LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR REMOTE LABORATORY Nama : Triana Yusman NPM : 1406533081 Fakultas/Program Studi : Teknik/Teknik Perkapalan Nomor/Nama Percobaan : KR 01/Disipasi Kalor Hot Wire Minggu Percobaan : Pekan 4 Tanggal Percobaan : 20 Maret 2014 Kelompok : 9 LABORATORIUM FISIKA DASAR UPP IPD UNIVERSITAS INDONESIA
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR
REMOTE LABORATORY
Nama : Triana Yusman
NPM : 1406533081
Fakultas/Program Studi : Teknik/Teknik Perkapalan
Nomor/Nama Percobaan : KR 01/Disipasi Kalor Hot Wire
Minggu Percobaan : Pekan 4
Tanggal Percobaan : 20 Maret 2014
Kelompok : 9
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 Ampermeter
4. Adjustable power supply
5. Comcoder
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 = Ra/Rw
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:
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:
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 230m/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:
Percobaan 1
Waktu Kec. angin V-HW I-HW
1 0 2.112 54.1
2 0 2.112 54.4
3 0 2.112 54.2
4 0 2.112 53.9
5 0 2.112 54.0
6 0 2.112 54.3
7 0 2.112 54.4
8 0 2.112 54.0
9 0 2.112 53.9
10 0 2.112 54.1
Percobaan 2
Waktu Kec. angin V-HW I-HW
1 70 2.072 55.0
2 70 2.073 54.4
3 70 2.073 54.2
4 70 2.074 54.6
5 70 2.073 55.1
6 70 2.074 54.7
7 70 2.074 54.2
8 70 2.074 54.3
9 70 2.072 54.9
10 70 2.074 55.1
Percobaan 3
Waktu Kec. angin V-HW I-HW
1 110 2.053 54.6
2 110 2.054 54.8
3 110 2.054 55.0
4 110 2.054 55.2
5 110 2.055 55.4
6 110 2.054 55.5
7 110 2.055 55.5
8 110 2.054 55.4
9 110 2.055 55.1
10 110 2.055 54.9
Percobaa 4
Waktu Kec. angin V-HW I-HW
1 150 2.046 55.1
2 150 2.047 55.1
3 150 2.047 55.2
4 150 2.047 55.2
5 150 2.047 55.3
6 150 2.046 55.3
7 150 2.047 55.3
8 150 2.046 55.4
9 150 2.047 55.4
10 150 2.046 55.4
Percobaan 5
Waktu Kec. angin V-HW I-HW
1 190 2.042 54.8
2 190 2.043 54.9
3 190 2.043 55.1
4 190 2.042 55.3
5 190 2.042 55.5
6 190 2.042 55.6
7 190 2.042 55.7
8 190 2.043 55.7
9 190 2.042 55.8
10 190 2.042 55.7
Percobaan 6
Waktu Kec. angin V-HW I-HW
1 230 2.040 55.0
2 230 2.040 55.0
3 230 2.040 55.1
4 230 2.040 55.3
5 230 2.040 55.4
6 230 2.040 55.5
7 230 2.040 55.6
8 230 2.040 55.7
9 230 2.040 55.7
10 230 2.040 55.8
Evaluasi
1. Membuat grafik berdasarkan hubungan antara waktu dengan tegangan hotwire
Kecepatan angin 0 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
500
1000
1500
2000
2500
waktu
V_H
W
Kecepatan angin 70 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 92071
2071.5
2072
2072.5
2073
2073.5
2074
2074.5
waktu
V-H
W
Kecepatan angin 110 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 102052
2052.5
2053
2053.5
2054
2054.5
2055
2055.5
waktu
V-H
W
Kecepatan angin 150 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 102045.4
2045.6
2045.8
2046
2046.2
2046.4
2046.6
2046.8
2047
2047.2
waktu
V-H
W
Kecepatan angin 190 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 102041.4
2041.6
2041.8
2042
2042.2
2042.4
2042.6
2042.8
2043
2043.2
waktu
V-H
W
Kecepatan angin 230 m/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
500
1000
1500
2000
2500
waktu
V-H
W
2. Membuat grafik berdasarkan hubungan antara tegangan hotwire dengan kecepatan angin
0 70 110 150 190 2302000
2020
2040
2060
2080
2100
2120
kecepatan angin
V-HW
3. Membuat persamaan tegangan hotwire
Pengukuran
ke-
Kecepatan
angin(m/s) (xi)
V-HW(V)
(yi)
xi2 yi2 xiyi
1 0 2.112 0 4460544 0
2 70 2.072 4900 4293184 14504
3 110 2.053 12100 4214809 22583
4 150 2.046 22500 4186116 3069
5 190 2.042 36100 4169764 38798
6 230 2.040 52900 41616 4692
Total 750 12.365 128500 25486017 153495
Jadi, Y= -0.000307x + 2.099
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 190 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= -0.000307x + 2.099
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= -0.000307x + 2.099 didapat dengan menggunakan
metode least-square, untuk membuat persamaan umum grafik tersebut dengan jarak
simpangan yang sangat kecil.
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.