untuk pengukuran
kecepatan satu komponen (axial velocity).
Sistem hot-wire anemometer yang digunakan meliputi sebuah single normal hot-wire 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 sesaat dari sensor inersia termal terhadap berbagai perubahan
dalam kondisi aliran.
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 7
Kawat pada probe adalah suatu kawat single normal yang terbuat dari material Sigmond Cohn
alloy 851 (79%Pt, 15%Rh, and 6%Ru). Kawat probe ini memiliki kekuatan tarik maksimum,
koefisien temperatur dari resistivity dan resistivity masing-masing sebesar 1.724x106 kPa,
0.7x10-3 oC-1, dan 30x106 cm. Panjang kawat adalah 2 mm dengan diameter, dw berukuran
10.16 m.
Ada 3 macam metode yang dapat digunakan dalam pengoperasian hotwire, yaitu constant
current anemometer (CCA), constant temperature anemometer (CTA), dan constant voltage
anemometer (CVA). Prinsip CTA adalah mempertahankan suhu konstan di atas suhu
lingkungan. Daya atau panas yang dibutuhkan untuk mempertahankan suhu sensor agar konstan
digunakan untuk menghitung keceptan angin. Untuk Constant Current Anemometer (CCA)
perubahan kecepatan angin tergantung nilai resistansi sensor dan daya yang diberikan pada
sensor selalu tetap. Keuntungan metode ini adalah distorsi elektronik sangan kecil terutama pada
frekuensi yang sangat tinggi dan respon suhu tegangan yang linear. Sedangkan CVA adalah
metoda yang saat ini sedang dikembangkan, di mana prinsip CVA sangat dipengaruhi oleh
tegangan yang mengalir melalui kawat.
Metode CTA
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 8
Metode CCA
Metode CVA
Single normal probe dan Tabung Pitot diletakkan tegak lurus terhadap arah aliran dengan
menggunakan angle calibrator kira-kira 1 diameter downstream di depan aparatus steady jet.
Jarak antara probe dan Tabung Pitot adalah 4 mm untuk menghindari efek interferensi aliran
antara satu sama lain. Posisi 1 diameter ini untuk memfasilitasi intensitas turbulensi yang rendah
dan proses ekuilisasi antara tekanan statis, ps dan tekanan atmosfer, patm. Rentang kecepatan
exit yang digunakan adalah dari 2 sampai dengan 80 meter/detik untuk memberikan kecepatan
exit maksimum melebihi 50 meter/detik sebagaimana diharapkan untuk kecepatan exit pada
aliran jet terpulsasi. Rentang kecepatan exit ini dibagi menjadi 10 kecepatan exit yang berbeda
yang berselisih sama untuk setiap dua kecepatan yang berurutan: Heater dan pulsed jet nozzle.
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.
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
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 9
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.
IV. Prosedur Percobaan
Percobaan kali ini adalah percobaan R-Lab. Oleh karena itu, percobaan dilakukan secara online
dengan bantuan perangkat percobaan elektronik yang terdapat di laboratorium percobaan KR01
Departemen Fisika Fakultas MIPA Universitas Indonesia. Prosedur percobaan untuk percobaan
disipasi kalor hotwire adalah sebagai berikut:
1. Mengaktifkan "web cam" dengan meng-klik
gambar video pada halaman web R-Lab
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s
, dengan meng-klik pilihan drop down pada gambar atur
kecepatan aliran
3. Menghidupkan motor pengerak kipas dengan
meng-klik radio button pada gambar menghidupkan
power supply kipas
4. Mengukur tegangan dan arus listrik di kawat hot wire dengan cara mengklik gambar
ukur.
5. Mengulang kembali langkah 2 hingga 4 untuk kecepatan yang berbeda, yaitu 70 , 110 ,
150 , 190 dan 230 m/s.
V. Hasil dan Evaluasi
Pada percobaan "Disipasi Kalor Hotwire", kecepatan angin diubah-ubah sebanyak enam kali.
Kecepatan angin yang diujikan adalah sebesar 0 m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150 m/s, 190 m/s, hingga
230 m/s. Data berikut adalah hasil percobaan yang diperoleh. Dari data tersebut kita dapat
memperoleh grafik hubungan antara "Tegangan Hotwire dan Waktu" untuk setiap kecepatan
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 10
aliran udara dan hubungan antara "Rata-Rata Tegangan Hotwire dan Kecepatan Aliran Angin"
pada masing-masing percobaan. Lalu, kita dapat menghitung persamaan garis sebagai literatur
untuk sebaran nilai perolehan data percobaan.
V.1. Hasil Percobaan & Grafik Hubungan antara Waktu (s) dan Tegangan (volt)
Grafik 1
Hasil Percobaan dengan Kecepatan Angin 0 m/s
Grafik 2
Hasil Percobaan dengan Kecepatan Angin 70 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kecepatan Angin (m/s) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Tegangan/V-HW (Volt) 2.112 2.112 2.112 2.112 2.112 2.112 2.112 2.112 2.112 2.112
Kuat Arus/I-HW (Ampere) 53.9 53.9 53.9 53.9 54 54.2 54.3 54.2 54 53.9
y = 0.0218x + 53.9 R = 0.1818
0
10
20
30
40
50
60
Nilai
Waktu (s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kecepatan Angin (m/s) 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70
Tegangan/V-HW (Volt) 2.066 2.065 2.063 2.064 2.062 2.062 2.062 2.062 2.064 2.063
Kuat Arus/I-HW (Ampere) 54.7 54.2 54 54.1 54.6 55.1 54.8 54.3 54.1 54
y = -0.0003x + 2.0648 R = 0.339
y = -0.0176x + 54.487 R = 0.0192
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Nilai
Waktu (s)
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 11
Grafik 3
Hasil Percobaan dengan Kecepatan Angin 110 m/s
Grafik 4
Hasil Percobaan dengan Kecepatan Angin 150 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kecepatan Angin (m/s) 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110
Tegangan/V-HW (Volt) 2.047 2.046 2.047 2.046 2.046 2.045 2.047 2.045 2.046 2.046
Kuat Arus/I-HW (Ampere) 54.2 54.7 55.2 55.5 55.1 54.5 54.2 54.2 54.4 54.9
y = -0.0001x + 2.0467 R = 0.1787
y = -0.0321x + 54.867 R = 0.0432
0
20
40
60
80
100
120
Nilai
Waktu (s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kecepatan Angin (m/s) 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
Tegangan/V-HW (Volt) 2.039 2.04 2.039 2.039 2.04 2.039 2.039 2.04 2.04 2.04
Kuat Arus/I-HW (Ampere) 55.5 55.4 54.6 54.2 54.5 55.3 55.5 54.7 54.2 54.4
y = 8E-05x + 2.0391 R = 0.2048
y = -0.0794x + 55.267 R = 0.1999
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Nilai
Waktu (s)
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 12
Grafik 5
Hasil Percobaan dengan Kecepatan Angin 190 m/s
Grafik 6
Hasil Percobaan dengan Kecepatan Angin 230 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kecepatan Angin (m/s) 190 190 190 190 190 190 190 190 190 190
Tegangan/V-HW (Volt) 2.036 2.036 2.036 2.036 2.036 2.036 2.036 2.037 2.037 2.037
Kuat Arus/I-HW (Ampere) 55.2 55.7 55.4 54.7 54.3 54.3 54.6 55.2 55.7 55.5
y = 0.0001x + 2.0356 R = 0.6364
y = 0.0085x + 55.013 R = 0.0022
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Nilai
Waktu (s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Kecepatan Angin (m/s) 230 230 230 230 230 230 230 230 230 230
Tegangan/V-HW (Volt) 2.034 2.034 2.034 2.034 2.035 2.034 2.034 2.034 2.034 2.035
Kuat Arus/I-HW (Ampere) 54.3 54.6 55.3 55.8 55.4 54.7 54.3 54.3 54.6 55.2
y = 5E-05x + 2.0339 R = 0.1212
y = -0.0127x + 54.92 R = 0.0052
0
50
100
150
200
250
Nilai
Waktu (s)
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 13
V.2. Grafik Hubungan antara Tegangan (volt) & Kecepatan Aliran Angin (m/s)
Grafik 7
V.3. Persamaan Tegangan Hotwire
Tabel 1
Pengukuran Ke- Kec. Angin (m/s) (xi) V-HW (Volt) (yi) Xi2 Yi
2 xiyi
1 0 2.112 0 4.460544 0
2 70 2.0633 4900 4.25720689 144.431
3 110 2.0461 12100 4.18652521 225.071
4 150 2.0395 22500 4.15956025 305.925
5 190 2.0363 36100 4.14651769 386.897
6 230 2.0342 52900 4.13796964 467.866
Total 750 12.3314 128500 25.34832368 1530.19
m =
=
=
0 70 110 150 190 230
Tegangan/V-HW (Volt) 2.112 2.0633 2.0461 2.0395 2.0363 2.0342
y = 0.0052x2 - 0.0497x + 2.1511 R = 0.9592
1.98
2
2.02
2.04
2.06
2.08
2.1
2.12
N
i
l
a
i
Kecepatan Angin (m/s)
Tegangan/V-HW (Volt) Poly. (Tegangan/V-HW (Volt))
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 14
=
= -3.233 x 10-4
b =
=
=
=
= 2.09565
Jadi, persamaan tegangan hotwire-nya adalah y = -0.0003233x + 2.09565
V.4 Analisis Kesalahan Literatur dan Penentuan Validitas Persamaan sebagai Panduan
Setelah itu kita dapat mencari kesalahan pada perhitungan dengan rumusan sebagai berikut:
b = y
dengan
y = (
)
=
(
)
= (
)
=
= 0.01403
sehingga
b = 0.01403
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 15
= 0.01403
= 0.01403
= (0.01403)(0.78505)
= 0.01101
Selanjutnya, dari hasil perhitungan ini kita dapat menghitung besarnya kesalahan dari
perhitungan, yaitu:
TK =
x 100%
=
x 100%
= 0.525%
Dari keseluruhan perhitungan di atas, kita dapat menghitung besarnya kecepatan angin dengan
memasukkan data tegangan yang terukur pada hot wire ke dalam persamaan yang telah kita
peroleh. Namun, persamaaan tersebut tidak dapat dijadikan panduan pada percobaan pada setiap
percobaan hot wire karena nilai resistensi kawat yang kemungkinan besar berbeda. Tetapi, hot
wire memiliki kemungkinan besar untuk menjadi sebagai pengukur kecepatan angin pada setiap
percobaan hot wire karena memiliki tingkat kesalahan literatur yang sangat kecil dan memang
sudah digunakan pada percobaan hot wire pada umumnya. Sebagai tambahan, kita juga dapat
menentukan besarnya kecepatan angin dengan persamaan polinomial, selain menggunakan
persamaan linear, yang kita dapatkan dari grafik hubungan antara tegangan dan kecepatan angin.
Persamaan polinomial dapat kita lihat pada Grafik 7, yaitu:
y = 0.0052x2-0.0497x+2.1511
Persamaan ini didapatkan langsung melalui program regresi yang terdapat pada microsoft excel.
VI. Analisis
Bagian ini merupakan bagian analisis dari percobaan Disipasi Kalor Hot Wire yang telah
praktikan lakukan sebelumnya pada R-Lab. Analisis ini meliputi analisis percobaan, hasil, dan
grafik. Pada bagian analisis percobaan, akan dijelaskan mengenai faktor-faktor yang
memengaruhi hasil atau data pengamatan selama percobaan berlangsung. Pada bagian analisis
hasil, akan dianalisis data-data pengamatan dan telah diolah pada pengolahan data yang
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 16
merupakan hasil dari percobaan, apakah data-data tersebut sudah sesuai dengan literatur yang
telah praktikan pelajari sebelumnya atau belum akan dianalisis pula kesalahan-kesalahan yang
terjadi selama percobaan berlangsung. Selain itu tujuan percobaan akan diketahui apakah telah
terpenuhi atau tidak. Pada bagian analisis grafik, grafik yang merupakan hasil dari data
pengamatan akan dicoba untuk dianalisis. Dari analisis grafik tersebut, akan diketahui besar
kesalahan relatif yang terdapat pada data-data pengamatan hasil percobaan.
1) Analisis Percobaan
Pada percobaan kali ini, praktikan melakukan percobaan R-Lab di mana praktikum dilakukan
secara remote. Praktikan dapat mengakses percobaan yang diperlukan melalui sebuah komputer
dengan bantuan jaringan internet. Pertama-tama, praktikan menyetel kecepatan aliran menjadi
sebesar 0 m/s. 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.
Salah satu kelemahan dari percobaan dengan system R-Lab adalah praktikan tidak mengetahui
kondisi lingkungan di sekitar lingkungan percobaan. Padahal perbedaan waktu dalam melakukan
percobaan sangat mempengaruhi hasil percobaan. Data menjadi kurang akurat karena percobaan
dilakukan pada system (lingkungan) yang berbeda. Untuk melakukan percobaan juga hanya
disediakan satu server untuk setiap jenis percobaan yang artinya bahwa hanya ada satu user yang
dapat mengakses percobaan tersebut. Hal ini menyebabkan praktikan untuk mengantri lama
karena R-Lab selalu dalam status sedang digunakan. Selain itu, hal-hal seperti putusnya koneksi
internet saat berlangsungnya percobaan sangat mempengaruhi hasil percobaan.
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 17
Saat melakukan prosedur percobaan, terdapat beberapa gejala fisis yang memengaruhi data
pengamatan hasil percobaan. Gejala-gejala fisis tersebut adalah: Perubahan kondisi lingkungan
setiap kali percobaan dilangsungkan pada waktu yang berbeda. Praktikan tidak dapat
menentukan kondisi seperti apa yang dapat menghasilkan data pengamatan yang tepat ataupun
akurat. Praktikan juga tidak mengetahui waktu yang tepat untuk melakukan percobaan. Pada
percobaan ini, praktikan diberi kebebasan untuk melakukan percobaan kapan saja, entah itu
siang, di mana suhu lingkungan tinggi; entah itu malam ataupun pagi, di mana suhu lingkungan
saat itu lebih rendah dibandingkan suhu lingkungan pada siang hari.
2) Analisis Hasil
Pada percobaan Disipasi Kalor Hot Wire ini dilakukan 6 kali percobaan dengan kecepatan aliran
fan yang berbeda. Hal ini dilakukan untuk melihat bagaimana pengaruh waktu terhadap tegangan
pada hot wire pada kecepatan tertentu dan bagaimana pengaruh waktu terhadap tegangan rata.
Tegangan di dalam kawat akan menghasilkan energi listrik yang akan didisipasi oleh kawat
menjadi energi kalor sehingga kawat akan menjadi panas. Kalor tersebut nantinya digunakan
untuk mempertahankan suhu sensor agar konstan guna menghitung kecepatan angin dalam
percobaan tersebut. Sedangkan perubahan kecepatan angin tergantung nilai resistansi sensor.
Selain itu, percobaan ini juga dapat digunakan untuk menganalisis hubungan antara kecepatan
aliran udara dengan arus listrik. Ketika udara dihembuskan kepada probe, makan nilai resistansi
kawat akan berubah sehingga mengubah besarnya nilai arus listrik yang mengalir. Semakin cepat
udara mengalir, maka perubahan nilai arus listrik yang mengalir berubah dan nilai resistansi
menjadi semakin besar.
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.
Dari hasil yang diperoleh, didapat nilai tingkat kesalahan relatif adalah 0,525%. Hal ini
menunjukkan bahwa data yang diperoleh praktikan sangat baik karena kesalahan relatif yang
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 18
kurang dari 5%, bahkan hanya 0,525 angka di atas 0% - yang merupakan standar saat tidak
terjadi kesalahan.
3) 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 = -0.0003233x + 2.09565
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 = -0.0003233x + 2.09565 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.
Sebagai penjelasan tambahan, grafik tegangan terhadap waktu menunjukkan hubungan antara
tegangan dan waktu yang diberikan pada kecepatan angin yang berbeda-beda sesuai dengan
prosedur percobaan. Pada grafik ini, waktu berfungsi sebagai variabel X dan tegangan
didefinisikan sebagai variabel Y menunjukkan bahwa kecepatan angin yang diberikan oleh fan
tetap, sehingga semakin lama angin bertiup maka energi kalor menjadi lebih kecil. Jadi, nilai dari
tegangan listrik akan menjadi lebih kecil seiring dengan penambahan waktu yang ada. Penurunan
ini terjadi karena ada disipasi dari kalor hotwire yang terjadi pada kecepatan angin tertentu.
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 19
Pada grafik kedua hubungan kecepatan aliran angin dengan tegangan, praktikan mendapat juga
suatu perbandingan negatif antara tegangan dan kecepatan aliran angin. Hampir sama dengan
hubungan waktu, grafik ini memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan aliran angin, maka
akan makin menurun tegangan listrik. Untuk grafik hubungan ini, praktikan membuat dua grafik
yang keduanya menggambarkan hubungan kecepatan aliran angin dengan tegangan kawat hot
wire dengan konteks grafik yang berbeda. Pada grafik yang pertama menghubungkan tegangan
dengan masing-masing kecepatan aliran angin dan grafik kedua menghubungkan dengan
kecepatan rata-rata.
VII. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat kita ambil melalui percobaan ini didasarkan pada tujuan adalah sebagai
berikut:
1. Hot wire dapat digunakan sebagai sensor kecepatan aliran udara dengan cara
menggunakan kawat sebagai sensor. Cara kerjanya dengan masing-masing ujung
hotwire dihubungkan ke sebuah sumber tegangan supaya energi listrik dapat mengalir
pada hotwire tersebut. Energi listrik ini akan didisipasi oleh hotwire menjadi kalor.
Kalor tersebut untuk mempertahankan suhu sensor agar konstan guna menghitung
kecepatan angin.
2. Grafik menunjukkan bahwa nilai tegangan semakin kecil pada kecepatan angin yang
semakin besar. Hal ini disebabkan karena semakin besar angin yang diberikan, maka
gradian temperature yang melewati probe pun juga semakin besar sehingga
menyebabkan kehilangan kalor yang lebih besar.
3. Persamaan linear y = ax + b yang ada pada grafik umumnya a bernilai negatif yang
menunjukkan bahwa nilai y dari percobaan tersebut semakin lama semakin kecil
seiring dengan penambahan nilai x.
1. Semakin besar kecepatan angin, semakin kecil tegangan yang akan dihasilkan.
2. Resistansi yang semakin besar dalam tegangan yang digunakan akan semakin besar
sesuai dengan penambahan kecepatan angina yang ada.
3. Energi listrik yang dihasilkan oleh tegangan dan arus dan perubahan suhu yang
terjadi mengakibatkan energi kalor pada hotwire.
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire Halaman 20
VIII. Referensi
1. Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engineers, Third Edition, Prentice Hall, NJ,
2000.
2. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition, John
Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.