Upload
angeline-paramitha
View
10
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
RLAB
Citation preview
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 1
LAPORAN FISIKA DASAR 1
REMOTE LABORATORY
DISIPASI KALOR HOT WIRE
Nama/NPM : Angeline Paramitha/1306409305
Fakultas/Prog. Studi : Teknik/Teknik Kimia
Group & Kawan Kerja : Ahmad Hamidi
Aldhi Saputro
Ahmad Shobri
Akwila Eka Meliani
Ali Akbar
Aji Tata Irwinsyah
Andrea Rizky Sabrina Harahap
No & Nama Percobaan : KR 01 & Disipasi Kalor Hot Wire
Minggu Percobaan : Pekan 3
Tanggal Percobaan : 13 Maret 2014
Nama Koordinator : Miranda Rizka Anggraini
Laboratorium Fisika Dasar
UPP IPD
Universitas Indonesia
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 2
KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire
I. Tujuan Praktikum
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
II. Alat
1. Kawat Pijar (Hotwire)
2. Fan
3. Voltmeter dan Amperemeter
4. Adjustable Power Supply
5. Camcorder
6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
III. Landasan Teori
The Anemometer Hot-Wire adalah anemometer termal yang paling terkenal,
dan mengukur kecepatan fluida dengan mencatat panas convected pergi oleh cairan.
Inti dari anemometer merupakan kawat panas terkena memanas baik oleh arus konstan
atau dipertahankan pada suhu konstan (lihat skema di bawah). Dalam kedua kasus,
panas kalah konveksi cairan merupakan fungsi dari kecepatan fluida.
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
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 3
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 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).
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
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 4
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.
IV. Cara Kerja
1. Mengaktifkan "web cam" dengan meng-klik gambar video pada halaman
web R- Lab.
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s, dengan meng-klik
pilihan drop down pada gambar atur kecepatan aliran.
3. Menghidupkan motor pengerak kipas dengan meng-klik radio button pada
gambar menghidupkan power supply kipas.
4. Mengukur tegangan dan arus listrik di kawat hot wire dengan cara
mengklik gambar ukur.
5. Mengulang kembali langkah 2 hingga 4 untuk kecepatan yang berbeda,
yaitu 70 , 110 , 150 , 190 dan 230 m/s.
V. Data Hasil Percobaan
Pada percobaan praktikum R-Lab tentang Disipasi Kalor Hotwire, data yang
digunakan yaitu percobaan ke-dua. Adapun data tersebut sebagai berikut :
A. Tabel Data Pengamatan
1. Hasil percobaan dengan kecepatan angin v = 0 m/s
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (Volt) Kuat Arus (A)
1 0 2,112 54
2 0 2,112 53,9
3 0 2,112 53,9
4 0 2,112 53,9
5 0 2,112 53,9
6 0 2,112 53,9
7 0 2,112 53,9
8 0 2,112 53,9
9 0 2,112 54
10 0 2,112 54,1
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 5
2. Hasil percobaan dengan kecepatan angin v = 70 m/s
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (Volt) Kuat Arus (A)
1 70 2,049 56,3
2 70 2,05 56
3 70 2,05 55,4
4 70 2,05 54,7
5 70 2,05 54,4
6 70 2,05 54,2
7 70 2,05 54,5
8 70 2,05 55
9 70 2,051 55,7
10 70 2,05 56,2
3. Hasil percobaan dengan kecepatan angin v = 110 m/s
4. Hasil percobaan dengan kecepatan angin v = 150 m/s
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (Volt) Kuat Arus (A)
1 110 2,03 56,2
2 110 2,031 56,4
3 110 2,031 56,7
4 110 2,031 56,6
5 110 2,031 56,1
6 110 2,03 55,7
7 110 2,031 55,2
8 110 2,031 54,8
9 110 2,03 54,6
10 110 2,03 54,5
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (Volt) Kuat Arus (A)
1 150 2,023 56
2 150 2,023 56
3 150 2,022 56
4 150 2,022 56,1
5 150 2,022 56,2
6 150 2,022 56,2
7 150 2,023 56,3
8 150 2,023 56,4
9 150 2,022 56,5
10 150 2,022 56,6
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 6
5. Hasil percobaan dengan kecepatan angin v = 190 m/s
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (Volt) Kuat Arus (A)
1 190 2,015 54,8
2 190 2,016 55
3 190 2,016 55,2
4 190 2,015 55,8
5 190 2,015 56,2
6 190 2,015 56,8
7 190 2,016 57,1
8 190 2,015 56,9
9 190 2,015 56,6
10 190 2,016 55,9
6. Hasil percobaan dengan kecepatan angin v =230 m/s
Waktu (s) Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (Volt) Kuat Arus (A)
1 230 2,012 55,7
2 230 2,012 56,2
3 230 2,012 56,7
4 230 2,011 57,1
5 230 2,012 57,2
6 230 2,012 56,9
7 230 2,012 56,7
8 230 2,012 56,1
9 230 2,012 55,6
10 230 2,012 55,3
B. Pengolahan Data
Setelah melakukan percobaan diatas dan mendapatkan data-data yang
terlampir, maka dapat dibuat :
1. Grafik yang menggambarkan hubungan antara tegangan hotwire dengan waktu
untuk tiap kecepatan aliran udara
2. Grafik yang menggambarkan hubungan tegangan hotwire dengan kecepatan
aliran angin
3. Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire.
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 7
Berikut ini adalah grafik yang menggambarkan hubungan Tegangan Hotwire
dengan waktu untuk tiap kecepatan aliran udara.
1. Grafik pada saat V = 0 m/s
2. Grafik pada saat V = 70 m/s
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 8
3. Grafik pada saat V = 110 m/s
4. Grafik pada saat V = 150 m/s
5. Grafik pada saat V = 190 m/s
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 9
6. Grafik pada saat V = 230 m/s
Selanjutnya adalah grafik hubungan antara tegangan hotwire rata-rata dan
kecepatan aliran angin. Sebelum membuat grafiknya, terlebih dahulu harus
mengetahui tegangan rata-rata pada masing masing kecepatan aliran angin.
Berdasarkan data diatas, maka dapat dibuat grafik hubungan antar keduanya
Kecepatan Angin (m/s) Rata-Rata Tegangan (Volt)
0 2,112
70 2,05
110 2,0306
150 2,0224
190 2,0154
230 2,0119
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 10
Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire
Persamaan ini dapat diperoleh dengan metode least square berdasarkan
grafik hubungan antara tegangan dan kecepatan angin. Hasil perhitungan
persamaan tersebut sebagai berikut :
No Kecepatan Angin
(m/s) Variabel X
Rata-Rata Tegangan (Volt)
Variabel Y (Xi)2 (yi)2 xi.yi
1 0 2,112 0 4,460544 0
2 70 2,05 4900 4,2025 143,5
3 110 2,0306 12100 4,12333636 223,366
4 150 2,0224 22500 4,09010176 303,36
5 190 2,0154 36100 4,06183716 382,926
6 230 2,0119 52900 4,04774161 462,737
Jumlah 750 12,2423 128500 24,98606 1515,889
Keterangan :
X = Kecepatan Angin
Y = Tegangan Hot Wire
Setelah menghitung data pengamatan dengan metode least square,
persamaan antara hubungan tegangan dengan kecepatan angin dapat ditentukan
yaitu sebagai berikut :
m =
b=
Keterangan :
m : ialah besarnya gradien dari grafik hubungan antara keduanya
b : faktor penambah
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 11
Keduanya ini merupakan variabel pada persamaan hubungan antara tegangan
dengan kecepatan angin. Dengan memasukkan data yang kota miliki, kita
mendapatkan bahwa :
m =
= = - 0,00041
b =
= = 2,09217
Sehingga, dari data yang kita peroleh di atas persamaan hubungan antara tegangan
dengan kecepatan angin dapat diperoleh, dimana variabel bebas x menunjukkan
kecepatan angin pada waktu tertentu (m/s) sedangkan variabel terikat y
menunjukkan besar tegangan yang terjadi pada waktu tertentu. Persamaan tersebut
yaitu :
y = - 0,00041 x + 2,09217
Besarnya nilai kesalahan dari perhitungan persamaan di atas, yaitu :
Untuk mencari sebagai berikut :
=
Sehingga, kita meperoleh nilai = 0,0133574
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 12
Besarnya kesalahan yang terjadi pada saat perhitungan yaitu :
Sehingga besar TK = 0,63 %
Apakah kawat hotwire dapat juga diguanakan sebagai pengukur kecepatan angin
yaitu :
Berdasarkan persamaan hubungan antara kecepatan angin dengan
besarnya tegangan yang telah kita cari, dapat kita ketahui bahwa pada percobaan
ini, terdapat beberapa data yang yang diperoleh, yakni salah satunya adalah
tegangan. Pada percobaan ini kawat hotwire setiap ujung probenya akan
dihubungkan pada tegangan. Energi listrik yang dialirkan 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.
Pada grafik yang menyatakan hubungan kecepatan aliran angin dan
tegangan, dapat dilihat bahwa penurunan nilai tegangan seiring dengan
penambahan kecepatan aliran angin, ini menandakan besarnya nilai tegangan
berbanding terbalik dengan besarnya kecepatan aliran angin. Namun, persamaan
tersebut tidak dapat dijadikan referensi untuk setiap tegangan yang diberikan
karena resistensi kawat kemungkinan besar dapat berbeda. Maka dapat
disimpulkan bahwa kawat hotwire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan
angin setelah kita mengetahui tegangan yang dihasilkan.
VI. Analisis
A. Analisis Percobaan
Percobaan yang pada pekan kedua R-lab yaitu Disipasi Kalor Hotwire
(KR01). Teknis pengerjaannya ialah menggunakan R-lab yang di mana mahasiswa
dapat melakukan percobaan kapan saja, asalkan laptop atau komputer tersambung
dengan jaringan internet. Mahasiswa dipermudah dengan cara melakukan
percobaan atau praktikum tersebut tanpa harus mendatangi laboratorium fisika di
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 13
F-MIPA UI. Peralatan untuk melakukan praktikum telah tersedia secara lengkap di
dalam website.
Peralatan ini dapat digunakan apabila laptop atau komputer praktikan
memiliki aplikasi java dan web cam. Percobaan ini dimulai dengan mengaktifkan
webcam, yaitu dengan mengklik icon video yang ada pada halaman R-Lab. Setelah
mengaktifkan web cam, praktikan 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
benar sebesar 0 m/s. Kemudian dilanjutkan dengan menyalakan motor penggerak
kipas dengan mengklik radio button pada icon menghidupkan power supply
kipas.
Untuk mengukur tegangan dan arus listrik di kawat hot wire dapat dilakukan
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 dari percobaan yang baru saja dilakukan. Percobaan
kemudian dilanjutkan dengan mengubah kecepatan aliran menjadi 70m/s, 110m/s,
150m/s, 190m/s, dan 230m/s dengan mengikuti prosedur yang sama seperti
prosedur saat melakukan percobaan dengan kecepatan aliran 0 m/s. Pengukuran
tegangan ini dilakukan setiap detiknya sebanyak sepuluh kali masing masing pada
setiap kecepatan aliran udara. Hal ini dimaksudkan agar didapatkan data yang
bagus dan data yang ada dapat diunduh beserta dengan grafiknya. Pada percobaan
ini didapatkan data berupa besar tegangan (volt) yang berkaitan dengan kecepatan
aliran angin yang diberikan.
B. Analisis Hasil
Berdasarkan data-data (tegangan dan kecepatan angin) yang telah diperoleh,
dapat digambarkan dalam bentuk grafik. Grafik mengenai hubungan kecepatan
angin dan tegangan dapat menjelaskan bahwa hubungan keduanya berbanding
terbalik, dimana penurunan nilai tegangan berlangsung bersamaan dengan
kenaikan kecepatan angin yang akan memberikan resistensi energy listrik.
Resistensi energy listrik yang semakin besar ini membuat nilai daya listrik dan
energy kalor yang dihasilkan juga semakin kecil.
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 14
Hubungan tegangan dan kecepatan angin ditunjukkan dengan adanya
persamaan y = - 0,00041 x + 2,09217. Dari persamaan ini kita dapat mencari nilai
kecepatan angin, tetapi dengan syarat kita telah mengetahui besarnya tegangan
yang ada. Setelah dilakukan perhitungan terhadap persamaan yang ada, ternyata
kecepatan angin dapat dihitung melalui persamaan tersebut dengan menggunakan
tegangan waktu.
C. Analisis Grafik
Setelah melakukan percobaan ini, maka kami dapat memperoleh tujuh buah
grafik, diantaranya yaitu enam buah grafik yang menghubungkan waktu dengan
tegangan hotwire untuk masing masing kecepatan aliran udara. Grafik pertama
pada percobaan ini menggambarkan hubungan antara tegangan dan waktu. Waktu
yang digunakan dalam grafik yaitu selama 10 detik. Dengan menggunakan metode
least square praktikan dapat menentukan gradien pada persamaan antara tegangan
dan waktu. Dimana dari persamaan ini kita dapat mencari seberapa besar nilai
kecepatan angin menggunakan hotwire. Gradien persamaan garis ketika V= 0 m/s
yaitu y = 2,112 . Gradien persamaan garis ketika V= 70 m/s yaitu y = 1E-04x +
2,0495. Gradien persamaan garis ketika V= 110 m/s yaitu y = -5E-05x + 2,0309.
Gradien persamaan garis ketika V= 150 m/s yaitu y = -5E-05x + 2,0227. Gradien
persamaan garis ketika V= 190 m/s yaitu y = -3E-16x + 2,0154. Gradien persamaan
garis ketika V= 230 m/s yaitu y = 2E-05x + 2,0118.
Pada grafik hubungan antara tegangan hot wire dengan waktu, waktu
berfungsi sebagai variabel X dan tegangan didefinisikan sebagai variabel Y
menunjukkan bahwa kecepatan angin yang diiberikan oleh kipas angin tetap,
sehingga semakin lama angin bertiup maka energi kalor yang dihasilkan menjadi
lebih kecil. Jadi nilai tegangan akan menjadi lebih kecil seiring dengan
penambahan waktu yang ada. Penurunan ini terjadi karena ada disipasi dari kalor
hotwire yang terjadi pada kecepatan angin tertentu.
Analisis grafik kedua yaitu merupakan grafik hubungan antara tegangan
listrik pada hotwire dan kecepatan aliran udara. Dengan metode Least Square,
praktikan memperoleh gradien garis literatur / acuan untuk persamaan kecepatan
udara tiap detik yang bernilai negatif (-). Sehingga diperoleh persamaan y = -
2034,8x + 4276,8. Hal ini membuktikan bahwa tegangan listrik dari hotwire
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 15
berkurang ketika kecepatan aliran udara bertambah. Dapat terlihat bahwa
kecepatan aliran udara berbanding terbalik dengan tegangan. Hal ini dapat terlihat
dari persamaan grafik yang di dapat dari metode leastsquare yaitu: y = - 0,00041 x
+ 2,09217
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 = -0.00041x + 2.09217
didapat dengan menggunakan metode least-square, untuk membuat persamaan
umum grafik tersebut dengan jarak simpangan yang sangat kecil. Gradien (m) dan
nilai konstanta(b), Dengan x pada kasus ini adalah tegangan, dan y adalah
kecepatan aliran angin.
D. Analisis Kesalahan
Dalam praktikum hotwire ini, ketika alat diberikan kecepatan angin secara
konstan, seharusnya nilai tegangan yang didapat menampilkan nilai yang sama.
Namun, pada percobaan ini hasil yang didapat mengalami sedikit interval yang
cukup signifikan yaitu berkisar sekitar 0,001. Hal ini mungkin disebabkan karena
alat yang belum dikalibrasi oleh praktikan. Selain itu Berdasarkan perhitungan
yang ada, praktikan mendapatkan nilai kesalahan sebesar 0,63 %. Kesalahan ini
dapat dibilang cukup kecil. Hal ini dapat terjadi karena praktikan tidak
memperhatikan video dari alat yang ditampilkan pada percobaan R-lab. Hal ini
terjadi karena putusnya jaringan java yang ada. Akibat dari tidak melihatnya video
praktikum tersebut ialah ketika memberi kecepatan aliran angin yang berbeda,
sisa dari kecepatan aliran angin awal mempengaruhi nilai tegangan.
Kesalahan tersebut dapat terjadi karena benda berada dalam kondisi ruangan
dimana ruangan tidak tertutup rapat (vakum) sehingga masih ada aliran udara yang
tidak diinginkan. Hal tersebut tentu saja dapat mempengaruhi hasil pengukuran
tegangan karena kecepatan angin memiliki kemungkinan untuk bertambah sedikit
dan tidak tepat dengan kecepatan angin yang seharusnya digunakan. Nilai
resistansi dari kawat yang digunakan juga memiliki daya hambat yang membuat
alat tidak dapat mengukur besar tegangan yang mengalir. Selain itu, kesalahan
juga dapat terjadi karena ketidaktelitian pengukuran serta pembulatan.
Disipasi Kalor Hot Wire (KR01) Page 16
VII. Kesimpulan
Dari percobaan yang telah dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan
berdasarkan tujuan dari praktikum ini, diantaranya :
1. Besarnya energi listrik yang terdisipasi sebanding dengan tegangan , arus
listrik yang mengalir di probe tersebut dan lamanya waktu arus listrik
mengalir.
2. Semakin cepat udara yang mengalir maka perubahan nilai resistansi juga
semakin besar dan arus listrik yang mengalir juga berubah. Semakin cepat
aliran fluida yang mengalir melalui hotwire, maka akan semakin kecil
tegangan yang dialami oleh hot wire.
3. Single normal probe hotwire merupakan salah satu jenis hotwire yang
umumnya digunakan sebagai sensor kecepatan aliran udara dengan
menghubungkan kedua ujung probe dengan sumber tegangan supaya energi
listrik dapat mengalir pada hot wire dan akan didisipasi menjadi energi kalor.
Kalor tersebut yang akan digunakan untuk menghitung kecepatan aliran angin
dengan menjaga suhu sensor agar tetap konstan.
4. Kecepatan angin yang terjadi berbanding terbalik dengan tegangan (V) dan
berbanding lurus dengan arus listrik (I).
5. Persamaan linier kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan adalah y = -
0,00041 x + 2,09217
6. Hotwire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan aliran udara. Syaratnya
kita harus mengetahui besar tegangan yang ada.
VIII. 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.
3. Adrian, R. J., R. E. Johnson, et al. (1984). "Aerodynamic Disturbances of
Hotwire Probes and Directional Sensitivity." Journal of Physics
Engineering: Scientific Instrumentations 17: 62-71.
4. http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01