Hot Wire Dwipuji Rahayu

LAPORAN PRAKTIKUM

Disipasi Kalor Hot Wire

Nama : Dwipuji Rahayu

NPM : 1306368223

Fakultas : Teknik

Departemen/Prodi : Teknik Metalurgi & Material /

Teknik Metalurgi & Material

Kode Praktikum : KR01

Tanggal Praktikum : Jumat, 21 Maret 2014

Minggu Percobaan : IV

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar

(UPP-IPD)

Universitas Indonesia

Depok

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

Pemanfaatkan teknologi hot wire sebagai alat sensor pada pengukuran kecepatan

aliran udara. Alat penyensoran sendiri merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi

energi menjadi energi yang memiliki satuan. Disipasi kalor adalah energi yang hilang dari

suatu sistem dan masuk ke dalam lingkungan karena adanya gesekan, viskositas, hambatan

listrik, histerisis dalam zat magnetic, dan lain- lain. Energi disipasi adalah energi yang hilang

dalam suatu sistem. Hilang yang dimaksudkan disini adalah perubahan energi menjadi energi

lain yang tidak menjadi tujuan dari sistem tersebut. Disipasi energi merupakan energi

mekanik yang ditimbulkan oleh gerakan partikel materi dan dapat berpindah dari satu tempat

ke tempat lain disebut juga sebagai kalor.

Timbulnya energi disipasi secara alamiah tidak dapat dihindari, karena energi berubah

dengan sendirinya sehingga sulit untuk dikontrol. Hubungan kuantitatif antara kalor dan

bentuk lain suatu energi disebut dengan termodinamika. Termodinamika merupakan cabang

fisika yang berkaitan dengan hubungan antara kalor, kerja, dan bentuk lain energi serta

kesetimbangan dalam reaksi fisika dan dalam perubahan keadaan. Hukum Termodinamika I

menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi energi

dapat berubah bentuk. Pada hukum Termodinamika II membahas tentang reaksi spontan dan

tidak spontan. Reaksi spontan yaitu reaksi yang berlangsung tanpa pengaruh dari luar,

sedangkan reaksi tidak spontan tidak terjadi tanpa bantuan pengaruh di luar sistem.

Seiring berkembangnya teknologi, jumlah kalor yang hilang pada suatu sistem dapat

diketahui dengan menggunakan suatu alat. Alat ini bernama anemometer. Anemometer

adalah alat yang digunakan untuk menghitung kecepatan aliran udara. Pada umumnya,

anemometer menggunakan satuan meter per detik (m/s). Jenis-jenis anemometer ada

bermacam-macam. Salah satunya adalah anemometer thermal. Anemometer thermal adalah

salah satu jenis anemometer yang digunakan untuk menghitung kecepatan fluida (angin)

sesaat. Prinsip kerja dari anemometer thermal ini berdasarkan jumlah kalor yang berpindah

secara konvektif dari sensor ke lingkungan di sekitar sensor. Besarnya kalor yang berpindah

dari sensor ke lingkungan berhubungan langsung dengan kecepatan fluida. Bentuk

anemometer yang biasa digunakan adalah jenis Silinder (hotfilm atau hotwire). Hotwire

adalah jenis anemometer yang menggunakan kawat pijar berukuran sangat kecil yang

diberikan panas. Fungsi hotwire selain untuk menghitung kecepatan fluida juga digunakan

untuk mendeteksi temperatur. Bentuk dari hotwire adalah kawat tipis yang bersifat konduktor

dan ditempelkan pada substrat yang bersifat isolator. Sensor hotwire memiliki respon

frekuensi yang tinggi dalam mendeteksi kecepatan angin sesaat ataupun kecepatan angin rata-

rata. Bahan yang umum digunakan untuk hotwire adalah tungsten dan platina, platina-iridium

dan platian-rodium.

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 =𝑹𝒘

𝑹𝒂

Keterangan :

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

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 cm/s.

Cara Kerja

Eksperimen ini dilakukan oleh praktikan dengan mengunjungi link r-lab yang terdapat

pada web sitrampil.ui.ac.id secara online dengan langkah- langkah sebagai berikut :

1. Mengaktifkan Web cam untuk melihat kerja percobaan yang ditampilkan dalam video.

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 di dapat, membuat grafik yang menggambarkan hubungan

Tegangan Hot Wire dengan Waktu untuk tiap kecepatan aliran udara.

2. Berdasarkan pengolahan data, membuat grafik yang menggambarkan hubungan Tegangan

Hotwire dengan Kecepatan aliran angin.

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

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

Hotwire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan angin.

5. Membuat analisis dari hasil percobaan ini.

Data Pengamatan

Tabel 1. Kecepatan Aliran Udara 0 m/s

Waktu

(s)

Kec Angin

(m/s)

V-HW

(Volt)

I-HW

(Ampere)

1 0 2.112 54.1

2 0 2.112 54.4

3 0 2.112 54.4

4 0 2.112 54.2

5 0 2.112 54.0

6 0 2.112 53.9

7 0 2.112 53.9

8 0 2.112 54.0

9 0 2.112 54.2

10 0 2.112 54.4


Waktu (s)

Kec Angin (m/s)

V-HW (Volt)

I-HW (Ampere)

1 70 2.065 55.4

2 70 2.066 55.3

3 70 2.065 55.3

4 70 2.064 55.3

5 70 2.067 55.2

6 70 2.069 55.2

7 70 2.067 55.1

8 70 2.065 55.1

9 70 2.066 55.0

10 70 2.067 54.9


Waktu (s)

Kec Angin (m/s)

V-HW (Volt)

I-HW (Ampere)

1 110 2.048 55.7

2 110 2.047 55.8

3 110 2.047 55.7

4 110 2.047 55.4

5 110 2.047 55.0

6 110 2.048 54.8

7 110 2.048 54.6

8 110 2.047 54.5

9 110 2.047 54.5

10 110 2.047 54.6


Waktu (s)

Kec Angin (m/s)

V-HW (Volt)

I-HW (Ampere)

1 150 2.040 54.7

2 150 2.039 54.8

3 150 2.039 55.0

4 150 2.039 55.4

5 150 2.040 55.5

6 150 2.040 55.8

7 150 2.039 56.0

8 150 2.039 56.0

9 150 2.040 55.9

10 150 2.039 55.7



Waktu

(s) Kec Angin

(m/s) V-HW (Volt)

I-HW (Ampere)

1 230 2.030 55.4

2 230 2.030 55.6

3 230 2.030 55.7

4 230 2.031 55.9

5 230 2.030 56.1

6 230 2.031 56.3

7 230 2.031 56.3

8 230 2.030 56.3

9 230 2.030 56.2

10 230 2.030 56.1

Waktu

(s)

Kec Angin

(m/s)

V-HW

(Volt)

I-HW

(Ampere)

1 190 2.035 55.3

2 190 2.035 55.5

3 190 2.035 55.6

4 190 2.035 55.7

5 190 2.035 55.9

6 190 2.035 56.0

7 190 2.035 56.1

8 190 2.035 56.2

9 190 2.035 56.1

10 190 2.035 56.1

Grafik

Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 0 Volt

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 Volt

0 Volt



2.061

2.062

2.063

2.064

2.065

2.066

2.067

2.068

2.069

2.07

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

70 Volt

70 Volt

2.048

2.047 2.047 2.047 2.047

2.048 2.048

2.047 2.047 2.047

2.0464

2.0466

2.0468

2.047

2.0472

2.0474

2.0476

2.0478

2.048

2.0482

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Waktu

110 Volt



2.04

2.039 2.039 2.039

2.04 2.04

2.039 2.039

2.04

2.039

2.0384

2.0386

2.0388

2.039

2.0392

2.0394

2.0396

2.0398

2.04

2.0402

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Waktu

150 Volt

2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Waktu

190 Volt


Pengolahan Data

Berdasarkan data yang telah diperoleh di dalam percobaan maka akan bisa didapatkan

suatu persamaan linear yang menghubungkan antara besarnya kecepatan angin dan besarnya

tegangan. Persamaan itu dapat diturunkan dari rumus berikut:

𝑽 𝑰 ∆𝒕 = 𝑷

𝑽 𝑰 ∆𝒕 = 𝑭 𝒗

𝒗 = 𝑰 ∆𝒕

𝑭 𝑽

2.03 2.03 2.03

2.031

2.03

2.031

2.03 2.03 2.03 2.03

2.0294

2.0296

2.0298

2.03

2.0302

2.0304

2.0306

2.0308

2.031

2.0312

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Waktu

230 Volt

Tabel Hubungan Kecepatan Angin dengan Tegangan Hot Wire

Tegangan

(Volt)

Kecepatan Angin

(m/s)

2.1122 0

2.0652 70

2.0455 110

2.0386 150

2.035 190

2.0329 230

Dari tabel di atas dibuatlah table least square sebagai berikut :

Keterangan :

Xi : Kecepatan hot wire

Yi : Tegangan Rata-rata

Berikut adalah grafik yang menyatakan hubungan kecepatan angin terhadap fungsi

tegangan Hot Wire :

Dari grafik di atas maka didapatkan sebuah fungsi yang mengggambarkan hubungan

kecepatan angin terhadap tegangan hot wire yaitu

y = -2508x + 5280

Dari perhitungan menggunakan software regresi linear maka didapatkan nilai sesuai rumus

𝜹𝒚 = 𝟑𝟕.𝟓𝟖

𝜹𝒎 = 𝟓𝟓𝟐.𝟕𝟖𝟒

y = -2508.x + 5280.R² = 0.837

-50

0

50

100

150

200

250

2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12

Hubungan Kecepatan Angin vs Tegangan

Hubungan Kecepatan Angin vs Tegangan

Линейная (Hubungan Kecepatan Angin vs Tegangan)

Sehingga didapatkan kesalahan relatif :

𝐾𝑅 = 𝛿𝑚

𝑚 = 122%

Analisis

1. Analisis Percobaan

Percobaan disipasi kalor kawat hot wire ini bertujuan untuk menentukan apakah

kawat hot wire bisa digunakan sebagai sensor pendeteksi kecepatan aliran udara. Percobaan

dilakukan dengan secara online di link sitrampil http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01 dengan

menggunakan alat-alat seperti fan yang berfungsi sebagai sumber angin. Percobaan ini

dilakukan dengan memberi variasi pada kecepatan angin yaitu 0 m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150

m/s, 190 m/s, 230 m/s. Pada saat tidak ada kecepatan angin maka tegangan dan arus yang

mengalir dari sumber tegangan, besarnya masih constant karena tidak terpengaruhi oleh

kecepatan angin. Kemudian fan diatur kecepatannya mulai dari kecepatan yang paling kecil

hingga kecepatan yang paling besar. Dari pemberian variasi kecepatan angin maka tegangan

yang diperoleh dan arus ikut mengalami perubahan. Tegangan cenderung mengalami

penurunan sedangkan arus cenderung mengalami kenaikan. Dari hal ini didapat hubungan

bahwa tegangan berbanding terbalik dengan kecepatan angin dan arus berbanding lurus

dengan kecepatan angin. Hal ini dapat terjadi karena angin yang dihasilkan kipas

mempengaruhi resistansi dari kawat hot wire yang selanjutnya mempengaruhi arus dan

tegangan hot wire. Ketika udara dihembuskan maka ada gaya F dengan kecepatan v yang

bekerja pada kawat hot wire dalam waktu 10 detik. Besar kecilnya resistansi inilah yang

mempengaruhi besarnya nilai kuat arus dan tegangan. Selain itu, fluktuasi tegangan juga

dapat terjadi karena kecepatan angin yang berasal dari kipas tidaklah langsung menuju

kecepatan yang diinginkan, kecepatan itu mengalami percepatan dahulu sebelum mencapai

kecepatan yang diinginkan Hal inilah juga yang menyebabkan mengapa dalam kecepatan

yang sama pun dapat terjadi fluktuasi tegangan. Sebuah kawat yang dihubungkan dengan

sumber tegangan akan didisipasi menjadi energi kalor.

2. Analisis Hasil dan Pengolahan Data

Dari percobaan ini didapatkan hasil hubungan kecepatan angin terhadap tegangan

yang dihasilkan oleh kawat hot wire merupakan sebuah grafik lurus dengan persamaan Y = -

2508x + 5280 dengan x sebagai variable tegangan dan y sebagai variable yang menyatakan

kecepatan aliran angin. Meskipun begitu, ketika diambil data salah satu tegangan dan

disubstitusikan ke dalam persamaan di atas maka tidak bisa didapatkan hasil kecepatan angin

yang sesuai karena grafik didapatkan dari nilai yang paling mendekati.

3. Analisis Grafik

Grafik hubungan kecepatan angin terhadap tegangan merupakan sebuah grafik linear

namun bernilai negatif karena grafiknya dari kanan ke kiri menjadi semakin rendah. Hal ini

sesuai dengan kenyataan bahwa semakin tinggi kecepatan udara menunjukkan bahwa

semakin kecil nilai tegangan sehingga gradien garis bernilai negatif. Dari grafik ini dapat

dianalisis bahwa kawat hot wire dapat digunakan sebagai sensor kecepatan udara karena

kawat ini memberikan variasi tegangan terhadap perubahan kecepatan angin.

Untuk grafik yang menyatakan hubungan tegangan terhadap waktu pada masing-

masing kecepatan menunjukkan sebuah grafik yang bernilai positif karena tegangan

berbanding lurus dengan perubahan waktu sesuai dengan persamaan 𝑃 = 𝑉 𝐼 ∆𝑡. Persamaan

ini menunjukkan hubungan bahwa energy listrik dapat terdisipasi menjadi energy kalor.

Energi listrik per satuan waktu (daya) yang terdisipasi menjadi kalor sebanding dengan

tegangan, arus listrik, dan selisih waktu mengalirnya arus listrik. Gradien dari grafik-grafik

ini juga cukup landai karena pengaruh waktu terhadap tegangan hanya sedikit karena hanya

diambil perubahan waktunya saja.

4. Analisis Kesalahan

Dalam percobaan disipasi kalor hot wire ini kesalahan dalam percobaan sering kali

terjadi, misalnya seiring dengan bertambahnya kecepatan angin, nilai kesalahan pun semakin

besar. Hal ini dikarenakan semakin kecilnya perbedaan tegangan yang terukur sehingga

membutuhkan ketelitian yang lebih tinggi lagi, baik dari alat percobaan maupun pendekatan

rumus untuk penghitungannya. Hal ini dapat dijelaskan sebagaiman keadaan dimana probe

kurang akurat dalam perubahan tegangannya. Bahkan akan semakin kecil seiring dengan

kecepatan angin yang semakin tinggi. Perubahan tegangan yang semakin kecil menyebabkan

voltmeter juga harus mempunyai ketelitian yang semakin tinggi juga.

Dilihat dari bentuk grafiknya, grafik tidak memiliki bentuk linear yang sempurna

melainkan memiliki kelengkungan sehingga tidak bisa dianggap linear seluruhnya. Dari hal

ini maka munculah kesalalahan relatif yang sangat tinggi yaitu mencapai 122%. Selain

kesalahan pendekatan rumus, ada beberapa kesalahan lain yang mungkin menjadi penyebab

timbulnya kesalahan relatif yang cukup besar yaitu antara lain alat-alat praktikum yang tidak

berfungsi dengan baik, singktanya waktu yang diberikan untuk praktikum sementara koneksi

internet berjalan lambat sehingga menyebabkan praktikan terburu-buru mengambil data

percobaan dan juga adanya kesalahan dalam perhitungan dan juga penggunaaan angka

penting.

Kesimpulan

1. Hot wire dapat digunakan sebagai sensor kecepatan aliran udara akan tetapi hasilnya tidak

akan menunjukkan hasil yang presisi.

2. Semakin besar kecepatan angin yang dialirkan pada kawat hot wire, maka semakin rendah

tegangan yang dihasilkan oleh kawat hot wire.

3. Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire adalah y = -2508x +

5280

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://sitrampil3.ui.ac.id/kr01

Documents

Hot Wire Dwipuji Rahayu