Laporan Praktikum Dissipasi Kalor Hot Wire Susanto

Laporan Praktikum Fisika Dasar

Nama : Susanto Berlin Manarua Situmorang

NPM : 1406607363

Fakultas : Fakultas Teknik

Departemen : Departemen Teknik Mesin

Jurusan : Teknik Mesin

Kode Praktikum : KR-01

Tanggal Praktikum : 31 Oktober 2014

Laboratorium Fisika Dasar

UPP IPD

Universitas Indonesia

Disipasi Hotwire

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

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 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 =𝑹𝑨

𝑹𝑾

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.

Beberapa persamaan yang dapat digunakan antara lain:

1. Persamaan Simple Power-law

Persamaan ini diperkenalkan oleh L.V. King dan dirumuskan sebagai berikut:

𝑬𝟐 = 𝑨 + 𝑩𝑼𝒏

dimana A dan B merupakan konstanta-konstanta kalibrasi, E merupakantegangan

kawat, n merupakan konstanta pangkat, dan U merupakan komponenkecepatan

aksial.

2. Persamaan Extended Power-law

Persamaan ini diperkenalkan oleh R.G. Siddal dan T.W. Davies yangdiformulasikan

sebagai berikut:

𝑬𝟐 = 𝑨 + 𝑩𝑼𝒏 + 𝑪𝑼

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 230 m/s.

Cara Kerja

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

halaman ini.

1. Mengaktifkan Web cam ! (mengklik icon video pada halaman web r-Lab) !

2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 cm/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. Mengukurlah 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

cm/s !

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.

Data dan Hasil Percobaan

1. Kecepatan 0 m/s

Waktu V-HW I-HW

1 2.113 54.3

2 2.113 54.2

3 2.113 54.0

4 2.113 53.9

5 2.113 53.9

6 2.113 53.9

7 2.113 53.9

8 2.113 54.0

9 2.113 54.1

10 2.113 54.3

2. Kecepatan 70 m/s

Waktu V-HW I-HW

1 2.083 54.6

2 2.084 54.8

3 2.084 54.9

4 2.084 54.6

5 2.084 54.3

6 2.086 54.1

7 2.084 54.1

8 2.085 54.2

9 2.085 54.6

10 2.083 54.9

3. Kecepatan 110 m/s

Waktu V-HW I-HW

1 2.068 54.9

2 2.069 54.5

3 2.068 54.3

4 2.069 54.2

5 2.069 54.3

6 2.069 54.5

7 2.068 54.9

8 2.069 55.1

9 2.069 55.3

10 2.068 55.0

4. Kecepatan 150 m/s

Waktu V-HW I-HW

1 2.061 54.8

2 2.061 54.5

3 2.061 54.4

4 2.061 54.3

5 2.061 54.4

6 2.061 54.6

7 2.061 54.8

8 2.061 55.1

9 2.061 55.3

10 2.061 55.4

5. Kecepatan 190 m/s

Waktu V-HW I-HW

1 2.057 54.7

2 2.057 55.2

3 2.057 55.5

4 2.057 55.2

5 2.057 54.7

6 2.057 54.4

7 2.057 54.3

8 2.057 54.7

9 2.057 55.2

10 2.057 55.4

6. Kecepatan 230 m/s

Waktu V-HW I-HW

1 2.055 55.0

2 2.054 55.3

3 2.054 55.5

4 2.055 55.5

5 2.054 55.6

6 2.054 55.4

7 2.055 55.1

8 2.054 54.9

9 2.055 54.6

10 2.054 54.5

Grafik Tegangan Terhadap Waktu

1. V = 0 cm/s

2. V = 70 cm/s

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V = 0 cm/s

2.0815

2.082

2.0825

2.083

2.0835

2.084

2.0845

2.085

2.0855

2.086

2.0865

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V = 70 cm/s

3. V = 110 cm/s

4. V = 150 cm/s

2.0674

2.0676

2.0678

2.068

2.0682

2.0684

2.0686

2.0688

2.069

2.0692

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V = 110 cm/s

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V = 150 cm/s

5. V = 190 cm/s

6. V = 230 cm/s

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V = 190 cm/s

2.0534

2.0536

2.0538

2.054

2.0542

2.0544

2.0546

2.0548

2.055

2.0552

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V = 230 cm/s

Grafik Kecepatan Angin Terhadap Tegangan Rata-rata

No KecepatanAngin (cm/s) Tegangan Rata-rata (V)

1 0 2.113

2 70 2.0842

3 110 2.0686

4 150 2.061

5 190 2.057

6 230 2.0544

Persamaan Garis Sebagai Fungsi Hotwire

Pengolahan data dengan metode Least Square dilakukan untuk memudahkan proses

pengolahan data yang telah didapat dari hasil percobaan.

i Xi Yi Xi2 Yi2 XiYi

1 0 2.113 0 4.464769 0

2 70 2.0842 4900 4.34388964 145.894

3 110 2.0686 12100 4.27910596 227.546

4 150 2.061 22500 4.247721 309.150

5 190 2.057 36100 4.231249 390.830

6 230 2.0544 52900 4.22055936 472.512

∑ 750 12.4382 128500 25.78729396 1545.932

Keterangan: X = KecepatanAngin (cm/s)

Y = Tegangan Rata-rata (V)

2,020

2,030

2,040

2,050

2,060

2,070

2,080

2,090

2,100

2,110

2,120

1 2 3 4 5 6

Grafik Kecepatan Angin Terhadap Tegangan Rata-rata

𝑚 =𝑛∑𝑥𝑖𝑦𝑖 − (∑𝑥𝑖)(∑𝑦𝑖)

𝑛∑𝑥𝑖2 − (∑𝑥𝑖)2

𝑚 = 6 1545.932 − (750)(12.4382)

6 128500 − 562500

= −0.000255

𝑐 =∑𝑥𝑖2∑𝑦𝑖 − ∑𝑥𝑖∑(𝑥𝑖𝑦𝑖)

𝑛∑𝑥𝑖2 − (∑𝑥𝑖)2

= 128500 12.4382 − (750)(1545.932)

6 128500 − 562500

= 2.105

Persamaan garis dari fungsi kecepatan angin adalah:

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑐

= −0.000255𝑥 + 2.105

Dari persamaan di atas, dapat ditentukan bahwa:

x = Kecepatan angin

y = Tegangan listrik

Maka untuk mengukur kecepatan anginnya, yang diperlukan adalah dengan mencari x

dalam persamaantersebut:

𝑦 = −0.000255𝑥 + 2.105

𝑦 − 2.105 = −0.000255𝑥

𝑥 =2.105 − 𝑦

0.000255

Karena variabel x, yaitu kecepatan angin, telah dipisahkan maka kecepatan angin dapat

diukur. Dengan kata lain, hotwire yang dialiri listrik dapat digunakan untuk mengukur

kecepatan angin dengan terutama memperhatikan tegangan listrik pada hotwire ketika

hotwire sedang ditiupkan angin yang akan diukur tersebut.

Analisa Hasil Percobaan 1. Analisa Percobaan

Percobaan pada Disipasi Kalor Hot Wire ini memiliki tujuan yaitu

untuk menentukan kecepatan aliran udara dengan kabel hotwire sebagai

pendetektor. Percobaan ini dilakukan secara online dengan memilih

kecepatan dari sumber udara yaitu kipas angin sebagai sumbernya. Pilihan

kecepatan udara yang tersedia yaitu 0 cm/s , 70 cm/s, 110 cm/s , 150 cm/s,

190 cm/s, dan 230 cm/s. Dalam setiap kecepatan aliran angin yang diberikan

terdapat sepuluh detik untuk mengukur Tegangan dan Arus Hot Wire.

Percobaan dilakukan berkali-kali untuk mendapatkan hasil yang akurat. Hasil

berupa data yang didapat adalah Tegangan yang berubah-ubah tergantung

dengan kecepatan aliran angin yang digunakan. Sebenarnya Kuat Arus juga

merupakan data yang didapat dari hasil percobaan ini tetapi hal ini

dikesampingkan karena Kuat Arus yang didapat cenderung konstan.

Perubahan pada Tegangan tersebut disebabkan oleh angin yang

menerpa kawat pijar tersebut dengan kecepatan dan gaya yang

mengakibatkan perubahan pada hambatan kawat yang berbanding lurus

dengan kecepatan angin yang mengalir pada probe. Semakin kencang aliran

udara yang mengalir pada probe maka tegangan yang terjadi pada sistem

akan semakin kecil, sementara arus yang mengalir akan semakin besar. Besar

kecilnya perubahan resistensi inilah yang nantinya akan menentukan besar

kecilnya perpindahan atau transfer kalor pada probe

2. Analisa Hasil Dari percobaan ini dapat dibilang percobaan ini telah dilaksanakan

dengan baik disebabkan hasil berupa data yang akurat. Dari hasil tersebut

dapat dikatakan bahwa perubahan kecepatan aliran angin dapat mengubah

Tegangan dan Kuat Arus Listrik pada kabel Hot Wire.

Pada percobaan kali ini dilakukan dengan enam kecepatan yang

berbeda dengan hitungan sepuluh waktu yang berbeda pula. Hal ini

dimaksudkan untuk melihat bagaimana hubungan antara kecepatan dan

waktu tegangan serta arus listrik dari hot wire itu sendiri.

Berdasarkan perhitungan, didapatkan bahwa persamaan kecepatan

angin hot wire adalah

𝑥 =2.105−𝑦

0.000255

Dengan x adalah kecepatan aliran angin sedangkan y adalah tegangan

hotwire. Persamaan ini dapat digunakan dengan memasuki nilai tegangan ke

dalam persamaan yang kemudian akan terlihat bahwa data yang didapatkan

merupakan data yang bersifat relatif tidak relevan sehingga ada kesalahan

relatif yang terjadi pada percobaan kali ini

3. Analisa Grafik Berdasarkan hasil yang bisa dilihat pada kumpulan grafik yang

pertama bisa dilihat bahwa waktu tidak terlalu berpengaruh terhadap

tegangan pada setiap kecepatan hembusan angin, karena tegangan yang

sangat minimal yang bisa dilihat pada grafik-grafik tersebut.

Pada grafik kecepatan angin terhadap terhadap tegangan, dapat

terlihat grafik parabolik menurun maka bisa disimpulkan bahwa semakin

besar kecepatan angin yang dihembuskan akan menyebabkan tegangan

yang semakin kecil.

Kesimpulan

1. Kecepatan angin berpengaruh terhadap tegangan listrik hotwire

2. Bila kecepatan angin konstan maka tegangan hotwire akan konstan dalam selang

waktu tertentu

3. Bila kecepatan angin tidak konstan maka tegangan hotwire akan berubah, di

mana kecepatan angin dan tegangan listrik hotwire berbanding terbalik

4. Persamaan kecepatan aliran angin sebagai fungsi dari hotwire adalah

𝑥 =2.105 − 𝑦

0.000255

Di mana x adalah kecepatan aliran angin sedangkan y adalah tegangan hotwire

5. Hotwire dapat digunakan sebagai alat untuk mendeteksi kecepatan aliran angin,

meskipun hasil yang didapat tidak terlalu akurat

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.