BAB II
DASAR TEORI
2.1 Termoelektrik
2.1.1 Sejarah Singkat Termoelektrik
Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah
rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan
diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum
kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck. Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier
untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan,
terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling
berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang
kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.
2.2 Efek-Efek Pendinginan Termoelektrik
2.2.1 Efek Seebeck
Efek Seebeck pertama kali diamati oleh dokter Thomas Johan Seebeck, pada tahun 1821, ketika ia mempelajari fenomena ini terdiri dalam produksi tenaga
listrik antara dua semikonduktor ketika diberikan perbedaan suhu. Panas dipompa ke satu sisi pasangan dan ditolak dari sisi berlawanan. Sebuah arus listrik yang
dihasilkan, sebanding dengan gradien suhu antara sisi panas dan sisi dingin. Perbedaan suhu dingin diseluruh converter menghasilkan arus searah ke beban
menghasilkan tegangan terminal dan arus terminal. Tidak ada energi mencegah
Universitas Sumatera Utara
proses konversi. Untuk alasan ini, pembangkit
listrik termoelektrik diklasifikasikan langsung sebagai daya konversi.
Efek seebek terjadi ketika suatu logam dengan beda temperatur antara kedua ujungnya. Ketika logam tersebut di sambung, maka akan terjadi beda
potensial diantara kedua ujungnya. Efek ini digunakan dalam aplikasi termokopel
.
Gambar 2.1 Skema Efek Seebek pada suatu bahan
Koefisien seebeck S disebut juga daya termoelektrik, seperti pada persamaan berikut:
2.1 Keterangan:
S = Koefisien seebeck [Volt
o
K] = Potential termoelektri terinduksi
[Volt] T = Temperatur
[
o
K]
2.2.2 Efek Joule
Perpindahan panas dari sisi dalam pendingin ke sisi luarnya akan mengakibatkan timbulnya arus listrik dalam rangkaian tersebut karena adanya efek seebeck, maka
hal inilah yang dinamakan efek joule. Dalam hal ini sesuai dengan hukum ohm, efek joule dirumuskan pada persamaan berikut:
Qj = I
2
. R 2.2
Keterangan: Qj = Efek joule panas joule
[Watt] I = Arus
[Ampere] R = Tahanan
[Ohm]
Universitas Sumatera Utara
2.2.3 Efek Konduksi
Panas akan merambat secara konduksi dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Perambatan tersebut bersifat irreversible dan disebut efek
konduktivitas. Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan: q
c
= U.T
h
-T
c
2.3 Keterangan:
q
c
= Laju aliran panas [Watt]
U = Konduktivitas thermal [Watt
o
K] T
1
= Temperatur hot junction [
o
K] T
o
= Temperatur cold junction [
o
K]
2.2.4 Efek Peltier
Jean Charles Peltier pada tahun 1834 telah mendasari efek termoelektrik. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah
rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya.
Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier.
Pada saat arus mengalir melalui thermocouple, temperature junction akan berubah dan panas akan diserap pada satu permukaan, sementara permukaan yang
lainnya akan membuang panas. Jika sumber arus dibalik, maka permukaan yang panas menjadi dingin dan sebaliknya. Gejala ini disebut efek peltier yang
merupakan dasar pendinginan termoelektrik. Dari percobaan diketahui bahwa perpindahan panas sebanding terhadap arus yang mengalir. Persamaan dari efek
adalah sebagai berikut: 2.4
Keterangan: = Koefisien peltier
[Volt] Q = Beban perpindahan panas dari junction
[Watt] I
ab
= Arus [Ampere]
Universitas Sumatera Utara
2.2.5 Efek Thomson
Pada tahun 1854 seorang berkebangsaan Inggris yang bernama William Thomson mengemukakan hasil penelitiannya bahwa terdapat penyerapan atau pengeluaran
panas bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan dalam
persamaan berikut: 2.5
Keterangan: = Koefisien Thomson
Q = Beban perpindahan panas yang diserap konduktor [Watt]
I = Arus [Ampere]
= Perbedaan temperature [
o
K] H.J. Goldsmid, 1960
2.3 Elemen Termoelektrik Peltier
Semikonduktor adalah bahan pilihan untuk termoelektrik yang umum dipakai. Bahan semikonduktor termoelektrik yang paling sering digunakan saat ini adalah
Bismuth Telluride Bi2Te3 yang telah diolah untuk menghasilkan blok atau
elemen yang memiliki karakteristik individu berbeda yaitu N dan P.
Bahan termoelektrik lainnya termasuk Timbal Telluride PbTe, Silicon Germanium
SiGe dan Bismuth-Antimony SbBi adalah paduan bahan yang dapat digunakan dalam situasi tertentu. Namun, Bismuth Telluride adalah bahan
terbaik dalam hal pendinginan. Bismuth Telluride memiliki dua karakteristik yang patut dicatat. Karena struktur kristal, Bismuth Telluride sangat anisotropic.
Perilaku anisotropic perlawanan lebih besar daripada konduktivitas termalnya. Sehingga anisotropic ini dimanfaatkan untuk pendinginan yang optimal.
Karakteristik lain yang menarik dari Bismuth Telluride adalah kristal Bismuth Telluride
Bi2Te3 terdiri dari lapisan heksagonal atom yang sama. Termoelectrik dibangun oleh dua buah semikonduktor yang berbeda, satu tipe N dan yang
lainnya tipe P. mereka harus berbeda karena mereka harus memiliki kerapatan elektron yang berbeda dalam rangka untuk bekerja. Kedua semikonduktor
Universitas Sumatera Utara
diposisikan paralel secara termal dan ujungnya digabungkan dengan lempeng pendingin biasanya lempeng tembaga atau aluminium.
Elemen termoelektrik merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban. Dari
perbedaan suhu yang ada pada tiap junction ditiap semikonduktor tersebut akan menyebabkan electron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin.
Jika pada batang logam semikonduktor berlaku prinsip kedua efek efek Seeback dan efek Peltier, batang semikonduktor dipanaskan dan didinginkan
pada dua semikonduktor tersebut, maka electron pada sisi panas semikonduktor akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan
dengan sisi dingin semikonduktor. Dengan kecepatan yang lebih tinggi pula, maka electron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan
timbulnya medan elektrik pada semikonduktor tersebut. Elemen peltier atau pendingin termoelektrik thermoelektrik cooler
merupakan alat yang adapat menimbulkan perbedaan sushu antara kedua sisinya jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya. Dalam hal ini
refrigerasi, keuntungan utama dari elemen peltier adalah tidak adanya bagian yang bergerak atau cairan yang bersikulasi dan ukurannya kecil serta bentuknya sangat
mudah untuk direkayasa. Sedangkan kekurangan dari elemen peltier ada pada faktor efisiensi daya yang rendah dan biaya perancangan sistem masih relatif
mahal. Namun kini banyak peneliti yang sedang mencoba mengembangkan elemen peltier yang lebih murah dan juga efisien. Rio Wirawan, 2012
Gambar 2.2 Penampang Termoelektrik
Sumber: Www.Tellurex.Com
Universitas Sumatera Utara
2.4 Prinsip Kerja Termoelektrik
Kategori