Tugas Makalah & Presentasi tentang Panas, Kelas A (Term 2, 2007/2008)

PEMANAS DAN PENDINGIN AIR

  Ahmad Murtadho (0706165835)

   Derry Novadatu (0706271645)

   Erik Dominikus (0706271670)

   Fabian (0706271696)

   I Wayan Wiprayoga W. (0706271840)

   Juanito Gunawan (0706271885)

   Muhammad Mishbah (0706165955) 

I. PENDAHULUAN

  Memanaskan air adalah sebuah proses termodinamika yang menggunakan sumber energi untuk memanaskan air sehingga suhunya berada di atas suhu ruangan. Dengan memanaskan air, berbagai macam kebutuhan manusia akan terpenuhi, seperti kebutuhan untuk memasak, mencuci, mandi, dan lain-lain. Secara tradisional, air dipanaskan menggunakan pot, teko, panci dengan menggunakan kompor minyak atau gas. Namun, seiring dengan perkembangan zaman, kebutuhan akan air panas pun meningkat. Dibutuhkan alat-alat pemanas air baru yang lebih inovatif serta memiliki daya guna yang tinggi. Contoh dari alat pemanas air ini adalah pemanas air bertenaga surya dan dispenser. Dalam proses pemanasan air, tentunya alat-alat baru ini memiliki cara kerja yang tidak sederhana. Terdapat sebuah mekanisme cara kerja yang tentunya menarik untuk dikaji. Pada makalah ini, akan dikaji alat pemanas air yakni pemanas air tenaga surya serta pemanas air pada dispenser.

  Mendinginkan air adalah sebuah proses termodinamika yang menggunakan sumber energi untuk menurunkan suhu air di bawah suhu ruangan. Di dalam kehidupan sehari-hari, air yang telah didinginkan merupakan suatu kebutuhan yang saat ini sangat sulit untuk dihilangkan. Contohnya, kebutuhan kita terhadap batu es sebagai alat untuk mengawetkan ikan atau daging mentah, kebutuhan air dingin untuk minuman segar, kebutuhan air dingin untuk membantu penanggulangan luka, serta kebutuhan-kebutuhan lainnya. kebutuhan akan air dingin ini seolah telah menjadi sebuah kebutuhan wajib yang harus dipenuhi. Diperlukan sebuah alat-alat tertentu untuk dapat melakukan proses pendinginan air ini. Hal ini disebabkan proses pendinginan air tidak bisa kita manipulasi dengan mudah layaknya kita memanaskan air(menambahkan kalor ke air). Pembahasan mengenai cara kerja alat pendingin air ini akan kami bahas lewat pembahasan tertang pendingin air pada dispenser serta freezer.

II. TEORI FISIKA

A. Konveksi

  Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural convection) dan bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection).

  Besarnya konveksi tergantung pada : a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).

b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T).

  c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada : # viscositas fluida # kecepatan fluida # perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida # kapasitas panas fluida # rapat massa fluida # bentuk permukaan kontak

  Rumus Matematisnya : H = h x A x T

B. Konduksi

  Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Ilustrasi: Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudi yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Rumus Matematisnya (untuk benda berupa bidang datar) :

  H = -k A (T1 – T2) / L

  C. Radiasi

  Radiasi merupakan prinsip perpindahan kalor dengan cara mengirimkan pulsa-pulsa gelombang elektromagnetis dan mentransfer energinya ke suatu benda yang menyerap energinya. Contohnya : Panas Matahari yang terasa di kulit kita pada saat kita berjemur di pantai.

  Pada proses radiasi, energi termis diubah menjadi energi radiasi. Energi ini termuat dalam gelombang elektromagnetik, khususnya daerah inframerah (700 nm - 100 m). Saat gelombang elektromagnetik tersebut berinteraksi dengan materi energi radiasi berubah menjadi energi termal.

  Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah : _{4 -8 2 4} W/ m K .

  E = e T . dimana  : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10 e : emitansi (0  e  1)

  D. Hukum Thermodinamika 1

  Inti dari Hukum termodinamika yang pertama adalah: tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain." Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan pada benda. Hukum pertama termodinamika tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.

  Hukum ini juga menyatakan perubahanyang dilakukan terhadap sistem. (Perubahan energi dalam = Q – W ; dimana Q positif ketika sistem menerima panas dan negatif jika kehilangan panas. W positif jika kerja dilakukan oleh sistem dan negatif jika kerja dilakukan pada sistem). Selanjutnya, dari hukum pertama termodinamika ini menyatakan bahwa jumlah total energi di alam selalu konstan.

  E. Hukum Thermodinamika 2

  Inti dari Hukum termodinamika yang kedua adalah:

  Kalor mengalir secara spontan dari suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih tinggi ke suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendah dan tidak dapat mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

III. APLIKASI PRINSIP FISIKA DALAM PEMANAS DAN PENDINGIN AIR

A. Pemanas Air Tenaga Surya

  Cara kerja alat ini terbilang sederhana. Terdapat termos besar penampung air berkapasitas antara 180 - 600 liter air. Terdapat pula kolektor lebar untuk menerima sinar matahari, serta pipa-pipa yang menyerap panas di sekitar panel. Kolektor ini terbuat dari bahan sejenis kaca yang digunakan untuk memerangkap panas matahari seperti peran CO2 pada proses pemanasan global. Ketika pagi hari, air dipompa dari sumur ke tangki penyimpan hingga penuh. Kemudian saat matahari bersinar, pompa dibawah kolektor dihidupkan untuk menggerakkan fluida kerja. Fluida kerja yang bersirkulasi tersebut akan mentransfer kalor dari kolektor ke tangki penyimpan air. Setelah sore hari maka air hangat dari tangki penyimpan dapat digunakan untuk mandi atau keperluan yang lain. Tempat penampungan air dapat ditempatkan di dalam atau di luar ruangan.

  Di malam hari, atau saat cahaya matahari sangat sedikit, sirkulasi dalam kolektor dapat distop dengan menutup katup, atau memberhentikan pompa sirkulasi, untuk menjaga air tetap dalam keadaan hangat. Prinsip kerja alat ini adalah menggunakan prinsip radiasi, konduksi, serta konveksi. Radiasi yang digunakan adalah radiasi sinar matahari yang datang dari luar angkasa. Sinar matahari ini membawa panas dan kemudian menyalurkan panasnya ke kolektor tempat menampung sinar matahari. kolektor yang telah panas ini kemudian membuat fluida kerja yang melaluinya menjadi panas pula. Hal ini disebabkan adanya proses perpindahan kalor secara konduksi dari yang sudah ditampung. Selanjutnya, akan terjadi peristiwa konveksi di dalam penampung air yang menyebabkan air menjadi panas secara lebih merata. Peristiwa ini menyebabkan air menjadi panas dan siap untuk digunakan.

B. Dispenser

  Secara bahasa, dispenser berarti alat untuk mengendalikan pengeluaran air. Dispenser merupakan alat yang digunakan sebagai pengatur (keran) pengeluaran air minum yang tersedia di dalam botol galon. Pada dasarnya, dispenser memiliki beberapa tipe yakni tipe tradisional dan tipe modern.

  Dispenser tradisional berupa semacam kendi yang dilubangi dan diberi keran. Dispenser ini tidak memiliki fungsi apapun selain sebagai alat pengatur keluarnya air dari galon. Dispenser ini pun sangat sederhana karena dispenser ini tidak memerlukan sumber energi (listrik) untuk dapat digunakan. Cara menggunakan dispenser ini sangatlah sederhana. Kita cukup menaruh galon yang berisi air ke atasnya sehingga posisi gallon menelungkup ke bawah. Lalu, dispenser dapat digunakan dengan membuka atau menutup keran sesuai dengan kebutuhan.

  Dispenser modern adalah dispenser dengan fungsi tambahan yang dapat memanaskan/mendinginkan air. Cara kerja dispenser modern mirip dengan cara kerja AC, kulkas dan lain-lain (menggunakan konveksi paksa). Pada dispenser jenis ini, kita dapat memilih untuk mendapatkan air dingin, panas, atau air dengan suhu ruangan (biasanya, tingkat kepanasan air diwakili oleh warna keran-keran yang berbeda-beda).

  Proses mendinginkan air pada dispenser modern: Coolant (fluida pendingin) dialirkan

  dengan cepat sehingga tekanan coolant menurun. Karena tekanannya menurun, suhunya pun ikut turun(adiabatik). Kalor dari pipa akan pindah ke coolant yang senantiasa mengalir dan bersentuhan dengan pipa(konduksi). Dengan demikian, temperatur pipa turun. Disamping itu, pipa juga bersentuhan dengan air, dan saat air belum dingin (temperaturnya lebih tinggi daripada temperatur pipa), kalor dari air akan pindah ke pipa. Kalor tersebut kemudian pindah ke coolant seperti yang tadi dijelaskan. Pada suatu titik yang jauh dari pipa yang dekat air dalam aliran coolant, coolant dilambatkan sehingga tekanannya meningkat dan suhunya meningkat. Hal ini menyebabkan kalor dari coolant akan pindah ke casing dispenser, kemudian ke udara dan benda-benda di sekitar dispenser.

  Proses memanaskan air pada dispenser modern: menggunakan resistive heating atau

  disebut juga ohmic heating. Arus listrik diadakan pada suatu kawat sehingga timbul panas pada kawat tersebut. Kawat tersebut kemudian diletakkan dekat air. Terjadi perpindahan kalor secara konduksi dari kawat ke air (kalor dari kawat pindah ke air). Perpindahan kalor ini akan terus terjadi hingga terjadi kesetimbangan kalor antara kawat dengan air. Hal ini berarti air akan meningkat suhunya yang menyebabkan air itu terasa panas.

  IV. KESIMPULAN

  Kerja pemanas air dengan panel surya (solar panel) ternyata menggunakan prinsip-prinsip tentang termodinamika. Demikian pula halnya dengan kerja pendingin dan pemanas pada dispenser air yang juga menggunakan prinsip termodinamika dalam kerjanya.

  V. SUMBER ACUAN

  Arismunandar,Wiranto,Prof. Teknologi Rekayasa Surya. Jakarta: PT Pradnya Paramita. 1995 Klein. Flat Plate Solar Collector Performance Hanselman, Duane & Littlefield, Bruce. Matlab Bahasa Komputasi Teknis. Yogyakarta:

  ating

  Penerbit Andi Yogyakarta. 2002 Kristanto,P. et al. Pengaruh Tebal Plat Dan Jarak Antar Pipa Terhadap Performansi Kolektor Surya Plat Datar : http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/