laporan praktikum kr 01_imas mega pratiwi
DESCRIPTION
Laporan Mengenai Disipasi Kalor Fisika Dasar 1TRANSCRIPT
-
Laporan Praktikum
Fisika Dasar
Nama/NPM : Imas Mega Pratiwi / 1306370524
Fakultas/Program Studi : Teknik / Teknik Kimia
Grup : A6
No & Nama Percobaan : KR01 / Disipasi Kalor Hot Wire
Minggu Percobaan : Pekan 4
Tanggal Percobaan : 20 Maret 2014
Laboratorium Fisika Dasar
UPP IPD
Universitas Indonesia
Depok, 2014
-
KR01 - Disipasi Kalor Hot Wire
I. TUJUAN
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
II. ALAT
1. Kawat pijar (hotwire)
2. Fan
3. Voltmeter dan Ampmeter
4. Camcorder
5. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
-
III. TEORI
Anemometer atau anemograf terdiri dari dua tipe yaitu anemometer yang
mengukur kecepatan angin (velocity anemometer) dan anemometer yang mengukur
tekanan angin (anemometer tekanan). Dari kedua type anemometer ini velocity
anemometer lebih banyak digunakan. Salah satu jenis dari velocity anemometer adalah
thermal anemometer lebih dikenal dengan hot wire anemometer (HWA) yaitu
anemometer yang mengkonversi perubahan suhu menjadi kecepatan angin.
Dalam mengukur kecepatan aliran udara, tipe Hot Wire Anemometer yang
biasanya digunakan adalah Single Normal Probe. 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 t
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 :
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.
E2=A+BU
n
A dan B : Konstanta kalibrasi
E : Tegangan Hotwire
n : Konstanta pangkat (n=0.5)
U : Komponen kecepatan aksial
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.
Gambar 6. Disipasi Kalor Hotwire
-
IV. CARA KERJA
Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di
bagian bawah halaman ini.
1. Mengaktifkan Web cam ! (klik icon video pada halaman web r-Lab) !
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s , dengan mengklik pilihan
drop down pada icon atur kecepatan aliran.
3. Menghidupkan motor pengerak kipas dengan mengklik 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
-
V. TUGAS & EVALUASI
1. Berdasarkan data yang didapat, membuat grafik yang menggambarkan hubugan
tegangan hotwire dengan waktu untuk tiap kecepatan aliran udara.
2. Berdasarkan pengolahan data diatas, 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, apakah kita dapat menggunakan
hotwire sebagai pengukur kecepatan angin?
5. Memberi analisis dari hasil percobaan ini.
VI. HASIL PENGAMATAN
Berdasarkan pengamatan yang telah dilakukan dengan menjadikan kecepatan
angin sebagai variabel bebas, maka didapatkan beberapa hasil pengamatan sebagai
berikut :
Tabel 1. Hasil Pengamatan dengan Kecepatan Angin Sebesar 0 m
/s .
Tabel 2. Hasil Pengamatan dengan Kecepatan Angin Sebesar 70 m
/s .
Waktu Kec Angin V-HW I-HW
1 0 2.112 54.3
2 0 2.112 54.5
3 0 2.112 54.5
4 0 2.112 54.4
5 0 2.112 54.2
6 0 2.112 54.0
7 0 2.112 54.0
8 0 2.112 53.9
9 0 2.112 53.9
10 0 2.112 53.9
Waktu Kec Angin V-HW I-HW
1 70 2.062 54.5
2 70 2.063 54.9
3 70 2.063 55.1
4 70 2.066 55.3
5 70 2.062 55.5
6 70 2.065 55.3
7 70 2.065 55.2
-
Tabel 3. Hasil Pengamatan dengan Kecepatan Angin Sebesar 110 m
/s .
Tabel 4. Hasil Pengamatan dengan Kecepatan Angin Sebesar 150 m
/s .
Tabel 5. Hasil Pengamatan dengan Kecepatan Angin Sebesar 190 m
/s .
8 70 2.064 55.1
9 70 2.066 54.8
10 70 2.064 54.6
Waktu Kec Angin V-HW I-HW
1 110 2.047 54.5
2 110 2.047 54.5
3 110 2.046 54.5
4 110 2.047 54.4
5 110 2.047 54.4
6 110 2.047 54.4
7 110 2.047 54.4
8 110 2.049 54.4
9 110 2.047 54.4
10 110 2.046 54.4
Waktu Kec Angin V-HW I-HW
1 150 2.040 54.5
2 150 2.040 54.5
3 150 2.039 54.5
4 150 2.040 54.5
5 150 2.039 54.6
6 150 2.040 54.6
7 150 2.039 54.7
8 150 2.040 54.7
9 150 2.040 54.7
10 150 2.040 54.9
Waktu Kec Angin V-HW I-HW
1 190 2.036 56.2
2 190 2.036 56.1
3 190 2.036 56.0
4 190 2.035 55.9
5 190 2.036 55.8
6 190 2.036 55.5
7 190 2.036 55.4
8 190 2.036 55.3
9 190 2.036 55.1
10 190 2.036 55.1
-
Tabel 6. Hasil Pengamatan dengan Kecepatan Angin Sebesar 230 m
/s .
VII. PENGOLAHAN DATA
Setelah melakukan percobaan, praktikan mendapatkan hasil seperti yang telah
disajikan sebelumnya. Berikut ini adalah pengolahan data dari hasil percobaan.
y = 2112 R =0
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (Sekon)
Grafik Hubungan Antara Waktu dan Tegangan Hot Wire pada Kecepatan
Angin 0 m/s
Tegangan Hotwire padaKecepatan 0 m/s
Linear (TeganganHotwire pada Kecepatan0 m/s )
Waktu Kec Angin V-HW I-HW
1 230 2.034 55.2
2 230 2.034 55.3
3 230 2.034 55.3
4 230 2.034 55.3
5 230 2.034 55.3
6 230 2.034 55.2
7 230 2.034 55.2
8 230 2.034 55.1
9 230 2.034 55.1
10 230 2.034 55.0
y = 0,2667x + 2062,5 R = 0,2933
2.060
2.061
2.062
2.063
2.064
2.065
2.066
2.067
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (sekon)
Grafik Hubungan Antara Waktu dan Tegangan Hot Wire pada Kecepatan
Angin 70 m/s
Tegangan Hotwire padaKecepatan Angin 70 m/s
Linear (TeganganHotwire pada KecepatanAngin 70 m/s)
-
y = 0,0364x + 2046,8 R = 0,0182
2.045
2.045
2.046
2.046
2.047
2.047
2.048
2.048
2.049
2.049
2.050
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (Sekon)
Grafik Hubungan Antara Waktu dan Tegangan Hotwire pada Kecepatan Angin
110 m/s
Tegangan Hotwire padaKecepatan Angin 110 m/s
Linear (Tegangan Hotwirepada Kecepatan Angin110 m/s)
y = 0,0182x + 2039,6 R = 0,013
2.038
2.039
2.039
2.039
2.039
2.039
2.040
2.040
2.040
2.040
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (Sekon)
Grafik Hubungan Antara Waktu dan Tegangan Hotwire pada Kecepatan Angin
150 m/s
Tegangan Hotwire padaKecepatan Angin 150 m/s
Linear (Tegangan Hotwirepada Kecepatan Angin150 m/s)
-
y = 0,0182x + 2035,8 R = 0,0303
2.034
2.035
2.035
2.035
2.035
2.035
2.036
2.036
2.036
2.036
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (Sekon)
Grafik Hubungan Antara Waktu dan Tegangan Hotwire pada Kecepatan Angin
190 m/s
Tegangan Hotwire padaKecepatan Angin 190 m/s
Linear (Tegangan Hotwirepada Kecepatan Angin 190m/s)
y = 2034 R = 0
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (Sekon)
Grafik Hubungan Waktu danTegangan Hotwire pada Kecepatan Angin 230 m/s
Tegangan Hotwire padaKecepatan Angin 230 m/s
Linear (Tegangan Hotwirepada Kecepatan Angin 230m/s)
-
1.980
2.000
2.020
2.040
2.060
2.080
2.100
2.120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Rat
a-ra
ta T
ega
nga
n H
otw
ire
(V
)
Waktu (Sekon)
Grafik Hubungan Rata-rata Tegangan Hotwire Dengan Waktu
Tegangan HW KecepatanAngin 0 m/s
Tegangan HW KecepatanAngin 70 m/s
Tegangan HW KecepatanAngin 110 m/s
Tegangan HW KecepatanAngin 150 m/s
Tegangan HW KecepatanAngin 190 m/s
Tegangan HW KecepatanAngin 230 m/s
1.980
2.000
2.020
2.040
2.060
2.080
2.100
2.120
0 70 110 150 190 230
Tega
nga
n H
otw
ire
Rat
a-r
ata
Kecepatan Angin
Grafik Hubungan Tegangan Hotwire Rata-rata terhadap Setiap Kecepatan Angin
Tegangan Hotwire Rata-rata terhadap KecepatanAngin
Berdasarkan data-data hasil pengamatan tersebut, maka didapatkan rata-rata
nilai tegangan hotwire terhadap waktu pada tiap-tiap perbedaan kecepatan angin yang
digunakan sebagai berikut.
Tabel 7. Rata-rata tegangan Hotwire terhadap Kecepatan Angin
Kecepatan Angin Rata-Rata Tegangan HotWire
0 m/s 2,112
70 m/s 2,064
110 m/s 2,047
150 m/s 2,040
190 m/s 2,036
230 m/s 2,034
-
Persamaan grafik di atas dapat dicari menggunakan metode least square
dengan rumus umum garis:
Metode least square diguanakan untuk mencari gradien (nilai m) serta nilai C
dari grafik tersebut.
Dalam pengolaha data kali ini, praktikan menggunakan variabel y sebagai
tegangan rata-rata, dan variabel x sebagai kecepatan angin.
Tabel 8. Least Square
x y x2 y2 xy
0 2.112 0 4460544 0
70 2.064 4900 4260096 144480
110 2.047 12100 4190209 225170
150 2.040 22500 4161600 306000
190 2.036 36100 4145296 386840
230 2.034 52900 4137156 467820
750 12333 128500 25354901 1530310
Berdasarkan data pada tabel diatas, maka didapatkan nilai persamaan garis
sebagai berikut.
-
Jadi persamaan linear garis yang didapatkan adalah:
y = -0.00033x + 2.09620
Dan untuk persamaan kecepatan aliran angin adalah:
Kesalahan Relatif = |
|
Kesalahan Relatif = |
|
|
|
VIII. ANALISIS
1) Analisis Percobaan
Percobaan KR 01 Disipasi Kalor Hot Wire ini dilakukan praktikan
secara online dengan cara masuk pada website http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01.
Hal ini dilakukan dengan syarat dimana praktikan harus terhubung dengan
jaringan internet. Percobaan berjenis Radio-Lab ini juga menyarankan
pengguna untuk memiliki aplikasi Java agar bisa mengaktifkan video yang
ada. Karena video tersebut sangat membantu khususnya bagi praktikan untuk
melihat perubahan tegangan pada kawat hotwire ketika diberi aliran arus
-
listrik. Percobaan KR 01 ini bertujuan untuk menggunakan hot wire sebagai
sensor kecepatan aliran udara. Dari percobaan ini pula dapat diketahui
hubungan antara kecepatan udara yang bervariasi dengan tegangan.
Percobaan ini dimulai dengan cara praktikan login ke dalam situs R-lab
tersebut. Ketika memasuki jendela percobaan, praktikan akan menemui daftar
rangkaian alat-alatyang akan digunakan pada percobaan kali ini. Alat-alat yang
dibutuhkan yaitu kawat pijar, voltmeter & amperemeter, adjustable power
supply, fan, camcorder, fan, unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali
otomatis. Rangkaian yang ditampilkan berupa tabung tembus pandang yang
dilintasi oleh sebuah kawat tipis. Pada ujung tabung terdapat kipas angin (fan)
yang berguna untuk memvariasi kecepatan aliran udara dengan memvariasi
arus listrik yang diberikan. Kawat tersebut terintegrasi dengan voltmeter yang
menjadi indikator untuk menunjukan harga dari sebuah tegangan.
Kecepatan angin pada fan menjadi variabel bebas dalam praktikum ini.
Dalam percobaan ini kecepatan angin dapat diatur dengan mengklik menu
dropdown pada ikon atur kecepatan angin. Kecepatan yang digunakan
bervariasi dari mulai 0 m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150 m/s, 190 m/s dan 230 m/s.
Lalu setelah mengatur kecepatan fan, praktikan menghidupkan power supply
fan dengan mengklik radio buttom nya. Untuk masing-masing kecepatan dilakukan pengukuran setiap detiknya
sebanyak sepuluh data. Tujuannya agar didapatkan hubungan antara kecepatan
angin dengan tegangan. Karena tegangan disini menjadi variabel terikat
terhadap masing-masing kecepatan angin. Tegangan di dalam kawat akan menghasilkan energi listrik yang akan
didisipasi menjadi energi kalor oleh kawat yang nantinya akan digunakan
untuk mempertahankan suhu pada sensor agar konstan yang bertujuan untuk
menghitung kecepatan angin. Ketika angin telah dihembuskan pada hotwire,
maka angin tersebut akan menerpa kawat pijar dengan kecepatan dan gaya.
Adanya terpaan angin yang terjadi pada kawat ini akan menyebabkan
terjadinya perubahan resistansi pada kawat yang hubungannya berbanding
lurus dengan kecepatan angin yang mengalir.
2) Analisis Hasil
Setelah melakukan percobaan, data percobaan yang didapatkan pada
masing-masing kecepatan berupa tegangan Hot wire (V-HW), arus listrik Hot
wire (I-HW) di setiap detiknya. Pada kecepatan 0 m/s dihasilkan tegangan
yang bernilai konstan yaitu 2,112 V. Namun pada saat fan dinyalakan
dengang kecepatan yang bervariasi terjadi perubahan tegangan yang tidak
beraturan. Hal ini disebabkan adanya aliran fluida yang bertipe aliran
turbulen yang melalui kawat sehingga mempengaruhi besar tegangan yang
dihasilkan. Aliran turbulen tersebut yang dihasilkan berawal dari fan yang
-
menghasilkan aliran radial lalu mengenai penghalang berupa kawat hotwire
yang membuat aliran menjadi bertipe turbulen.
Aliran yang dihembuskan dengan kecepatan tinggi tersebut
menhasilkan sebuat tumbukan pada pipa. Tumbukan-tumbukan tersebut juga
terjadi antar partikel sehingga menimbukan gerak brown. Gerak brown
merupakan ciri dari aliran turbulen. Sehingga ketika hotwire dialiri dengan
fluida yang turbulen, maka akan terjadi perpindahan panas secara konveksi
yang sedikit tidak teratur. Hal ini direpresentasikan dengan nilai tegangan
yang fluktuatif terhaadap waktu untuk masing-masing kecepatan aliran udara.
Pada hasil perbandingan antara kecepatan aliran angin terhadap tegangan
ditunjukkan bahwa semakin besar kecepatan angin yang melalui kawat
hotwire, maka semakin kecil tegangan yang melalui kawat hotwire tersebut.
Hal ini juga terlihat dari data hubungan kecepatan angin dengan rata-rata
tegangan yang dihasilkan.
Penyebab adanya penurunan tegangan tersebut adalah karena adanya
perpindahan energi kalor secara konveksi yang terjadi saat fluida melalui kawat. Semakin tinggi kecepatan fluida, maka akan banyak panas yang terdisipasi dengan fluida yang mengalir tersebut. Panas yang terdisipasi dengan terserapnya panas oleh fluida. Perpindahan panas ini kemudian akan menghasilkan perubahan suhu yang semakin besar dengan nilai minus. Sehingga ketika dikonversi ke dalam persamaan energi listrik akan menghasilkan tegangan yang semakin kecil. Dengan sifat hotwire yang sangat sensitif terhadap kecepatan angin, baik laminer maupun turbulen, maka kawat hotwire ini sangat baik untuk menentukan kecepatan angin yang terjadi. Karena alat tersebut menghasilkan respons yang cepat pada voltmeter dan dapat dipantau untuk pendataan setiap detiknya.
3) Analisis Grafik
Dalam praktikum ini terdapat dua jenis grafik yaitu grafik dari tiap-tiap
kecepatan yang menampilkan hubungan dari waktu dan tegangan yang
dihasilkan oleh tiap-tiap kecepatan tersebut. Kemudian terdapat grafik dari
gabungan kecepatan dengan rata-rata tegangan di tiap kecepatan angin.
Kecepatan Angin Rata-Rata Tegangan HotWire
0 m/s 2,112
70 m/s 2,064
110 m/s 2,047
150 m/s 2,040
190 m/s 2,036
230 m/s 2,034
-
Pada grafik untuk kecepatan angin 0 m/s terlihat bahwa tegangan yang
dihasilkan konstan yaitu bernilai sama 2,112 V. Hal ini disebabkan karena
tidak adanya aliran udara yang mengalir menyebabkan tidak adanya
perpindahan kalor secara konveksi antara kawat hotwire dengan fluida.
Pada grafik antara waktu dengan tegangan yang diberi kecepatan aliran
udaara seharusnya tetap konstan atau setidaknya berbanding terbalik. Konstan
jika aliran yang terjadi laminer dengan kecepatan aliran udara juga konstan,
sehingga perpindahan kalor terjadi secara merata terhadap setiap partikel
fluida yang mengalir. Berbanding terbalik jika fluida yang dialirkan memiliki
intensitas waktu yang cukup lama untuk mengalir melalui kawat hotwire.
Karena semakin lama waktu fluida mengalir, maka semakin banyak kalor yang
terdisipasi oleh fluida tersebut.
Persamaan yang didapatkan dari grafik hubungan antara kecepatan angin dengan rata-rata tegangan melalui metode least square. Dari metode ini didapati persamaan hubungan tegangan rata-rata dengan kecepatan angin yaitu
y = -0.00033x + 2.09620
Dari persamaan ini, x bernilai (-) yang berarti hubungan antara
kecepatan angin dengan tegangan berbanding terbalik.
4) Analisis Kesalahan
Dalam mengkalibrasikan kecepatan aliran udara menggunakan sistem
persamaan simple power law akan menghasilkan persamaan polinomial. Karena
yang praktikan ketahui dengan menggunakan metode least square, maka untuk
mengkalibrasi kecepatan aliran tidak cukup dengan metode tersebut sebab metode
tersebut hanya menghasilkan persamaan linear.
Dalam setiap data yang dihasilkan, praktikan mendapatkan data tegangan
yang fluktuatif pada kecepatan aliran yang sama. Terlihat dari tegangan pada
kecepatan 70 m/s hingga 230 m/s. Dari data yang diperoleh pada setiap detiknya,
dengan kecepatan yang sama pada kecepatan 70 m/s 190 m/s, tegangan yang
dihasilkan tidak konstan. Namun pada kecepatan 230 m/s, tegangan yang
dihasilkan kembali konstan. Praktikum ini juga memiliki kesalahan relatif sebesar
22.12%.
Pada saat melakukan percobaan terdapat kesalahan yang terjadi yang
disebabkan oleh koneksi internet yang tidak stabil. Hal ini ditandai dengan
munculnya tulisan Komunikasi bermasalah, kontak administrator sehingga
praktikan terhambat dalam memperoleh data percobaan.
-
IX. KESIMPULAN
Dengan mengolah data tersebut, maka dapt disimpulkan bahwa:
Kawat hot wire dapat digunakan untuk alat pengukur kecepatan angin dengan sensornya yang sensitif yang langsung mengkonversikan
kecepatan angin ke dalam bentuk tegangan.
Kecepatan angin yang berbeda membuat tegangan yang dihasilkan berbeda dan hubungan antara keduanya adalah berbanding terbalik.
Kecepatan aliran fluida terhadap waktu dapat konstan atau berbanding terbalik. Konstan jika kecepatan aliran v = 0 m/s dan berbanding terbalik
jika waktu saat fluida mengalir sangat lama, sehingga mendisipasikan
kalor lebih banyak.
Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire adalah
X. DAFTAR PUSTAKA Anonymous. Disispasi Kalor Hot wire, [Online], Dari: http://sitrampil.ui.ac.id/elaboratory/kuliah/view_experiment.php?id=10565&exp=48 [23 Maret 2014] Anonymous (2006) . Rancang Bangun Hot Wire Anemometer Single Normal Probe, [Online], Dari : http://digilib.its.ac.id/ITS-Undergraduate-3100011042311/13906 [23 Maret 2014]