KONVERTER TERMOELEKTRIK

TUGAS LABORATORIUM FISIKA

“KONVERTER THERMOELEKTRIK”

OLEH

1. Astry Wiji Sulistiyaningrum (103184004)

2. Jhelang Anovaso (103184026)

3. Umi Fadilah (103184035)

4. Wulan Luthfi (103184045)

5. Nur Isnaini (103184047)

6. Choirotul Jannah (103184054)

7. Gustoh Pihantoro (103184060)

8. Nailul Maunah (103184067)

PENDIDIKAN FISIKA REGULER 2010

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

2013

BAB 1

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Pertimbangan penggunaan energi pada masa sekarang ini mencakup banyak

aspek, dahulu penggunaan energi hanya berorientasi pada pemanfaatan energi sebesar-

besarnya, tanpa memperhatikan efek samping terhadap lingkungan akibat dari

pemanfaatan energi tersebut. Dengan adanya metode konservasi energi yang tepat, maka

masa habisnya energi bahan bakar fosil dapat diperpanjang. Misalnya pada sektor

transportasi, efisiensi termal yang ada pada kendaraan bermotor secara umum masih

berlangsung cukup rendah, hanya sebagian kecil yang bisa dimanfaatkan, selebihnya

merupakan panas buang yang mengalir ke lingkungan.

Menyadari banyaknya energi termal yang terbuang percuma ke atmosfir inilah,

pemanfaatan konsep efek thermoelektrik pada prototipe pembelajaran fisika menjadi

pilihan kami untuk mengkonversi energi termal yang terbuang menjadi energi listrik.

Para peneliti terdahulu juga telah mengembangkan konservasi energi panas buang, seperti

yang dilakukan oleh Rinalde et.al, yang membahas tentang mengkonversi panas buang

dari kompor kayu sebagai sarana sumber listrik pada daerah rural, sedangkan Karri et.al

meneliti efek penggunaan termoelektrik pada sistem gas buang dapat menghemat

penggunaan bahan bakar sebanyak 1,25 % pada kendaraan bermotor.

Dalam hukum termodinamika pertama dijelaskan bahwa antara hasil kalor dan

hasil usaha- baik kalor maupun usaha dapat menyebabkan perubahan pada energi dalam.

Ada perbedaan penting antara kalor dan usaha yang tidak tampak jelas pada hukum

termodinamika pertama. Salah satu wujud perbedaan ini adalah bahwa kita tidak

mungkin membuat alat yang bekerja secara siklik, menerima energi berupa kalor dan

mengeluarkan sejumlah energi yang sama besarnya berupa usaha. Kita hanya bisa

membuat alat yang bekerja secara siklik menerima energi berupa kalor dan mengeluarkan

sebagian kecil energi ini dalam bentuk usaha, hal ini yang disebut mesin kalor. Konsep

ini dapat dijelaskan dalam hukum kedua termodinamika. Dalam pembelajaran mesin

kalor, seringkali siswa beranggapan bahwa mesin kalor hanyalah konsep yang abstrak

tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Untuk memotivasi siswa tentang materi hukum

kedua termodinamika dan konversi energi termal yang terbuang menjadi energi listrik ,

maka dibutuhkan sebuah alat peraga yang dapat menjelaskan semua materi tersbut

sehingga pembelajaran tidak hanya disampaikan melalui diskusi teoritis saja. Oleh karena

itu kami menciptakan konverter termoelektrik sederhana dalam pembelajaran

termodinamika.

B. RUMUSAN MASALAH

Dari latar belakang tersebut dapat diambil rumusan masalah sebagai berikut :

Bagaimana keefektifan prototipe konverter termoelektrik dalam materi konversi energi

thermal menjadi listrik?

C. TUJUAN dan MANFAAT

Adapun tujuan dari penulisan paper ini adalah :

Mengembangkan sebuah alat peraga yang sederhana dan menyenangkan dalam materi

konversi energi.

BAB II

DASAR TEORI

Termodinamika merupakan suatu ilmu pengetahuan yang membahas hubungan antara

panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat. Maksudnya apabila suatu zat atau

benda diberi panas (suhunya dinaikkan), maka akan timbul berbagai-bagai akibat seperti

- Gas, cairan dan zat padat → memuai

- Termo-elemen membangkitkan GGL

- Kawat-kawat mengalami perubahan daya tahannya.

Dalam proses demikian, biasanya terdapat suatu pengaliran panas dan bekerjanya suatu

gaya yang mengalami perpindahan (panas) yang mengakibatkan terjadinya “Usaha atau Kerja”.

Prinsip Termodinamika

● Prinsip-prinsip Termodinamika dapat dirangkum dalam 3 Hukum yaitu :

Hukum Termodinamika ke-Nol

Berkenaan dengan kesetimbangan termal atau Konsep Temperatur.

Hukum Termodinamika I

- konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi.

- menegaskan ke ekivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja.

Hukum Termodinamika II

Memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energi dan memperkenalkan prinsip

peningkatan entropi.

Pernyataan Clausius

Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua pernyataan Kelvin -Plank, yang

diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan Clausius, yang diperuntukkan untuk mesin

pendingin/pompa kalor. Pernyataan Clausius dapat di ungkapkan sebagai berikut :

Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa

adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media

bertemperatur tinggi.

Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media

bertemperatur rendah. Pernyataan Clausius tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat

siklus yang dapat memindahkan panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur

tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi asalkan ada efek luar yang

dalam kasus tersebut dilakukan/diwakili oleh kompresor yang mendapat energi dari energi

listrik misalnya. Salah satu aplikasi dari hukum kedua thermodinamika adalah pemanfaatan

Thermoelektrik dalam mengkonversikan energi panas menjadi energi listrik atau sebaliknya.

Pengertian Termoelektrik

Teknologi termoelektrik adalah teknologi yang bekerja dengan mengkonversi energi panas

menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik

menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik, material

termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang menghubungkan sumber

panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan

yang dipakai.

Prinsip kerja dari Termoelektrik adalah dengan berdasarkan Efek Seebeck yaitu

“Jika 2 buah logam yang berbeda disambungkan salah satu ujunganya, kemudian

diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan tegangan pada

ujung yang satu dengan ujung yang lain”.( Muhaimin, 1993).

Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas

Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua

logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum

kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi

pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum

kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan

dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam

sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua

logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan

panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini

kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi

dasar pengembangan teknologi termoelektrik.

Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini,

seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, atau pemanfaatan panas bumi.

Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi listrik secara

langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendingin

termoelektrik). Untuk keperluan pembangkitan lisrik tersebut umumnya bahan yang digunakan

adalah bahan semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang mampu menghantarkan arus

listrik namun tidak sempurna. Semikonduktor yang digunakan adalah semikomduktor tipe n dan

tipe p. Bahan semikonduktor yang digunakan adalah bahan semikonduktor ekstrinsik.

Terdapat tiga sifat bahan Termoelektrik yang penting, yaitu :

1. Koefisien Seebeck(s)

2. Konduktifitas panas(k)

3. Resistivitas

Pemanfaatan Termo Elektrik

1. Pembangkit daya (Power generation)

Dengan menggunakan Termoelekrik, panas yang dihasilkan selama proses yang alami

pembangkit akan diubah menjadi listrik, sehingga panas yang dihasilkan tidak terbuang secara

percuma dan energi yang dihasilkan oleh pembangkit menjadi lebih besar, serta efisiensi energi

menjadi lebih tinggi. Termoelektrik juga mengkin dapat digunakan pada sistem solar thermal

energi.

2. Kendaraaan bermotor

Pemanfaatan energi panas yang terbuang pada kendaraan bermotor dengan mengubahnya

menjadi energi listrik. Konsep yang digunakan adalah konsep Seebeck. Apabila terdapat dua

sumber temperatur yang berbeda pada dua material semi konduktor makan akan mengalir arus

listrik pada material tersebut. Konsep ini lebih dikenal dengan pembangkit termoelektrik.

Dengan menggunakan Teknologi Termoelektrik ini apabila diterapkan pada kendaraan bermotor

dimana gas buang pada mesin motor bakar berkisar antara 200-300oC sementara temperatur

lingkungan bekisar antara 30-35oC maka dengan adanya beda temperatur ini akan diperoleh gaya

gerak listrik yang kemudian dapat digunakan untuk menggerakan motor listrik atau disimpan di

dalam batere. Apabila dapat diterapkan di kendaraan hybrid maka konsumsi bahan bakar pada

kendaraan bermotor akan semakin hemat. Dengan berkurangnya konsumsi bahan bakar maka

dapat pula mengurangi emisi gas buang ke lingkungan.( Koestoer, 2008).

3. Mesin Pendingin

Termoelektrik sebagai pendingin dibuat menjadi sebuah modul semikonduktor yang jika dialiri

arus listrik DC maka kedua sisi modul termoelektrik ini akan mengalami panas dan dingin. Sisi

dingin inilah yang dimanfaatkan sebagai pendingin produk.

3. Konverter Termionik

Pembangkit listrik dengan termionik adalah mengubah energi panas menjadi energi listrik

dengan menggunakan emisi termionik. Emisi termionik adalah terlepasnya electron dari

permukaan logam yang lebih panas ke permukaan logam lainnya yang dipanasi bersama sama.

Emosi Termionik juga dikenal sebagai “Emisi Thermal Elektron”. Proses ini sangat penting

dalam pengoperasian berbagai perangkat elektronik dan dapat digunakan untuk pembangkit daya

atau pendinginan

BAB III

METODE PEMBUATAN ALAT

A. Alat dan Bahan

1. Kotak

2. Gelas stainless

3. Peltier 12 Volt

4. Lem busa

5. Lem rajawali

6. Kabel

7. Paku plat

B. Rancangan Percobaan

Gambar 3.1 Rancangan Alat Konverter

Thermoelektrik (sebelum)

8. Jepit buaya

9. Lampu 1,5 Volt

10. Jack

11. Mata bor

12. Mata cutter

13. Peltier 5 Volt

14. Sterofom

Gambar 3.2 Rancangan Alat Konverter

Thermoelektrik (sesudah)

C. Langkah Pembuatan

1. Menyiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan

2. Menyiapkan 2 buah kaleng alumunium untuk tempat wadah air panas dan air dingin

3. Masing- masing kaleng tersebut direkatkan dengan plat alumunium untuk tempat

peltier (peltier diantara kedua kaleng), tutup kaleng dilapisi sterofom dan dilubangi

untuk tempat termometer agar dapat terbaca suhunya

4. Kemudian membuat wadah untuk menjaga kedua suhu air yang berada di kaleng,

wadah ini berbentuk kotak persegi panjang dimana kedua kaleng tersebut diletakkan

ditengah-tengah wadang dengan dilapisi pembatas sterofom antara kaleng dan wadah

kotak persegi panjang tersebut, pembatas ini dikaitkan pada bagian atas, samping kiri,

samping kanan dan bawah.

5. Mengkaitkan peltier dengan kabel

6. Membuat wadah sedemikian rupa segingga kabel yang terhubung pada peltier dapat

keluar yaitu dengan melubangi tutup kotak persegi panjang tersebut

7. Kabel yang keluar tersebut di hubungkan dengan multimeter dan resistor, sehingga

dapt diukur arus yang dihasilkan

8. Alat ini praktis dibawah kemana-mana dikarenakan semua alat dan bahan sudah

terkemas dalam kotak persegi panjang tersebut.

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Rancangan Biaya

No. Alat Biaya

1 Kotak 80.000,00Rp

2 Termometer 17.000,00Rp

3 Gelas Stainless 40.000,00Rp

4 Peltier 5 V @Rp45.000,00 x 3 135.000,00Rp

5 Peltier 12 V @Rp95.000,00 x 3 285.000,00Rp

6 Lem busa @Rp4.500,00 x 2 9.000,00Rp

7 Lem Rajawali 9.000,00Rp

8 Kabel 3.000,00Rp

9 Paku Plat 5.000,00Rp

10 Jepit buaya, lampu 1,5 V, Jack 4.000,00Rp

11 Mata Bor 5.000,00Rp

12 Mata Cutter 2.000,00Rp

594.000,00Rp Jumlah

B. Hasil Rancangan Alat

C. Langkah Penggunaan Alat

Alat yang dikembangkan merupakan alat demonstrasi laboratorium untuk mengukur

efisiensi energi kalor yang berubah menjadi energi listrik dengan menggunakan

thermoelektrik, ilustrasi cara kerja alat :

Sehingga energi yang dihasilkan pada sistem dapat dirumuskan :

Perhitungan dilakukan dengan asumsi :

Penentuan suhu awal dilakukan setelah suhu air, wadah dan penjepit peltier telah

dalam kesetimbangan thermal

Perpindahan kalor akan tetap terjadi, meskipun listrik yang dihasilkan tidak digunakan

Sistem ini akan benar-benar efisien apabila tidak terjadi kenaikan suhu pada reservoir

suhu rendah, sehingga W=EL.

Contoh percobaan yang telah dilakukan dengan menggunakan alat konverter thermoelektrik

ini :

Suhu awal reservoir suhu tinggi : 85oC

Suhu akhir reservoir suhu tinggi : 82oC

Suhu awal reservoir suhu rendah : 7oC

Suhu akhir reservoir suhu rendah : 9oC

Dengan menggunakan resistor 10k

Waktu pengamatan selama 10 menit = 600 s

Hubungan antara daya(mWatt) dan waktu (s) dapat digambar grafik :

V.I.t

Sehingga energi listrik merupakan luasan di bawah kurva yakni 162,73 mJ

BAB V

KESIMPULAN

Dari pembuatan alat peraga yang kami lakukan dapat disimpulkan bahwa konverter

thermoelektrik layak digunakan dalam pembelajaran fisika materi konversi energi dalam

cakupan thermodinamika.

Pemanfaatan Termo Elektrik:

o Pembangkit daya (Power generation)

o Kendaraaan bermotor

o Mesin Pendingin

o Konverter Termionik

DAFTAR PUSTAKA

Sudjito, dkk. Hukum thermodinamika II. Brawijaya : Malang

Hasanah, Retno. 1998. “Fisika Dasar I”. Unipress : Surabaya