KR01 - Disipasi Kalor Hot Wire

Laporan Praktikum

Nama / NPM : Constantia Huinny Asaloei / 1106068724

Fak / Prog. Studi : Teknik / Teknik Lingkungan

Group & Kawan kerja : A6,

Benedict Ryan,

Bramka Arga Jafino

Chyannie Amarillio

Claudia Hapsari P.

Depri Yantri

Dessy Ayu

Harridi Ilman Tovid

No & Nama Percobaan : KR01 – Disipasi Kalor Hot Wire

Minggu Percobaan : Pekan 04

Tanggal Percobaan : Selasa, 13 Maret 2012

Nama Asisten : Vino

Laboratorium Fisika Dasar

UPP IPD

Universitas Indonesia

2

KR01 – DISIPASI KALOR HOT WIRE

TUJUAN

Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.

ALAT

1. kawat pijar (hotwire)

2. Fan

3. Voltmeter dan Ampmeter

4. Adjustable power supply

5. Camcorder

6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

TEORI DASAR

Di dalam logam yang berarus listrik, gerak pembawa muatan benumbukan dengan

atom-atom logam akibat tumbukan, pembawa muatan kehilangan sejumlah energinya

sehingga bergerak dengan kecepatan tetap dan atom-atom logam bergetar makin

cepat sehingga menimbulkan panas atau kalor. Bila sejumlah muatan dQ bergerak di

bawah pengaruh beda potensial V, muatanini haruslah mendapat tambahan energi

dU =(dQ)V. akan tetapi arus i tetap, berarti kecepatan tetap, dan encrgi kincLikpun

Lak bcrubah. Energi ini hilang sebagai kalor dan diterima logam dengan daya.

Jika arus i dalam amper dan LeganganV dalam volLmaka daya P dalam watt (w).

Karena bedan potensial V =iR, maka persamaan menjadi P= I2R.

Persamaan ini menyatakan daya yang hilang atas daya disipasi pada konduktor

dengan Resistensi R bila dialiri arus listrik.

Single normal probe adalah suatu tipe hotwire yang paling banyak digunakan sebagai

sensor untuk memberikan informasi kecepatan aliran dalam arah axial saja. Probe

3

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 Δ 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 = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan udara).

Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).

4

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 70 , 110 , 150 dan 190 dari daya maksimal

230 m/s.

CARA KERJA

Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian

bawah halaman ini.

1. Mengaktifkan Web cam dengan menklik icon video pada halaman web r-Lab

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.

5

TUGAS & EVALUASI

1. Berdasarkan data yang didapat , buatlah grafik yang menggambarkan

hubungan Tegangan Hotwire dengan Waktu untuk tiap kecepatan aliran

udara.

2. Berdasarkan pengolahan data di atas, buatlah grafik yang menggambarkan

hubungan Tegangan Hotwire dengan Kecepatan aliran angin.

3. Buatlah persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire.

4. Berdasarkan percobaan dan data yang didapat, apakah kita dapat

menggunakan kawat Hotwire sebagai pengukur kecepatan angin?

5. Berilah analisis dari hasil percobaan ini.

6

PENGOLAHAN DATA DAN EVALUASI

a. Grafik Pengamatan

Berdasarkan data yang didapat, maka grafik hubungan tegangan hot wire dengan

waktu adalah

Grafik 1

y = 2,112R² = 3E-16

2,111155

2,115590

0 2 4 6 8 10 12

Te

gan

gan

(V

)

Waktu (s)

Tegangan Vs Waktu

V0

Linear (V0)

7

Grafik 2

Grafik 3

y = 0,000x + 2,066R² = 0,302

2,0645

2,065

2,0655

2,066

2,0665

2,067

2,0675

2,068

2,0685

0 2 4 6 8 10 12

Tega

nga

n (V

)

Waktu (s)

Tegangan Vs Waktu

V1

Linear (V1)

y = -0,000x + 2,049R² = 0,369

2,0465

2,047

2,0475

2,048

2,0485

2,049

2,0495

2,05

2,0505

0 2 4 6 8 10 12

Tega

nga

n (V

)

Waktu (s)

Tegangan Vs Waktu

V2

Linear (V2)

8

Grafik 4

Grafik 5

y = -5E-05x + 2,039R² = 0,116

2,0388

2,039

2,0392

2,0394

2,0396

2,0398

2,04

2,0402

0 2 4 6 8 10 12

Tega

nga

n (V

)

Waktu (s)

Tegangan Vs Waktu

V3

Linear (V3)

y = -5E-05x + 2,035R² = 0,116

2,0338

2,034

2,0342

2,0344

2,0346

2,0348

2,035

2,0352

0 2 4 6 8 10 12

Tega

nga

n (V

)

Waktu (s)

Tegangan Vs Waktu

V4

Linear (V4)

9

Grafik 6

Keterangan :

V0 = 0 m/s

V1 = 70 m/s

V2 = 110 m/s

V3 = 150 m/s

V4 = 190 m/s

V5 = 230 m/s

Berdasarkan data yang didapatkan dari R-Lab juga, praktikan dapat membuat grafik

hubungan tegangan hot wire dengan kecepatan aliran angin dengan metode least

square.

y = 2,031R² = 5E-16

2,030187

2,034452

0 2 4 6 8 10 12

Tega

nga

n (V

)

Waktu (s)

Tegangan Vs Waktu

V5

Linear (V5)

10

Grafik 7

Untuk membuktikan m dan b pada persamaan y = mx +b, maka :

No. xi (m/s) yi (v) xi2 yi2 xi.yi

1 0 2,112 0 4,460544 0

2 70 2,0671 4900 4,272902 144,697

3 110 2,0484 12100 4,195943 225,324

4 150 2,0393 22500 4,158744 305,895

5 190 2,0347 36100 4,140004 386,593

6 230 2,031 52900 4,124961 467,13

∑ 750 12,3325 128500 25,3531 1529,639

∑2 562500 152,0906 1,65E+10 642,7796 2339795

Keterangan :

Xi = Kecepatan Angin

Yi = Tegangan rata-rata Hot Wire

Dengan data diatas,

𝑚 = 𝑛 ∑𝑥𝑖 𝑦𝑖 − (∑𝑥𝑖)(∑𝑦𝑖)

𝑛∑𝑥𝑖2 − (∑𝑥𝑖)2

𝑚 =6.1529,639 − 750.12,3325

6.128500 − 562500

y = -0,000x + 2,098R² = 0,875

2

2,02

2,04

2,06

2,08

2,1

2,12

0 50 100 150 200 250

Tega

nga

n (v

)

Kec. Angin (cm/s)

Tegangan Vs Kecepatan Angin

Garis 1

Linear (Garis 1)

11

𝑚 =−71,541

208500

m = -0,000343

𝑏 =∑𝑥𝑖2∑𝑦𝑖 − ∑𝑥𝑖 ∑𝑥𝑖 𝑦𝑖

𝑛∑𝑥𝑖2 − ∑𝑥𝑖 2

𝑏 =128500.12,3325 − 750.1529,639

6.128500 − 562500

𝑏 =437497

208500

b = 2,098

Jadi, persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan Hot Wire adalah,

y = -0,00034x + 2,098

ANALISIS

a. Percobaan

Pada percobaan pekan ke-4 dari praktikum, praktikan mendapat bahan percobaan

yakni disipasi kalor Hot Wire. Dalam melakukan percobaan ini, praktikan membaca

teorinya dengan mengukur tegangan kawat bila dialiri arus udara dengan kecepatan

yang hasilkan oleh fan.

Sama seperti percobaan sebelumnya, praktikum remote lab ini, walaupun terbilang

canggih, namun masih saja mengalami kekurangan yang sama yaitu, masih tidak

dapat menampilkan video, sehingga tentu saja akan terjadi kesalahan dalam hal

kalibrasi. Praktikan tidak dapat menyamakan nilai awal yang harus sesuai pada

gambar seperti dibawah ini

12

Praktikan tidak dapat menyamakan angka yang tertera pada gambar tersebut karena

video untuk melakukan praktikum tidak dapat berfungsi. Selain itu, dalam

pengambilan data, kesalahan lainnya dapat terminimalisir karena praktikan

melakukan percobaan dengan tidak langsung sehingga mengurangi kesalahan pada

pembacaan voltmeter. Percobaan ini menggunakan hotwire dengan sumber udara

berupa kipas angin. Dalam percobaan ini, kecepatan angin juga divariasikan yaitu 0

m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150 m/s, 190 m/s, 230 m/s.

Ada sedikit kerancuan di sini. Pada modul percobaan dikatakan kecepatan angin

dalam satuan m/s. Tetapi pada percobaan r-lab, dituliskan bahwa kecepatan angin

menggunakan satuan cm/s. Karena adanya kerancuan tersebut, praktikan memutuskan

untuk menggunakan salah satu satuan tersebut. Bagi praktikan, satuan yang masuk

akal untuk sebuah kecepatan angin kipas angin adalah cm/s.

Pengukuran dilakukan dari kecepatan 0 m/s yaitu pada saat kipas belum dinyalakan.

Karena v= 0 cm/s, maka arus dan tegangan listrik tentu saja belum terpengaruh.

13

Saat kipas dinyalakan, tegangan kemudian diukur dan diklasifikasikan kedalam

besarnya kecepatan angin yang diberikan. Dari hal ini dapat dilihat bahwa, semakin

besar kecepatan angin, maka arus listrik akan semakin besar. Berarti bahwa, arus

listrik dan kecepatan angin berbanding lurus. Sementara hal sebaliknya terjadi pada

tegangan. Semakin besar kecepatan angin, ,maka tegangan yang diberikan makin

kecil. Hal ini disebabkan oleh udara yang berasal dari kipas angin mempengaruhi

resistensi pada kawat dan kemudian berdampak pada arus dan tegangan.

Ketika angin dialirkan pada probe, angin menerpa kawat pijar, dengan kecepatan v

dan gaya F. Hembusan angin itu kemudian memberikan perubahan nilai resistensi

pada kawat yang sebanding dengan kecepatan angin.

Semakin kencang angin yang dialirkan, semakin besar pula arus listrik yang

dihasilkan. Sebaliknya, semakin besar kecepatan angin yang diberikan, semakin kecil

tegangan yang dihasilkan. Besar kecilnya perubahan resistensi inilah yang

mempengaruhi perubahan kalor yang terjadi pada probe.

b. Grafik

Berdasarkan grafik pertama sampai ke-enam, perilaku yang diberikan sama, hanya

berbeda pada besarnya kecepatan angin. Grafik yang menggambarkan besarnya

tegangan terhadap waktu. Berdasarkan grafik-grafik di atas, dapat dikatakan rata-rata

perubahan kecepatan angin stabil dan ada juga yang konstan. Kalaupun berubah,

perubahan tegangan hanya berselisih kecil dan cukup jarang terjadi. Hal ini terjadi

karena udara dari kipas angin tidak langsung mengubah kecepatannya. Tetapi

melakukan percepatan terlebih dahulu.

Penurunan yang cukup tajam sering terjadi karena kemungkinan terburuknya adalah

karena praktikan tidak menggunakan video yang menunjang dalam pengambilan data

sehingga pada awal pengukuran, tegangan masih sama tinggi dengan hasil tegangan

terakhir pada percobaan sebelumnya.

14

Pada grafik yang kedua, seperti yang telah dituliskan sebelumnya bahwa tegangan

berbanding terbalik dengan kecepatan angin, sehingga tidak heran bahwa grafik akan

menurun ke bawah. Namun, seperti yang dikatakan sebelumnya, penurunan drastis ini

juga kemungkinannya bisa karena kesalahan yang terjadi saat melakukan praktikum.

Berdasarkan grafik pengaruh tegangan pada kecepatan angin juga telah memberikan

kesimpulan seperti yang telah dikatakan sebelumnya.

c. Hasil

Hasil percobaan KR01 tentang disipasi kalor hot wire ini bahwa semakin besar

kecepatan angin yang dihembuskan, maka semakin besar arus listrik yang mengalir

pada hot wire dan tegangan pada kawat tersebut pun semakin kecil. Selain itu,

didapatkan grafik dari pengolahan data-data di atas.

Untuk menghitung hubungan tegangan hot wire dengan kecepatan aliran angin,

digunakan metode least square yang kemudian menghasilkan, y = -0,00034x + 2,098.

Berdasarkan uji coba memasukkan data-data ke persamaan di ata, didapatkan bahwa

kesalahan dari percobaan ini relatif besar sehingga dari sini disimpulkan bahwa kawat

Hot Wire tidak dapat digunakan untuk mengukur nilainya.

KESIMPULAN

1. Kecepatan angin berbanding terbalik dengan tegangan (V) dan berbanding

lurus dengan arus listrik (I)

2. Adanya kesalahan dalam percobaan ini karena video yang menunjang

praktikan tidak bisa difungsikan. Selain itu, karena hot wire tidak bisa

mendukung kecepatan angin.

3. Kesalahan yang muncul kemungkinan besarnya adalah human error.

15

4. Kawat hot wire hanya bisa digunakan untuk memperkirakan besar/kecilnya

angin, bukan untuk menentukan nilainya, yaitu dengan melihat perubahan

tegangan dan arus yang terjadi pada kawat hot wire.

5. Hasil persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hot wire adalah

y= - 0,00034x + 2,098

REFERENSI

1. Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Prentice

Hall, NJ, 2000.

2. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended

Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.

LAMPIRAN

Waktu Kec Angin V-HW I-HW

1 0 2,112 54,3

2 0 2,112 53,9

3 0 2,112 53,9

4 0 2,112 53,9

5 0 2,112 54,1

6 0 2,112 54,8

7 0 2,112 55,1

8 0 2,112 54,5

9 0 2,112 53,9

10 0 2,112 53,9

1 70 2,068 54,4

2 70 2,065 55,8

3 70 2,066 56,5

4 70 2,066 55,1

5 70 2,067 54,1

6 70 2,068 54,0

7 70 2,068 54,4

8 70 2,067 55,6

9 70 2,068 56,5

10 70 2,068 55,6

1 110 2,048 55,0

2 110 2,05 54,2

3 110 2,05 54,4

16

4 110 2,049 55,7

5 110 2,048 57,0

6 110 2,048 56,3

7 110 2,048 54,8

8 110 2,047 54,2

9 110 2,048 54,4

10 110 2,048 55,5

1 150 2,039 54,5

2 150 2,04 56,3

3 150 2,039 57,4

4 150 2,04 56,1

5 150 2,039 54,6

6 150 2,04 54,3

7 150 2,039 54,8

8 150 2,039 56,4

9 150 2,039 57,4

10 150 2,039 56,3

1 190 2,035 56,4

2 190 2,035 54,6

3 190 2,035 54,4

4 190 2,035 55,8

5 190 2,034 57,4

6 190 2,034 56,4

7 190 2,035 54,7

8 190 2,035 54,3

9 190 2,035 55,3

10 190 2,034 57,0

1 230 2,031 58,2

2 230 2,031 56,6

3 230 2,031 54,9

4 230 2,031 54,4

5 230 2,031 54,8

6 230 2,031 56,6

7 230 2,031 57,7

8 230 2,031 56,5

9 230 2,031 54,8

10 230 2,031 54,4

Data-data percobaan yang digunakan untuk menghitung dan membuat grafik.

17

Gambar di atas merupakan grafik gambar percobaan saat melakukan percobaan.