KONVERTER TERMOELEKTRIK
-
Upload
isnaini-nur-auliya -
Category
Documents
-
view
744 -
download
55
description
Transcript of KONVERTER TERMOELEKTRIK
TUGAS LABORATORIUM FISIKA
“KONVERTER THERMOELEKTRIK”
OLEH
1. Astry Wiji Sulistiyaningrum (103184004)
2. Jhelang Anovaso (103184026)
3. Umi Fadilah (103184035)
4. Wulan Luthfi (103184045)
5. Nur Isnaini (103184047)
6. Choirotul Jannah (103184054)
7. Gustoh Pihantoro (103184060)
8. Nailul Maunah (103184067)
PENDIDIKAN FISIKA REGULER 2010
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA
2013
BAB 1
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Pertimbangan penggunaan energi pada masa sekarang ini mencakup banyak
aspek, dahulu penggunaan energi hanya berorientasi pada pemanfaatan energi sebesar-
besarnya, tanpa memperhatikan efek samping terhadap lingkungan akibat dari
pemanfaatan energi tersebut. Dengan adanya metode konservasi energi yang tepat, maka
masa habisnya energi bahan bakar fosil dapat diperpanjang. Misalnya pada sektor
transportasi, efisiensi termal yang ada pada kendaraan bermotor secara umum masih
berlangsung cukup rendah, hanya sebagian kecil yang bisa dimanfaatkan, selebihnya
merupakan panas buang yang mengalir ke lingkungan.
Menyadari banyaknya energi termal yang terbuang percuma ke atmosfir inilah,
pemanfaatan konsep efek thermoelektrik pada prototipe pembelajaran fisika menjadi
pilihan kami untuk mengkonversi energi termal yang terbuang menjadi energi listrik.
Para peneliti terdahulu juga telah mengembangkan konservasi energi panas buang, seperti
yang dilakukan oleh Rinalde et.al, yang membahas tentang mengkonversi panas buang
dari kompor kayu sebagai sarana sumber listrik pada daerah rural, sedangkan Karri et.al
meneliti efek penggunaan termoelektrik pada sistem gas buang dapat menghemat
penggunaan bahan bakar sebanyak 1,25 % pada kendaraan bermotor.
Dalam hukum termodinamika pertama dijelaskan bahwa antara hasil kalor dan
hasil usaha- baik kalor maupun usaha dapat menyebabkan perubahan pada energi dalam.
Ada perbedaan penting antara kalor dan usaha yang tidak tampak jelas pada hukum
termodinamika pertama. Salah satu wujud perbedaan ini adalah bahwa kita tidak
mungkin membuat alat yang bekerja secara siklik, menerima energi berupa kalor dan
mengeluarkan sejumlah energi yang sama besarnya berupa usaha. Kita hanya bisa
membuat alat yang bekerja secara siklik menerima energi berupa kalor dan mengeluarkan
sebagian kecil energi ini dalam bentuk usaha, hal ini yang disebut mesin kalor. Konsep
ini dapat dijelaskan dalam hukum kedua termodinamika. Dalam pembelajaran mesin
kalor, seringkali siswa beranggapan bahwa mesin kalor hanyalah konsep yang abstrak
tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Untuk memotivasi siswa tentang materi hukum
kedua termodinamika dan konversi energi termal yang terbuang menjadi energi listrik ,
maka dibutuhkan sebuah alat peraga yang dapat menjelaskan semua materi tersbut
sehingga pembelajaran tidak hanya disampaikan melalui diskusi teoritis saja. Oleh karena
itu kami menciptakan konverter termoelektrik sederhana dalam pembelajaran
termodinamika.
B. RUMUSAN MASALAH
Dari latar belakang tersebut dapat diambil rumusan masalah sebagai berikut :
Bagaimana keefektifan prototipe konverter termoelektrik dalam materi konversi energi
thermal menjadi listrik?
C. TUJUAN dan MANFAAT
Adapun tujuan dari penulisan paper ini adalah :
Mengembangkan sebuah alat peraga yang sederhana dan menyenangkan dalam materi
konversi energi.
BAB II
DASAR TEORI
Termodinamika merupakan suatu ilmu pengetahuan yang membahas hubungan antara
panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat. Maksudnya apabila suatu zat atau
benda diberi panas (suhunya dinaikkan), maka akan timbul berbagai-bagai akibat seperti
- Gas, cairan dan zat padat → memuai
- Termo-elemen membangkitkan GGL
- Kawat-kawat mengalami perubahan daya tahannya.
Dalam proses demikian, biasanya terdapat suatu pengaliran panas dan bekerjanya suatu
gaya yang mengalami perpindahan (panas) yang mengakibatkan terjadinya “Usaha atau Kerja”.
Prinsip Termodinamika
● Prinsip-prinsip Termodinamika dapat dirangkum dalam 3 Hukum yaitu :
Hukum Termodinamika ke-Nol
Berkenaan dengan kesetimbangan termal atau Konsep Temperatur.
Hukum Termodinamika I
- konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi.
- menegaskan ke ekivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja.
Hukum Termodinamika II
Memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energi dan memperkenalkan prinsip
peningkatan entropi.
Pernyataan Clausius
Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua pernyataan Kelvin -Plank, yang
diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan Clausius, yang diperuntukkan untuk mesin
pendingin/pompa kalor. Pernyataan Clausius dapat di ungkapkan sebagai berikut :
Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa
adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media
bertemperatur tinggi.
Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media
bertemperatur rendah. Pernyataan Clausius tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat
siklus yang dapat memindahkan panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur
tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi asalkan ada efek luar yang
dalam kasus tersebut dilakukan/diwakili oleh kompresor yang mendapat energi dari energi
listrik misalnya. Salah satu aplikasi dari hukum kedua thermodinamika adalah pemanfaatan
Thermoelektrik dalam mengkonversikan energi panas menjadi energi listrik atau sebaliknya.
Pengertian Termoelektrik
Teknologi termoelektrik adalah teknologi yang bekerja dengan mengkonversi energi panas
menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik
menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik, material
termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang menghubungkan sumber
panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan
yang dipakai.
Prinsip kerja dari Termoelektrik adalah dengan berdasarkan Efek Seebeck yaitu
“Jika 2 buah logam yang berbeda disambungkan salah satu ujunganya, kemudian
diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan tegangan pada
ujung yang satu dengan ujung yang lain”.( Muhaimin, 1993).
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.
Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini,
seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, atau pemanfaatan panas bumi.
Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi listrik secara
langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendingin
termoelektrik). Untuk keperluan pembangkitan lisrik tersebut umumnya bahan yang digunakan
adalah bahan semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang mampu menghantarkan arus
listrik namun tidak sempurna. Semikonduktor yang digunakan adalah semikomduktor tipe n dan
tipe p. Bahan semikonduktor yang digunakan adalah bahan semikonduktor ekstrinsik.
Terdapat tiga sifat bahan Termoelektrik yang penting, yaitu :
1. Koefisien Seebeck(s)
2. Konduktifitas panas(k)
3. Resistivitas
Pemanfaatan Termo Elektrik
1. Pembangkit daya (Power generation)
Dengan menggunakan Termoelekrik, panas yang dihasilkan selama proses yang alami
pembangkit akan diubah menjadi listrik, sehingga panas yang dihasilkan tidak terbuang secara
percuma dan energi yang dihasilkan oleh pembangkit menjadi lebih besar, serta efisiensi energi
menjadi lebih tinggi. Termoelektrik juga mengkin dapat digunakan pada sistem solar thermal
energi.
2. Kendaraaan bermotor
Pemanfaatan energi panas yang terbuang pada kendaraan bermotor dengan mengubahnya
menjadi energi listrik. Konsep yang digunakan adalah konsep Seebeck. Apabila terdapat dua
sumber temperatur yang berbeda pada dua material semi konduktor makan akan mengalir arus
listrik pada material tersebut. Konsep ini lebih dikenal dengan pembangkit termoelektrik.
Dengan menggunakan Teknologi Termoelektrik ini apabila diterapkan pada kendaraan bermotor
dimana gas buang pada mesin motor bakar berkisar antara 200-300oC sementara temperatur
lingkungan bekisar antara 30-35oC maka dengan adanya beda temperatur ini akan diperoleh gaya
gerak listrik yang kemudian dapat digunakan untuk menggerakan motor listrik atau disimpan di
dalam batere. Apabila dapat diterapkan di kendaraan hybrid maka konsumsi bahan bakar pada
kendaraan bermotor akan semakin hemat. Dengan berkurangnya konsumsi bahan bakar maka
dapat pula mengurangi emisi gas buang ke lingkungan.( Koestoer, 2008).
3. Mesin Pendingin
Termoelektrik sebagai pendingin dibuat menjadi sebuah modul semikonduktor yang jika dialiri
arus listrik DC maka kedua sisi modul termoelektrik ini akan mengalami panas dan dingin. Sisi
dingin inilah yang dimanfaatkan sebagai pendingin produk.
3. Konverter Termionik
Pembangkit listrik dengan termionik adalah mengubah energi panas menjadi energi listrik
dengan menggunakan emisi termionik. Emisi termionik adalah terlepasnya electron dari
permukaan logam yang lebih panas ke permukaan logam lainnya yang dipanasi bersama sama.
Emosi Termionik juga dikenal sebagai “Emisi Thermal Elektron”. Proses ini sangat penting
dalam pengoperasian berbagai perangkat elektronik dan dapat digunakan untuk pembangkit daya
atau pendinginan
BAB III
METODE PEMBUATAN ALAT
A. Alat dan Bahan
1. Kotak
2. Gelas stainless
3. Peltier 12 Volt
4. Lem busa
5. Lem rajawali
6. Kabel
7. Paku plat
B. Rancangan Percobaan
Gambar 3.1 Rancangan Alat Konverter
Thermoelektrik (sebelum)
8. Jepit buaya
9. Lampu 1,5 Volt
10. Jack
11. Mata bor
12. Mata cutter
13. Peltier 5 Volt
14. Sterofom
Gambar 3.2 Rancangan Alat Konverter
Thermoelektrik (sesudah)
C. Langkah Pembuatan
1. Menyiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan
2. Menyiapkan 2 buah kaleng alumunium untuk tempat wadah air panas dan air dingin
3. Masing- masing kaleng tersebut direkatkan dengan plat alumunium untuk tempat
peltier (peltier diantara kedua kaleng), tutup kaleng dilapisi sterofom dan dilubangi
untuk tempat termometer agar dapat terbaca suhunya
4. Kemudian membuat wadah untuk menjaga kedua suhu air yang berada di kaleng,
wadah ini berbentuk kotak persegi panjang dimana kedua kaleng tersebut diletakkan
ditengah-tengah wadang dengan dilapisi pembatas sterofom antara kaleng dan wadah
kotak persegi panjang tersebut, pembatas ini dikaitkan pada bagian atas, samping kiri,
samping kanan dan bawah.
5. Mengkaitkan peltier dengan kabel
6. Membuat wadah sedemikian rupa segingga kabel yang terhubung pada peltier dapat
keluar yaitu dengan melubangi tutup kotak persegi panjang tersebut
7. Kabel yang keluar tersebut di hubungkan dengan multimeter dan resistor, sehingga
dapt diukur arus yang dihasilkan
8. Alat ini praktis dibawah kemana-mana dikarenakan semua alat dan bahan sudah
terkemas dalam kotak persegi panjang tersebut.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Rancangan Biaya
No. Alat Biaya
1 Kotak 80.000,00Rp
2 Termometer 17.000,00Rp
3 Gelas Stainless 40.000,00Rp
4 Peltier 5 V @Rp45.000,00 x 3 135.000,00Rp
5 Peltier 12 V @Rp95.000,00 x 3 285.000,00Rp
6 Lem busa @Rp4.500,00 x 2 9.000,00Rp
7 Lem Rajawali 9.000,00Rp
8 Kabel 3.000,00Rp
9 Paku Plat 5.000,00Rp
10 Jepit buaya, lampu 1,5 V, Jack 4.000,00Rp
11 Mata Bor 5.000,00Rp
12 Mata Cutter 2.000,00Rp
594.000,00Rp Jumlah
B. Hasil Rancangan Alat
C. Langkah Penggunaan Alat
Alat yang dikembangkan merupakan alat demonstrasi laboratorium untuk mengukur
efisiensi energi kalor yang berubah menjadi energi listrik dengan menggunakan
thermoelektrik, ilustrasi cara kerja alat :
Sehingga energi yang dihasilkan pada sistem dapat dirumuskan :
Perhitungan dilakukan dengan asumsi :
Penentuan suhu awal dilakukan setelah suhu air, wadah dan penjepit peltier telah
dalam kesetimbangan thermal
Perpindahan kalor akan tetap terjadi, meskipun listrik yang dihasilkan tidak digunakan
Sistem ini akan benar-benar efisien apabila tidak terjadi kenaikan suhu pada reservoir
suhu rendah, sehingga W=EL.
Contoh percobaan yang telah dilakukan dengan menggunakan alat konverter thermoelektrik
ini :
Suhu awal reservoir suhu tinggi : 85oC
Suhu akhir reservoir suhu tinggi : 82oC
Suhu awal reservoir suhu rendah : 7oC
Suhu akhir reservoir suhu rendah : 9oC
Dengan menggunakan resistor 10k
Waktu pengamatan selama 10 menit = 600 s
Hubungan antara daya(mWatt) dan waktu (s) dapat digambar grafik :
V.I.t
BAB V
KESIMPULAN
Dari pembuatan alat peraga yang kami lakukan dapat disimpulkan bahwa konverter
thermoelektrik layak digunakan dalam pembelajaran fisika materi konversi energi dalam
cakupan thermodinamika.
Pemanfaatan Termo Elektrik:
o Pembangkit daya (Power generation)
o Kendaraaan bermotor
o Mesin Pendingin
o Konverter Termionik