Triana Yusman 1406533081 9 Jum'at Siang

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


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


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


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


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


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


1 2 3 4 5 6 7 8 92071

2071.5

2072

2072.5

2073

2073.5

2074

2074.5

waktu

V-H

W


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


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


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


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.

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

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

Link RLab

http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01

Triana Yusman 1406533081 9 Jum'at Siang

Documents

Triana Yusman 1406533081 9 Jum'at Siang