LAPORAN RESMI PRAKTIKUM FISIKA INDUSTRI
LAPORAN RESMI PRAKTIKUM
FISIKA INDUSTRI
DISUSUN OLEH :
NAMA
: ANDREAS KAWAR SEMBIRING B
NIM
: 14/17112/THP
JURUSAN
: TEKNOLOGI HASIL PERTANIAN
KELOMPOK
:V
ACARA V
: TERMOKOPEL
CO.ASS
: NURLAILA FATMAWATI
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN STIPER
YOGYAKARTA
2015
I.
Acara
II.
Tanggal
: Termokopel
: 09 Maret 2015
III. Tujuan
1. Untuk memahami timbulnya gerak energi listrik yang diakibatkan dari
perbedaan suhu.
2. Membuat pengalih ragaman nilai tegangan keluaran termokopel
kebesaran suhu.
3. Mengukur suhu benda
IV. Dasar Teori
Prinsip kerja termokopel berdasar pada sebuah fenomena fisika yang
disebut thermoelectric effect. Thermoelectric effect merupakan efek yang
berhubungan dengan konversi dari perbedaan temperatur menjadi tegangan
listrik dan sebaliknya. Penemuan thermoelectric effect merupakan hasil dari
eksperimen tiga ilmuwan yang berbeda, yaitu Thomas Johann Seebeck
(1821) dari Jerman, Jean Charles Peltier (1834) berkebangsaan Prancis, dan
W. Thompson (1851)yang melanjutkan penemuan Lord Kelvin tentang arus
termal ( Tipler, 1998 )
Penemuan Termokopel pada awal 1820, Thomas Seebeck mencoba
mencari relasi antara kelistrikan dan panas. Pada tahun 1821 ia
menggabungkan dua kabel konektor dari metal yang berbeda membentuk
sebuah loop rangkaian di mana ujung dari tiap kabel dari metal beda jenis
dihubungkan. Ketika ada perbedaan temperatur antara kedua sambungan
metal, ternyata rangkaian tersebut dapat membelokkan jarum kompas
(terinduksi medan magnet). Kemudian, ia menyebutnya thermomagnetic
effect.
Kemudian
seorang
Fisikawan
Denmark
bernama
Oersted
mengoreksinya dengan menamakan efek tersebut thermoelectric effect, dan
percobaannya menghasilkan tegangan berkisar mikrovolt per Kelvin. Efek
ini secara khusus kemudian disebut Seebeck Effect.
Kemudian Peltier (1834) menemukan keberadaan panas pada
sambungan
listrik yang terbuat dari dua metal berbeda. Efek ini
dinamakan sama dengan namanya.
Saat
aliran
arus
listrik
melalui
sambungan metal yang terbuat dari Efek tersebut dikemukakan oleh ahli
fisika Thomson, Peltier dan Seebeck, dalam kaitan matematis.
VAB = (πAB)T2 - (πAB)T1 +
A
-
B
)
VAB = beda potensial antara kedua ujung kawat.
(πAB)T = tenaga gerak listrik Peltier pada suhu T
σAB = konduktivitas chromel (A) dan alumel (B)
Persamaan di atas memperlihatkan bahwa Vab
dan mudah diukur bila
akan bernilai besar
a b atau a b . dasar inilah yang
digunakan untuk memilih 2 jenis kawat guna membuat termokopel sebagai
alat ukur suhu.
material A dan material B, dihasilkan panas dari metal A dan diserap oleh
metal B searah dengan aliran arus listrik. Lalu, W. Thompson (1851)
melengkapi penjelasan thermoelectric effect ini dengan menjelaskan
keterkaitan pemanasan dan pendinginan konduktor arus listrik dengan
gradient temperatur konduktor tersebut.
Fenomena di atas dapat terjadi karena saat salah satu ujung material
konduktor dipanaskan sehingga temperaturnya lebih tinggi dibandingkan
ujung yang lain, elektron di ujung sisi yang panas memiliki energi termal
yang lebih tinggi dibandingkan elektron di ujung yang lebih dingin. Elektron
dengan energi ini lebih besar ini kemudian “menyebar”, sampai di ujung
ujung yang lebih dingin. Namun, kenetralan atom tetap terjaga, sehingga
distribusi elektron ini membentuk muatan negative pada ujung dingin
(keberadaan elektron yang banyak) dan muatan positif pada ujung yang
panas (karena holes, kekosongan elektron pada atomnya). Maka sebagai
konsekuensinya terbentuk tegangan elektrostatik yang berhubungan dengan
redistribusi elektron akibat energi termal.
Penjelasan secara kuantum dengan matematika yang kompleks memang
diperlukan untuk memahami gerak elektron ini, namun secara sederhana
dapat dijabarkan sebagai berikut. Jika ujung suatu logam dipanaskan maka
elektron pada ujung yang dipanaskan akan memiliki energi yang cukup
untuk berpindah orbit. Perpindahan orbit ini adalah dari ujung yang
dipanaskan menuju ujung yangtidak dipanaskan. Perpindahan elektron inilah
yang mengakibatkan ujung yang dipanaskan memiliki polaritas yang lebih
positif dibandingkan ujung yang tidak dipanaskan sehingga peristiwa ini
menimbulkan tegangan. Hukum ini berlaku pada setiap logam yang memiliki
ujung yang berbeda suhu ( Nugroho, 2009 )
Termopower (Thermoelectric Sensitivity, Seebeck Coefficient), hasil
percobaan Seebeck menunjukkan bahwa jika yang digunakan sebagai
konduktor adalah dua material yang sama, meskipun panjangnya berbeda,
tidak dapat menghasilkan tegangan listrik. Ini adalah sebuah sifat yang unik
dari fenomena yang ditemukannya. Namun, jika digunakan dua buah
material yang berbeda dengan memvariasikan perbedaan temperatur di tiap
ujungnya, thermoelectric effect dapat diamati. Ini menunjukkan tiap material
memiliki suatu sifat sensitivitas terhadap panas yang disebut thermoelectric
sensitivity, thermopower, atau Seebeck Coefficient (S). Secara matematis:
V12 = S x (TH - TC)
Dimana V12 adalah tegangan listrik antara ujung panas dengan ujung
dingin. Efek Seebeck pada dua konduktor dengan koefisien Seebeck yang
sama. Hal ini karena ∑ V = Sa x (TH - TC) - Sb x (TC - TH) = 0(karena Sa =
Sb).
Nilai koefisien Seebeck (Sa) suatu konduktor tergantung pada struktur
material bahannya. Berarti jika bahan berbeda maka memiliki Sa yang
berbeda pula. Secara teoritis Sa nilainya konstan, akan tetapi pada
kenyataannya nilanya berubah tergatntung pada suhu dan struktur molekul
bahan.
Dengan teknik rekayasa material dan metalurgi, perbedaan Seebeck
Coefficient antara ujung-ujung konduktor bisa diperbesar dan menjadi
tegangan yang dapat diamati dan digunakan sebagai salah satu piranti sensor
elektronika. Dalam fabrikasinya, prinsip dasar ini secara umum dapat
diilustrasikan sebagai berikut:
Tx adalah temperature yang belum diketahui. Tc adalah temperature pada
ujung voltmeter (diasumsikan sama untuk setiap kabel).Tv adalah
temperature internal dari elemen dalam voltmeter. Sa adalah koefisien
Seebeck dari termokopel untuk bagian yang terbuat dari material a. Sb
adalah koefisien Seebeck dari termokopel untuk bagian yang terbuat dari
material. Sc adalah koefisien Seebeck dari kabel yang digunakan untuk
pengukuran tegangan. VTC adalah tegangan yang terukur dari termokopel
dengan kondisi “open” (impedansi rangkaian tinggi dan arus minimal)
Dengan hukum Kirchoff untuk tegangan, jumlah dari seluruh tegangan
dalam rangkaian loop tertutup adalah nol. Persamaan kirchoff untuk
rangkaian di atas dapat ditulis sebagai:
[Sa x (TX - TC)] + [Sb x (TC – TV)] + VTC + [Sc x (TX- TC)] + ………
+ [Sb x (TC – TX) = 0
Dengan penyederhanaan didapatkan:
(Sa – Sb) x (TX - TC) = [VTC]
Dimana Sa dan Sb menentukan polaritas VTC, biasanya ditulis :
(Sa - Sb) = Sab = -Sba.
Dalam standar industri, “ab” digunakan sebagai tipe termokopel standar
yang artinya dibuat dari material A ( Tipler, 1998).
Termokopel, khususnya yang berbahan chromel - alumel, biasanya
digunakan di laboratorium pada beragam disiplin ilmu maupun di industri.
Termokopel memberikan keluaran berupa tegangan listrik yang bertegangan
dan memiliki hubungan linear dengan suhu benda yang diukur. Tegangan
keluaran itu tidak peka terhadap perubahan panjang kawat, sehingga dapat
digunakan untuk mengukur suhu benda yang letaknya jauh dari pengukur.
Selain itu, dengan keluaran termokopel berupa tegangan maka hasil ukur
suhu dapat ditampilkan secara digital, drekam di cakram, atau langsung
dicetak. Tidak kalah menariknya, termokopel ini memiliki kawasan suhu
yang lebar, yaitu dari -273 °C sampai dengan 1000 °C
V. Alat dan Bahan
A. Alat
1. Termokopel Chromel - Alumel
: 1 Unit
2. Termometer Batang
: 1 Unit
3. Multimeter Digital
: 1 Unit
4. Pemanas Bunsen
: 1 Unit
5. Statif
: 1 Unit
6. Gelas Beker
: 2 buah
7. Mancis
: 1 buah
8. Dudukan Gelas Beker Dari Asbes
: 1 Unit
9. Penyangga Kaki Tiga
: 1 Unit
B. Bahan
1. Air
: Secukupnya
2. Es batu
: Secukupnya
3. Spritus
: Secukupnya
VI.CARA KERJA
A. Teoritis
1) Menempatkan salah satu ujung (probe) termokopel chromel-alumel
sebut saja sebagai ujung suhu referensi ( Tr ) pada gelas beker yang
berisi es mulai mencair dan disebut bersuhu 00 C tempat kan probe
termokopel yang lain kedalam gelas beker yang berisi air sebut saja
sebagai ujung ukur.
2) Menghubungkan pangkal termokopel yang lain dengan voltmeter
digital gunakan dalam sekala milivolt.
3) Memanaskan air digelas beker (Tu) dengan unit pemanas , berbahan
bakar spirtus ,sampai mendidih.
4) Mencatat pembacaan suhu air thermometer setiap kenaikan suhu 5o C
dan saat itu pula dicatat tegangan keluaran termokopel oleh voltmeter.
Jika perubahan suhu terlalu cepat anda dapat pula mencatat suhu dan
tegangan keluaran termokopel setiap penurunan 5oC dari saat air
mendidih dalam keadaan pemanas dimatikan.
5) Menghubungkan grafik konversi antara suhu ait (Tu) dengan tegangan
keluaran termokopel (VAB)
6) Mengukur benda lain disekitar anda yang bersuhu kurang dari suhu air
mendidih catatlah berapa tegangan yang anda ukur ,yang berarti pula
suhu dari benda itu.Apakah alat ukut tegangan boleh menggunakan
multimeter non digital
B. Skematis
a.Termokopel
chromel
1) Ditempatkan salah satu ujung
–
alumel
(probe) termokopel chromelalumel sebut saja sebagai
ujung suhu referensi ( Tr )
b. Termometer
pada gelas beker yang berisi
batang
es mulai mencair dan disebut
bersuhu 00 C tempat kan probe
c. Multimeter
termokopel yang lain kedalam
digital
gelas beker yang berisi air
sebut saja sebagai ujung ukur.
d. Unit
2) Dihubungkan pangkal
pemanas
termokopel yang lain dengan
berbahan
voltmeter digital gunakan
bakar
dalam sekala milivolt.
spirtus
e. Statif
f. Gelas
Beker.
3) Dipanaskan air digelas beker
(Tu) dengan pemanas ,
berbahan bakar spirtus
,sampai mendidih.
4) Dicatat pembacaan suhu air
thermometer setiap kenaikan
g. Dudukan
suhu 5o C dan saat itu pula
gelas beker
dicatat
tegangan
keluaran
dari asbes.
termokopel oleh voltmeter.
Jika perubahan suhu terlalu
cepat
anda
dapat
pula
mencatat suhu dan tegangan
keluaran termokopel setiap
penurunan 5oC dari saat air
mendidih
dalam
keadaan
pemanas dimatikan.
5) Dihubungkan grafik konversi
antara suhu air (Tu0 dengan
tegangan keluaran termokopel
(VAB).
6) Diukur benda lain disekitar
anda yang bersuhu kurang
dari
suhu
air
mendidih
catatlah berapa tegangan yang
anda ukur ,yang berarti pula
suhu dari benda itu.Apakah
alat
ukut
tegangan
boleh
menggunakan multimeter non
digital?
VII.
HASIL PENGAMATAN
A. Hasilpengamatan.
1. Tabel hasil pengamatan padasaatpenaikansuhu .
No
Suhu (Co)
Tegangan (V)
1
30
0,1 x 10-3
2
35
10,8 x 10-3
3
40
1,0 x 10-3
4
45
1,2 x 10-3
5
50
1,8 x 10-3
6
55
2,1 x 10-3
7
60
2,2 x 10-3
8
65
2,2 x 10-3
9
70
2,5 x 10-3
10
75
2,7 x 10-3
∑
525
16,6 x 10-3
2. Tabel hasil pengamatan padasaatpenurunansuhu.
No
Suhu (Co)
Tegangan (V)
1
75
2,7 x 10-3
2
70
2,5 x 10-3
3
65
2,3 x 10-3
4
60
2,0 x 10-3
5
55
1,9 x 10-3
6
50
1,5 x 10-3
7
45
1,4 x 10-3
8
40
1,2 x 10-3
9
35
0,9 x 10-3
10
30
0,8 x 10-3
∑
525
17,2 x 10-3
B. Hasil Perhitungan.
1.Tabel hasil pengamatan pada saat kenaikan suhu
No
Xn
Xn-X
Xn-X
Xn-X 2
1.
0,1.10-3
-1,56.10-3
1,56.10-3
2,4336.10-6
2.
0,8.10-3
-0,86.10-3
0,86.10-3
0,7396.10-6
3.
1,0.10-3
-0,66.10-3
0,66.10-3
0,4356.10-6
4.
1,2.10-3
-0,46.10-3
0,46.10-3
0,2116.10-6
5.
1,8.10-3
-0,14.10-3
0,14.10-3
0,0196.10-6
6.
2,1.10-3
-0,44.10-3
0,44.10-3
0,1936.10-6
7.
2,2.10-3
-0,54.10-3
0,54.10-3
0,2916.10-6
8.
2,2.10-3
-0,54.10-3
0,54.10-3
0,2916.10-6
9.
2,5.10-3
-0,84.10-3
0,84.10-3
0,7056.10-6
10.
2,7.10-3
-1,04.10-3
1,04.10-3
0,0816.10-6
∑
16,6.10-3
0
7,08.10-3
6,404.10-6
a. Nilai rata-rata (
= ∑Xn = 16,6 x 10-3= 1,66 x10-3
n
10
b. Deviasi rata-rata (a)
= 7,08 x10-3 = 0,708 x10-3
a=
n
10
c. Deviasi standar (s)
s=
=
= 0,8435 x 10-3
d. Deviasi rata-rata relatif (A)
A=
x 100 % =
x 100 % = 42,652 %
e. Deviasi standar relatif (S)
S=
x 100 % =
x 100 % = 50,813 %
f. Hasil pengukuran ( + a)
+ a = 1,66x 10-3+ 0,708x 10-3= 2,368 x 10-3
- a = 1,66x 10-3– + 0,708x 10-3= 0,952 x 10-3
g. Ketelitian
100%-A = 100% - (42,051) % = 57,349 %
2. Tabel hasil pengamatan padasaat penurunansuhu .
Xn-X
Xn-X
Xn-X 2
2,7.10-3
0,98.10-3
0,98.10-3
0,9604.10-6
2.
2,5.10-3
0,78.10-3
0,78.10-3
0,6884.10-6
3.
2,3.10-3
0,58.10-3
0,58.10-3
0,3364.10-6
4.
2,0.10-3
0,28.10-3
0,28.10-3
0,0784.10-6
5.
1,9.10-3
0,18.10-3
0,18.10-3
0,0324.10-6
6.
1,5.10-3
-0,22.10-3
0,22.10-3
0,484.10-6
7.
1,4.10-3
-0,32.10-3
0,32.10-3
0,1024.10-6
8.
1,2.10-3
-0,52.10-3
0,52.10-3
0,2704.10-6
9.
0,9.10-3
-0,82.10-3
0,82.10-3
0,6724.10-6
10.
0,8.10-3
-0,92.10-3
0,92.10-3
0,8464.10-6
∑
17,2.10-3
0
5,6.10-3
3,956.10-6
No
Xn
1.
a. Nilai rata-rata ( ):
=
= 1,72 x 10 -3
=
b. Deviasi rata-rata (a):
a=
=
= 0,56 x 10-3
c. Deviasi standar (s)
s=
=
= 0,6629 x 10-3
d. Deviasi rata-rata relatif (A)
A=
x 100 % =
x 100 % = 32,5501 %
e. Deviasi standar relatif (S)
S=
x 100 % =
x 100 % = 38,,5501 %
f. Hasil pengukuran( + a) :
+ a = 1,72x10-3+ 0,56 x10-3 = 2,28 x10-3
– a = 1,72x10-3– 0,56 x10-3 = 1,6 x10-3g
Ketelitian
100 % - A = 100% - (38,3837) % = 67,4418 %
VIII. Pembahasan
Termokopel secara sederhana merupakan perpaduan antara dua
logam yang berbeda jenis, yang persambungan (kopel) kedua logam
diberikan pengkondisian suhu yang berbeda (panas dan dingin). Setting
alat untuk melakukan kalibrasi termokopel yaitu, misal kita sebut saja
logam X dan logam Y merupakan bahan logam pada termokopel. Ujung
logam X dan Y disambung dan ujung-ujung yang lain dihubungkan ke alat
ukur listrik dan dimasukkan ke dalam kondisi suhu dingin (X, dan untuk
ujung yang dikopel ditempatkan pada kondisi suhu panas (Y).
Termokopel dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang
cukup luas dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1⁰ C.
Termokopel terdiri dari 2 jenis kawat logam konduktor yang digabung
pada ujungnya sebagai ujung pengukuran. Konduktor ini kemudian akan
mengalami gradiasi suhu dan dari perbedaan suhu antara ujung
termokopel/ujung pengukuran dengan ujung kedua kawat logam
konduktor yang terpisah akan menghasilkan tegangan listrik.
Bila salah satu ujung termokopel ditempatkan pada gelas beker yang
berisi es yang sedang mencair dan ujung yang lainnya ditempatkan pada
gelas beker yang berisi air mendidih atau air panas yang dipanaskan
dengan unit pemanas berbahan bakar spritus, maka termokopel akan
menghasilkan suatu tegangan yang dapat dilihat nilainya dengan
menggunakan multimeter digital.
Dari pengamatan tersebut suhu naik adalah suhu awal 30 0C
tegangannya sebesar 0,1 x 10-3 Volt ,pada suhu 350C tegangannya sebesar
0,8 x 10-3 , pada suhu 400C tegangan sebesar 1,0 x 10-3,pada suhu 450C
tegangannya sebesar 1,2 x 10-3, pada suhu 50 0C 1,8 x 10-3,pada suhu ke
550C tegangan sebesar 2,1 x 10-3,pada suhu ke 60 tegangan sebesar 2,2 x
10-3pada suhu ke 650C tegangan sebesar 2,2 x 10
-3
pada suhu ke 700C
tegangan sebesar 2,5 x 10-3 dan pada akhir 750C adalah 16,6 x 10-3. Pada
penurunan suhu hal yang sama juga terjadi. Suhu awalnya pada 750C
adalah 2,7 x 10-3 Volt pada suhu ke 700C tegangan sebesar 2,5 x 10-3 pada
suhu 650C tegangan sebesar 2,3 x 10-3 pada suhu ke 600C tegangan sebesar
2,0 x 10-3 pada suhu 550C tegangan sebesar 1,9 x 10-3 pada suhu ke 500C
tegangan sebesar 1,5 x 10-3 pada suhu 450C tegangan sebesar 1,4 x 10-3
pada suhu 400C adalah 1,2 x 10-3 V pada suhu 35 0C tegangan sebesar 0,9 x
10-3dan pada akhirnya suhu 300C tegangan sebesar 0,8 x 10-3.. Perubahan
voltase pun sama antara kenaikan dan penurunan suhu.
Dari pengamatan kenaikan suhu, didapat hasil yan meliputi harga
rata rata yaitu 3,03 x 10-3, deviasi rata – rata yaitu 0,88 x 10-3 , deviasi
standar yaitu 1,09 x 10-3, deviasi fraksional yaitu 35,97 %, deviasi rerata
yaitu 29,04 %, ketelitian yaitu 70,96 %. Dari pengamatan penurunan suhu,
didapat hasil yang meliputi harga rata- rata yaitu 2,8 x 10-3 deviasi rata –
rata yaitu 0,96 x 10-3, deviasi standar yaitu 1,15 x 10-3, deviasi fraksional
yaitu 41,07 %, deviasi rerata 34,29 %, Ketelitian yaitu 65,71 %..
Dari hasil pengamatan tersebut, praktikan dapat menyimpulkan
bahwa setiap kenaikan suhu yang terjadi mengakibatkan kenaikan
tegangan. Tetapi, setiap penurunan suhu, akan mengakibatkan menurunnya
nilai tegangan. Oleh sebab itu, untuk mendapatkan penurunan dan
kenaikan suhu yang tepat, pengamat harus bersabar, berkonsentrasi serta
karja sama dalam kelompok sangat di butuhkan dalam memperhatikan alat
dan bahan yang digunakan, yaitu es yang mencair dan air yang panas,
agar mendapat hasil yang baik.
XI. Kesimpulan
Dari praktikum termokopel yang telah dilaksanakan, dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut :
1. Termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah
perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik
(voltase).
2. Termokopel bisa di manfaatkan menjadi pembangkit listrik tenaga panas
radio
isotop,
digunakan
sebagai
pengaman
pada
alat
alat
pemanas,digunakan untuk termopile radiasi.
3. Termokopel secara sederhana merupakan perpaduan antara dua logam
yang berbeda jenis, yang persambungan (kopel) kedua logam diberikan
pengkondisian suhu yang berbeda (panas dan dingin).
4. Dari pengamatan kenaikan suhu, didapat hasil yan meliputi harga rata
rata yaitu 3,03 x 10-3, deviasi rata – rata yaitu 0,88 x 10-3 , deviasi standar
yaitu 1,09 x 10-3, deviasi fraksional yaitu 35,97 %, deviasi rerata yaitu
29,04 %, ketelitian yaitu 70,96 %.
5. Dari pengamatan penurunan suhu, didapat hasil yang meliputi harga
rata- rata yaitu 2,8 x 10-3 deviasi rata – rata yaitu 0,96 x 10-3, deviasi
standar yaitu 1,15 x 10-3, deviasi fraksional yaitu 41,07 %, deviasi rerata
34,29 %, Ketelitian yaitu 65,71 %.
6. Dari grafik dapat dilihat bahwa setiap kenaikan suhu yang terjadi
mengakibatkan kenaikan tegangan. Tetapi, setiap penurunan suhu, akan
mengakibatkan menurunnya nilai tegangan.
7. Praktikum gagal dilaksanakan dikarenakan alat-alat pada saat praktikum
tidak memadai salah satunya rusaknya multimeter digital,tidak ada
satupun multimeter yang dapat digunakan di laboratorium fisika.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2015. Buku Petunjuk Praktikum Fisika Dasar. Institut Pertanian
Stiper.Yogyakarta.
Nugroho Djoko, 2009 . Mandiri Fisika Untuk SMA Kelas 3 . Erlangga.
Jakarta.
Purwadi dkk, 2000. Panduan Praktikum Fisika Dasar FMIPA UGM.
Yogyakarta.
Mengetahui
Co.Ass
Yogyakarta,15 Maret 2015
Praktikan
(Nurlaila Fatmawati)
(Andreas K S B)
FISIKA INDUSTRI
DISUSUN OLEH :
NAMA
: ANDREAS KAWAR SEMBIRING B
NIM
: 14/17112/THP
JURUSAN
: TEKNOLOGI HASIL PERTANIAN
KELOMPOK
:V
ACARA V
: TERMOKOPEL
CO.ASS
: NURLAILA FATMAWATI
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN STIPER
YOGYAKARTA
2015
I.
Acara
II.
Tanggal
: Termokopel
: 09 Maret 2015
III. Tujuan
1. Untuk memahami timbulnya gerak energi listrik yang diakibatkan dari
perbedaan suhu.
2. Membuat pengalih ragaman nilai tegangan keluaran termokopel
kebesaran suhu.
3. Mengukur suhu benda
IV. Dasar Teori
Prinsip kerja termokopel berdasar pada sebuah fenomena fisika yang
disebut thermoelectric effect. Thermoelectric effect merupakan efek yang
berhubungan dengan konversi dari perbedaan temperatur menjadi tegangan
listrik dan sebaliknya. Penemuan thermoelectric effect merupakan hasil dari
eksperimen tiga ilmuwan yang berbeda, yaitu Thomas Johann Seebeck
(1821) dari Jerman, Jean Charles Peltier (1834) berkebangsaan Prancis, dan
W. Thompson (1851)yang melanjutkan penemuan Lord Kelvin tentang arus
termal ( Tipler, 1998 )
Penemuan Termokopel pada awal 1820, Thomas Seebeck mencoba
mencari relasi antara kelistrikan dan panas. Pada tahun 1821 ia
menggabungkan dua kabel konektor dari metal yang berbeda membentuk
sebuah loop rangkaian di mana ujung dari tiap kabel dari metal beda jenis
dihubungkan. Ketika ada perbedaan temperatur antara kedua sambungan
metal, ternyata rangkaian tersebut dapat membelokkan jarum kompas
(terinduksi medan magnet). Kemudian, ia menyebutnya thermomagnetic
effect.
Kemudian
seorang
Fisikawan
Denmark
bernama
Oersted
mengoreksinya dengan menamakan efek tersebut thermoelectric effect, dan
percobaannya menghasilkan tegangan berkisar mikrovolt per Kelvin. Efek
ini secara khusus kemudian disebut Seebeck Effect.
Kemudian Peltier (1834) menemukan keberadaan panas pada
sambungan
listrik yang terbuat dari dua metal berbeda. Efek ini
dinamakan sama dengan namanya.
Saat
aliran
arus
listrik
melalui
sambungan metal yang terbuat dari Efek tersebut dikemukakan oleh ahli
fisika Thomson, Peltier dan Seebeck, dalam kaitan matematis.
VAB = (πAB)T2 - (πAB)T1 +
A
-
B
)
VAB = beda potensial antara kedua ujung kawat.
(πAB)T = tenaga gerak listrik Peltier pada suhu T
σAB = konduktivitas chromel (A) dan alumel (B)
Persamaan di atas memperlihatkan bahwa Vab
dan mudah diukur bila
akan bernilai besar
a b atau a b . dasar inilah yang
digunakan untuk memilih 2 jenis kawat guna membuat termokopel sebagai
alat ukur suhu.
material A dan material B, dihasilkan panas dari metal A dan diserap oleh
metal B searah dengan aliran arus listrik. Lalu, W. Thompson (1851)
melengkapi penjelasan thermoelectric effect ini dengan menjelaskan
keterkaitan pemanasan dan pendinginan konduktor arus listrik dengan
gradient temperatur konduktor tersebut.
Fenomena di atas dapat terjadi karena saat salah satu ujung material
konduktor dipanaskan sehingga temperaturnya lebih tinggi dibandingkan
ujung yang lain, elektron di ujung sisi yang panas memiliki energi termal
yang lebih tinggi dibandingkan elektron di ujung yang lebih dingin. Elektron
dengan energi ini lebih besar ini kemudian “menyebar”, sampai di ujung
ujung yang lebih dingin. Namun, kenetralan atom tetap terjaga, sehingga
distribusi elektron ini membentuk muatan negative pada ujung dingin
(keberadaan elektron yang banyak) dan muatan positif pada ujung yang
panas (karena holes, kekosongan elektron pada atomnya). Maka sebagai
konsekuensinya terbentuk tegangan elektrostatik yang berhubungan dengan
redistribusi elektron akibat energi termal.
Penjelasan secara kuantum dengan matematika yang kompleks memang
diperlukan untuk memahami gerak elektron ini, namun secara sederhana
dapat dijabarkan sebagai berikut. Jika ujung suatu logam dipanaskan maka
elektron pada ujung yang dipanaskan akan memiliki energi yang cukup
untuk berpindah orbit. Perpindahan orbit ini adalah dari ujung yang
dipanaskan menuju ujung yangtidak dipanaskan. Perpindahan elektron inilah
yang mengakibatkan ujung yang dipanaskan memiliki polaritas yang lebih
positif dibandingkan ujung yang tidak dipanaskan sehingga peristiwa ini
menimbulkan tegangan. Hukum ini berlaku pada setiap logam yang memiliki
ujung yang berbeda suhu ( Nugroho, 2009 )
Termopower (Thermoelectric Sensitivity, Seebeck Coefficient), hasil
percobaan Seebeck menunjukkan bahwa jika yang digunakan sebagai
konduktor adalah dua material yang sama, meskipun panjangnya berbeda,
tidak dapat menghasilkan tegangan listrik. Ini adalah sebuah sifat yang unik
dari fenomena yang ditemukannya. Namun, jika digunakan dua buah
material yang berbeda dengan memvariasikan perbedaan temperatur di tiap
ujungnya, thermoelectric effect dapat diamati. Ini menunjukkan tiap material
memiliki suatu sifat sensitivitas terhadap panas yang disebut thermoelectric
sensitivity, thermopower, atau Seebeck Coefficient (S). Secara matematis:
V12 = S x (TH - TC)
Dimana V12 adalah tegangan listrik antara ujung panas dengan ujung
dingin. Efek Seebeck pada dua konduktor dengan koefisien Seebeck yang
sama. Hal ini karena ∑ V = Sa x (TH - TC) - Sb x (TC - TH) = 0(karena Sa =
Sb).
Nilai koefisien Seebeck (Sa) suatu konduktor tergantung pada struktur
material bahannya. Berarti jika bahan berbeda maka memiliki Sa yang
berbeda pula. Secara teoritis Sa nilainya konstan, akan tetapi pada
kenyataannya nilanya berubah tergatntung pada suhu dan struktur molekul
bahan.
Dengan teknik rekayasa material dan metalurgi, perbedaan Seebeck
Coefficient antara ujung-ujung konduktor bisa diperbesar dan menjadi
tegangan yang dapat diamati dan digunakan sebagai salah satu piranti sensor
elektronika. Dalam fabrikasinya, prinsip dasar ini secara umum dapat
diilustrasikan sebagai berikut:
Tx adalah temperature yang belum diketahui. Tc adalah temperature pada
ujung voltmeter (diasumsikan sama untuk setiap kabel).Tv adalah
temperature internal dari elemen dalam voltmeter. Sa adalah koefisien
Seebeck dari termokopel untuk bagian yang terbuat dari material a. Sb
adalah koefisien Seebeck dari termokopel untuk bagian yang terbuat dari
material. Sc adalah koefisien Seebeck dari kabel yang digunakan untuk
pengukuran tegangan. VTC adalah tegangan yang terukur dari termokopel
dengan kondisi “open” (impedansi rangkaian tinggi dan arus minimal)
Dengan hukum Kirchoff untuk tegangan, jumlah dari seluruh tegangan
dalam rangkaian loop tertutup adalah nol. Persamaan kirchoff untuk
rangkaian di atas dapat ditulis sebagai:
[Sa x (TX - TC)] + [Sb x (TC – TV)] + VTC + [Sc x (TX- TC)] + ………
+ [Sb x (TC – TX) = 0
Dengan penyederhanaan didapatkan:
(Sa – Sb) x (TX - TC) = [VTC]
Dimana Sa dan Sb menentukan polaritas VTC, biasanya ditulis :
(Sa - Sb) = Sab = -Sba.
Dalam standar industri, “ab” digunakan sebagai tipe termokopel standar
yang artinya dibuat dari material A ( Tipler, 1998).
Termokopel, khususnya yang berbahan chromel - alumel, biasanya
digunakan di laboratorium pada beragam disiplin ilmu maupun di industri.
Termokopel memberikan keluaran berupa tegangan listrik yang bertegangan
dan memiliki hubungan linear dengan suhu benda yang diukur. Tegangan
keluaran itu tidak peka terhadap perubahan panjang kawat, sehingga dapat
digunakan untuk mengukur suhu benda yang letaknya jauh dari pengukur.
Selain itu, dengan keluaran termokopel berupa tegangan maka hasil ukur
suhu dapat ditampilkan secara digital, drekam di cakram, atau langsung
dicetak. Tidak kalah menariknya, termokopel ini memiliki kawasan suhu
yang lebar, yaitu dari -273 °C sampai dengan 1000 °C
V. Alat dan Bahan
A. Alat
1. Termokopel Chromel - Alumel
: 1 Unit
2. Termometer Batang
: 1 Unit
3. Multimeter Digital
: 1 Unit
4. Pemanas Bunsen
: 1 Unit
5. Statif
: 1 Unit
6. Gelas Beker
: 2 buah
7. Mancis
: 1 buah
8. Dudukan Gelas Beker Dari Asbes
: 1 Unit
9. Penyangga Kaki Tiga
: 1 Unit
B. Bahan
1. Air
: Secukupnya
2. Es batu
: Secukupnya
3. Spritus
: Secukupnya
VI.CARA KERJA
A. Teoritis
1) Menempatkan salah satu ujung (probe) termokopel chromel-alumel
sebut saja sebagai ujung suhu referensi ( Tr ) pada gelas beker yang
berisi es mulai mencair dan disebut bersuhu 00 C tempat kan probe
termokopel yang lain kedalam gelas beker yang berisi air sebut saja
sebagai ujung ukur.
2) Menghubungkan pangkal termokopel yang lain dengan voltmeter
digital gunakan dalam sekala milivolt.
3) Memanaskan air digelas beker (Tu) dengan unit pemanas , berbahan
bakar spirtus ,sampai mendidih.
4) Mencatat pembacaan suhu air thermometer setiap kenaikan suhu 5o C
dan saat itu pula dicatat tegangan keluaran termokopel oleh voltmeter.
Jika perubahan suhu terlalu cepat anda dapat pula mencatat suhu dan
tegangan keluaran termokopel setiap penurunan 5oC dari saat air
mendidih dalam keadaan pemanas dimatikan.
5) Menghubungkan grafik konversi antara suhu ait (Tu) dengan tegangan
keluaran termokopel (VAB)
6) Mengukur benda lain disekitar anda yang bersuhu kurang dari suhu air
mendidih catatlah berapa tegangan yang anda ukur ,yang berarti pula
suhu dari benda itu.Apakah alat ukut tegangan boleh menggunakan
multimeter non digital
B. Skematis
a.Termokopel
chromel
1) Ditempatkan salah satu ujung
–
alumel
(probe) termokopel chromelalumel sebut saja sebagai
ujung suhu referensi ( Tr )
b. Termometer
pada gelas beker yang berisi
batang
es mulai mencair dan disebut
bersuhu 00 C tempat kan probe
c. Multimeter
termokopel yang lain kedalam
digital
gelas beker yang berisi air
sebut saja sebagai ujung ukur.
d. Unit
2) Dihubungkan pangkal
pemanas
termokopel yang lain dengan
berbahan
voltmeter digital gunakan
bakar
dalam sekala milivolt.
spirtus
e. Statif
f. Gelas
Beker.
3) Dipanaskan air digelas beker
(Tu) dengan pemanas ,
berbahan bakar spirtus
,sampai mendidih.
4) Dicatat pembacaan suhu air
thermometer setiap kenaikan
g. Dudukan
suhu 5o C dan saat itu pula
gelas beker
dicatat
tegangan
keluaran
dari asbes.
termokopel oleh voltmeter.
Jika perubahan suhu terlalu
cepat
anda
dapat
pula
mencatat suhu dan tegangan
keluaran termokopel setiap
penurunan 5oC dari saat air
mendidih
dalam
keadaan
pemanas dimatikan.
5) Dihubungkan grafik konversi
antara suhu air (Tu0 dengan
tegangan keluaran termokopel
(VAB).
6) Diukur benda lain disekitar
anda yang bersuhu kurang
dari
suhu
air
mendidih
catatlah berapa tegangan yang
anda ukur ,yang berarti pula
suhu dari benda itu.Apakah
alat
ukut
tegangan
boleh
menggunakan multimeter non
digital?
VII.
HASIL PENGAMATAN
A. Hasilpengamatan.
1. Tabel hasil pengamatan padasaatpenaikansuhu .
No
Suhu (Co)
Tegangan (V)
1
30
0,1 x 10-3
2
35
10,8 x 10-3
3
40
1,0 x 10-3
4
45
1,2 x 10-3
5
50
1,8 x 10-3
6
55
2,1 x 10-3
7
60
2,2 x 10-3
8
65
2,2 x 10-3
9
70
2,5 x 10-3
10
75
2,7 x 10-3
∑
525
16,6 x 10-3
2. Tabel hasil pengamatan padasaatpenurunansuhu.
No
Suhu (Co)
Tegangan (V)
1
75
2,7 x 10-3
2
70
2,5 x 10-3
3
65
2,3 x 10-3
4
60
2,0 x 10-3
5
55
1,9 x 10-3
6
50
1,5 x 10-3
7
45
1,4 x 10-3
8
40
1,2 x 10-3
9
35
0,9 x 10-3
10
30
0,8 x 10-3
∑
525
17,2 x 10-3
B. Hasil Perhitungan.
1.Tabel hasil pengamatan pada saat kenaikan suhu
No
Xn
Xn-X
Xn-X
Xn-X 2
1.
0,1.10-3
-1,56.10-3
1,56.10-3
2,4336.10-6
2.
0,8.10-3
-0,86.10-3
0,86.10-3
0,7396.10-6
3.
1,0.10-3
-0,66.10-3
0,66.10-3
0,4356.10-6
4.
1,2.10-3
-0,46.10-3
0,46.10-3
0,2116.10-6
5.
1,8.10-3
-0,14.10-3
0,14.10-3
0,0196.10-6
6.
2,1.10-3
-0,44.10-3
0,44.10-3
0,1936.10-6
7.
2,2.10-3
-0,54.10-3
0,54.10-3
0,2916.10-6
8.
2,2.10-3
-0,54.10-3
0,54.10-3
0,2916.10-6
9.
2,5.10-3
-0,84.10-3
0,84.10-3
0,7056.10-6
10.
2,7.10-3
-1,04.10-3
1,04.10-3
0,0816.10-6
∑
16,6.10-3
0
7,08.10-3
6,404.10-6
a. Nilai rata-rata (
= ∑Xn = 16,6 x 10-3= 1,66 x10-3
n
10
b. Deviasi rata-rata (a)
= 7,08 x10-3 = 0,708 x10-3
a=
n
10
c. Deviasi standar (s)
s=
=
= 0,8435 x 10-3
d. Deviasi rata-rata relatif (A)
A=
x 100 % =
x 100 % = 42,652 %
e. Deviasi standar relatif (S)
S=
x 100 % =
x 100 % = 50,813 %
f. Hasil pengukuran ( + a)
+ a = 1,66x 10-3+ 0,708x 10-3= 2,368 x 10-3
- a = 1,66x 10-3– + 0,708x 10-3= 0,952 x 10-3
g. Ketelitian
100%-A = 100% - (42,051) % = 57,349 %
2. Tabel hasil pengamatan padasaat penurunansuhu .
Xn-X
Xn-X
Xn-X 2
2,7.10-3
0,98.10-3
0,98.10-3
0,9604.10-6
2.
2,5.10-3
0,78.10-3
0,78.10-3
0,6884.10-6
3.
2,3.10-3
0,58.10-3
0,58.10-3
0,3364.10-6
4.
2,0.10-3
0,28.10-3
0,28.10-3
0,0784.10-6
5.
1,9.10-3
0,18.10-3
0,18.10-3
0,0324.10-6
6.
1,5.10-3
-0,22.10-3
0,22.10-3
0,484.10-6
7.
1,4.10-3
-0,32.10-3
0,32.10-3
0,1024.10-6
8.
1,2.10-3
-0,52.10-3
0,52.10-3
0,2704.10-6
9.
0,9.10-3
-0,82.10-3
0,82.10-3
0,6724.10-6
10.
0,8.10-3
-0,92.10-3
0,92.10-3
0,8464.10-6
∑
17,2.10-3
0
5,6.10-3
3,956.10-6
No
Xn
1.
a. Nilai rata-rata ( ):
=
= 1,72 x 10 -3
=
b. Deviasi rata-rata (a):
a=
=
= 0,56 x 10-3
c. Deviasi standar (s)
s=
=
= 0,6629 x 10-3
d. Deviasi rata-rata relatif (A)
A=
x 100 % =
x 100 % = 32,5501 %
e. Deviasi standar relatif (S)
S=
x 100 % =
x 100 % = 38,,5501 %
f. Hasil pengukuran( + a) :
+ a = 1,72x10-3+ 0,56 x10-3 = 2,28 x10-3
– a = 1,72x10-3– 0,56 x10-3 = 1,6 x10-3g
Ketelitian
100 % - A = 100% - (38,3837) % = 67,4418 %
VIII. Pembahasan
Termokopel secara sederhana merupakan perpaduan antara dua
logam yang berbeda jenis, yang persambungan (kopel) kedua logam
diberikan pengkondisian suhu yang berbeda (panas dan dingin). Setting
alat untuk melakukan kalibrasi termokopel yaitu, misal kita sebut saja
logam X dan logam Y merupakan bahan logam pada termokopel. Ujung
logam X dan Y disambung dan ujung-ujung yang lain dihubungkan ke alat
ukur listrik dan dimasukkan ke dalam kondisi suhu dingin (X, dan untuk
ujung yang dikopel ditempatkan pada kondisi suhu panas (Y).
Termokopel dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang
cukup luas dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1⁰ C.
Termokopel terdiri dari 2 jenis kawat logam konduktor yang digabung
pada ujungnya sebagai ujung pengukuran. Konduktor ini kemudian akan
mengalami gradiasi suhu dan dari perbedaan suhu antara ujung
termokopel/ujung pengukuran dengan ujung kedua kawat logam
konduktor yang terpisah akan menghasilkan tegangan listrik.
Bila salah satu ujung termokopel ditempatkan pada gelas beker yang
berisi es yang sedang mencair dan ujung yang lainnya ditempatkan pada
gelas beker yang berisi air mendidih atau air panas yang dipanaskan
dengan unit pemanas berbahan bakar spritus, maka termokopel akan
menghasilkan suatu tegangan yang dapat dilihat nilainya dengan
menggunakan multimeter digital.
Dari pengamatan tersebut suhu naik adalah suhu awal 30 0C
tegangannya sebesar 0,1 x 10-3 Volt ,pada suhu 350C tegangannya sebesar
0,8 x 10-3 , pada suhu 400C tegangan sebesar 1,0 x 10-3,pada suhu 450C
tegangannya sebesar 1,2 x 10-3, pada suhu 50 0C 1,8 x 10-3,pada suhu ke
550C tegangan sebesar 2,1 x 10-3,pada suhu ke 60 tegangan sebesar 2,2 x
10-3pada suhu ke 650C tegangan sebesar 2,2 x 10
-3
pada suhu ke 700C
tegangan sebesar 2,5 x 10-3 dan pada akhir 750C adalah 16,6 x 10-3. Pada
penurunan suhu hal yang sama juga terjadi. Suhu awalnya pada 750C
adalah 2,7 x 10-3 Volt pada suhu ke 700C tegangan sebesar 2,5 x 10-3 pada
suhu 650C tegangan sebesar 2,3 x 10-3 pada suhu ke 600C tegangan sebesar
2,0 x 10-3 pada suhu 550C tegangan sebesar 1,9 x 10-3 pada suhu ke 500C
tegangan sebesar 1,5 x 10-3 pada suhu 450C tegangan sebesar 1,4 x 10-3
pada suhu 400C adalah 1,2 x 10-3 V pada suhu 35 0C tegangan sebesar 0,9 x
10-3dan pada akhirnya suhu 300C tegangan sebesar 0,8 x 10-3.. Perubahan
voltase pun sama antara kenaikan dan penurunan suhu.
Dari pengamatan kenaikan suhu, didapat hasil yan meliputi harga
rata rata yaitu 3,03 x 10-3, deviasi rata – rata yaitu 0,88 x 10-3 , deviasi
standar yaitu 1,09 x 10-3, deviasi fraksional yaitu 35,97 %, deviasi rerata
yaitu 29,04 %, ketelitian yaitu 70,96 %. Dari pengamatan penurunan suhu,
didapat hasil yang meliputi harga rata- rata yaitu 2,8 x 10-3 deviasi rata –
rata yaitu 0,96 x 10-3, deviasi standar yaitu 1,15 x 10-3, deviasi fraksional
yaitu 41,07 %, deviasi rerata 34,29 %, Ketelitian yaitu 65,71 %..
Dari hasil pengamatan tersebut, praktikan dapat menyimpulkan
bahwa setiap kenaikan suhu yang terjadi mengakibatkan kenaikan
tegangan. Tetapi, setiap penurunan suhu, akan mengakibatkan menurunnya
nilai tegangan. Oleh sebab itu, untuk mendapatkan penurunan dan
kenaikan suhu yang tepat, pengamat harus bersabar, berkonsentrasi serta
karja sama dalam kelompok sangat di butuhkan dalam memperhatikan alat
dan bahan yang digunakan, yaitu es yang mencair dan air yang panas,
agar mendapat hasil yang baik.
XI. Kesimpulan
Dari praktikum termokopel yang telah dilaksanakan, dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut :
1. Termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah
perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik
(voltase).
2. Termokopel bisa di manfaatkan menjadi pembangkit listrik tenaga panas
radio
isotop,
digunakan
sebagai
pengaman
pada
alat
alat
pemanas,digunakan untuk termopile radiasi.
3. Termokopel secara sederhana merupakan perpaduan antara dua logam
yang berbeda jenis, yang persambungan (kopel) kedua logam diberikan
pengkondisian suhu yang berbeda (panas dan dingin).
4. Dari pengamatan kenaikan suhu, didapat hasil yan meliputi harga rata
rata yaitu 3,03 x 10-3, deviasi rata – rata yaitu 0,88 x 10-3 , deviasi standar
yaitu 1,09 x 10-3, deviasi fraksional yaitu 35,97 %, deviasi rerata yaitu
29,04 %, ketelitian yaitu 70,96 %.
5. Dari pengamatan penurunan suhu, didapat hasil yang meliputi harga
rata- rata yaitu 2,8 x 10-3 deviasi rata – rata yaitu 0,96 x 10-3, deviasi
standar yaitu 1,15 x 10-3, deviasi fraksional yaitu 41,07 %, deviasi rerata
34,29 %, Ketelitian yaitu 65,71 %.
6. Dari grafik dapat dilihat bahwa setiap kenaikan suhu yang terjadi
mengakibatkan kenaikan tegangan. Tetapi, setiap penurunan suhu, akan
mengakibatkan menurunnya nilai tegangan.
7. Praktikum gagal dilaksanakan dikarenakan alat-alat pada saat praktikum
tidak memadai salah satunya rusaknya multimeter digital,tidak ada
satupun multimeter yang dapat digunakan di laboratorium fisika.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2015. Buku Petunjuk Praktikum Fisika Dasar. Institut Pertanian
Stiper.Yogyakarta.
Nugroho Djoko, 2009 . Mandiri Fisika Untuk SMA Kelas 3 . Erlangga.
Jakarta.
Purwadi dkk, 2000. Panduan Praktikum Fisika Dasar FMIPA UGM.
Yogyakarta.
Mengetahui
Co.Ass
Yogyakarta,15 Maret 2015
Praktikan
(Nurlaila Fatmawati)
(Andreas K S B)