Makalah Fisika Teknik.docx

BAB I Pendahuluan

1.1.

Latar Belakang Di dalam menganalisis situasi-situasi fisis maka kita biasanya memusatkan perhatian kita

pada suatu bagian materi yang kita pisahkan, di dalam pikiran kita, dari lingkungan luarnya. Kita menamakan bagian seperti itu sistem. Segala sesuatu diluar sistem tersebut yang mempunyai pengaruh langsung kepada sifat sistem tersebut kita namakan lingkungan. Kemudian kita mencoba menentukan sifat sistem dengan menyelidiki bagaimana sistem tersebut berinteraksi dengan lingkungannya. Misalnya gas didalam tabung dapat merupakan sebuah sistem, dan sebuah pembakar Bunsen dan sebuah penghisap merupakan lingkungannya. Kita mencoba menganalisa bagaimana sifat gas dipengaruhi oleh aksi pengisap dan pembakar. Dalam kasus ini kita harus memilih kuantitas-kuantitas yang sesuai yang dapat diamati untuk menjelaskan suatu sistem tertentu. Kita menggolongkan kuantitas-kuantitas ini, yang merupakan sifat-sifat kasar dari sistem yang diukur dengan operasi laboraturium, sebagai yang makroskopik. Untuk prosesproses di dalam mana panas (kalor) terlibat maka hukum-hukum yang menghubungkan kuantitas-kuantitas makroskopiknya membentuk dasar pengetahuan termodinamika. Temperatur merupakan salah satu dasar ilmu termodinamika yang menjalin diskripsi makroskopik. Ukuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi panas pada suatu benda padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya menggunakan perubahan salah satu properti suatu material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik. Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur yang tertera pada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur temperaturnya. Materi ini akan membahas tentang temperatur yang terdiri dari pengertian temperatur, konsep suhu dan kesetimbangan termal, penentuan kwantitatif skala pada suhu dan sifat termometrik. Pada materi ini kita juga akan membahas beberapa jenis termometer dan skala yang digunakan pada termometer tersebut.

1

1.2.

Rumusan Masalah

Adapun rumusan makalahnya sebagai berikut: 1. Apa pengertian dari Temperatur? 2. Apa hubungan antara Kesetimbangan Termal dan konsep Temperatur? 3. Bagaimana penentuan skala Temperatur? 4. Jelaskan macam-macam skala pada Termometer? 5. Apa saja macam-macam Termometer berdasarkan sifat Termometriknya?

1.3.

Tujuan

Maksud dari tujuan penulisan makalah ini adalah : 1. Memahami konsep Temperatur dan Kesetimbangan Termal 2. Memahami bagaimana penentuan kwantitatif skala pada Temperatur 3. Mengetahui dan dapat mengonversikan macam-macam skala pada Termometer 4. Dapat mengetahui macam-macam Termometer

1.4.

Manfaat 1. Sebagai referensi bacaan mengenai Temperatur

2

Bab II Pembahasan

2.1. Konsep Temperatur dan Kesetimbangan Termal Temperatur adalah ukuran panas-dinginnya dari suatu benda. Panas-dinginnya suatu benda berkaitan dengan energi termis yang terkandung dalam benda tersebut. Makin besar energi termisnya, makin besar temperaturnya. Temperatur disebut juga suhu. Suhu menunjukkan derajat panas benda. Mudahnya, semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut. Secara mikroskopis, suhu menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran. Makin tingginya energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi suhu benda tersebut. . Energi panas akan tergantung dari ukuran tubuh (segelas akan mengandung lebih sedikit energi daripada satu bak air pada temperatur yang sama) dan juga sifat alami materi tersebut. Perasaan melalui sentuhan adalah cara yang paling sederhana untuk membedakan bendabenda panas dari benda-benda dingin. Melalui sentuhan pula kita dapat mengurutkan bendabenda menurut tingkat (orde) kepanasannya, yang memutuskan bahwa A adalah lebih panas dari B, B adalah lebih panas dari C, dan sebagainya. Kita mengatakan ini sebagai pengertian dari temperatur. Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai keadaan seimbang atau kesetimbangan termal. Dengan demikian temperatur yang tertera pada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Ke-Nol Dinamika (Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam keadaan seimbang termal dengan benda ketiga maka dua benda tersebut juga dalam keadaan seimbang termal walaupun tidak saling bersentuhan.

3

2.1.1. Kesetimbangan Termal

Gambar 1. Konsep Kesetimbangan Termal Kesetimbangan Termal tercapai bila dua benda atau sistem mencapai suhu yang sama dan berhenti untuk bertukar energi melalui panas. Ketika dua benda ditempatkan bersama-sama, objek dengan energi panas lebih tinggi yang akan kehilangan energi ke objek dengan energi panas yang lebih rendah.

Akhirnya, suhu mereka akan sama dan mereka akan berhenti

pertukaran energi panas sebagai objek tidak lebih hangat atau lebih dingin dari yang lain maka benda-benda yang telah mencapai suhu yang sama tersebut dikatakan berada dalam kesetimbangan termal. Pengujian yang logis untuk kesetimbangan termal adalah menggunakan alat ketiga sebagai alat uji, seperti sebuah thermometer. 2.1.2. Hukum Ke-nol Termodinamika

Hukum ke nol dari kesetimbangan termal adalah sesuatu yang sangat penting di dalam thermodinamika. Konsep dari hokum thermodinamika tersebut tidak disadari sepenuhnya sampai ilmu thermodinamika mengalami perkembangan.Konsep temperatur dapat dibuat secara tepat yang pertama pada temperatur yang sama dan sistem yang tidak pada kesetimbangan hermal memiliki temperatur yang berbeda. Hukum ke nol memberitahukan kita definisi operasional dari temperatur dimana tidak terpengaruh pada rangsangan physicology dari sfifat panas pmaupun sifat dingin. Sekarang kita mencoba untuk memahami maksud dari hukum ke nol. Untuk mengilustrasikan hukum ini, mari kita mempertimbangan dua sampel gas. Hal ini diperjelas dengan gas yang digunakan tidak tergantung apakah padat atau cair yang dipilih. Sample 1 a 4

berada pada volume 1 dan sample 2 berada pada volume 2 ; tekanan dimulai pada P1 da P2 secara berurutan. Pada awalnya, dua sistem dipisahkan satu dengan lainnya dalam kesetimbangan internal . Setelah itu volume dari masing-masing gas dicampur. Pada proses tersebut 2 sistem gas akan mengalami gaya kontak melalui sekat-sekat dinding pada bidang. Sehingga akan terjadi 2 kemungkinan: 1.

Ketika

terjadi

kontak,

tidak

terjadi

pengaruh

pada

2.

Sampel – sampel tersebut tidak saling mempengaruhi satu dengan lainnya

sistem

atau

Pada kemungkinan 1, dinding –dinding didefinisikan sebagai sekat. Pada situasi ini, tekanan dari dua sistem tersebut tidak berpengaruh dengan mletakkan pada keadaan saling berhubungan. Pada kemungkinan 2, ketika sampel saling berpengaruh satu dengan lainnya, kita akan mengamati bahwa tekanan akan berubah menurut waktu yang pada akhirnya mencapai nilai baru berupa p1’ dan p2’. Setelah sifat dari dua sistem pada kontak termal tidak berubah seiring perubahan waktu yang terjadi , maka kita dapat katakana bahwa dua sistem tersebut berada pada kesetimbangan termal.

Contoh Studi Kasus Kesetimbangan Termal : 1. Air bermassa 200 gram dan bersuhu 30oC di campurkan dengan air mendidih bermassa 100 gram dan bersuhu 90oC. (Kalor jenis air 1 kal/gramoC). Suhu air campuran pada saat kesetimbangan termal adalah? Solusi : Diketahui : M1 = 200 gram M2 = 100 gram T1 = 30º C T2 = 90º C c air = 1 kal/gram C Ditanya : Suhu Campuran?

5

Gambar 2. Penyelesaian Soal Kesetimbangan Termal

2. Potongan aluminium bermassa 200 gram dengan suhu 20oC dimasukkan kedalam bejana air berisi 100 gram dengan suhu 80oC . Jika doiketahui kalor jenis aluminium 0,22 kal/gramoC dan kalor air 1kal/gramoC, maka suhu akhir campuran air dan aluminium mendekati …. ? Solusi : Diketahui : M Al = 200 gram T Al = 20oC M air = 100 gram T air = 80oC C Al = 0,22 kal/gram C C air = 1 kal/gram C

6

Ditanya : suhu akhir campuran = … ?

Gambar 3. Penyelesaian Soal Kesetimbangan Termal

2.2.

Penentuan Kwantitatif Skala Suhu dan Sifat Termometrik Untuk menentukan skala suhu secara kuantitatif diperlukan suatu titik tetap. Sebelum

tahun 1954, digunakan dua titik tetap yaitu titik uap (steam point) yang dinyatakan sebagai titik tetap atas dan titik es (ice point) yang dinyatakan sebagai titik tetap bawah. Suhu pada titik uap, didefinisikan sebagai suhu air dan uap yang berada dalam keadaan setimbang pada tekanan 1 atmosfer. Dapat dinyatakan pula bahwa suhu adalah suatu besaran skalar yang dipunyai semua sistem thermodinamika sedemikian rupa sehingga kesamaan suhu adalah syarat yang perlu dan cukup untuk kesetimbangan termal. Beberapa fisis yang berubah karena adanya perubahan suhu antara lain : 1 . perubahan panjang kolom cairan (L) 2 . hambatan listrik pada kawat (R ) 3 . tekanan gas pada volume konstan (P) 4 . volume gas pada tekanan konstan (V) 7

5 .gaya gerak listrik (e) 6 . intensitas cahaya (I) Zat-zat yang mempunyai sifat yang berubah bila suhunya berubah disebut zat termometrik (thermometric substance) dan besaran-besaran fisis yang berubah bila suhunya berubah disebut sifat termometrik (thermometric property) . sejak tahun 1954 hanya satu titik tetap baku (standard) yang telah dipakai, disebut titik tripel air adalah 4,58 mmhg dan suhu pada titik tripel air adalah 273,16 K. didefinisikan bahwa nisbah (ratio) dua suhu empiric T2(X) dan T1(X) adalah sama dengan nisbah (ratio) nilai sifat termometrik X2 dan X1 yang bersangkutan, sehingga diperoleh hubungan sebagai berikut : T2(X)

X2

T1(X)

X1

Untuk memperoleh titik tripel air adalah sebagai berikut: air yang kemurnian tinggi dengan komposisi isotropik yang sama dengan air laut dimasukkan ke dalam bejana, yang bagannya terlihat dalam gambar dibawah ini.

Jika semua udara di dalam bejana sudah tidak ada karena telah didesak air, bejana ditutup rapat. Dengan memasukkan campuran pembeku kedalam ruang antara kaki kedua kaki tabung (bagian lekuk) maka terbentuk lapisan es disekitar dinding bejana bagian dalam dan bagian atas terkumpul uap air. Jika campuran pembeku diganti dengan bola thermometer maka lapisan tipis es didekatnya melebur. Selama waktu fase padatan , cairan, dn uap ada dalam kesetimbangan. System dikatakan berada pada titik tripel. Pengukur suhu dan penentuan suhu dengan menggunakan titik tripel sebagai titik tetap baku dapat dijelaskan sebagai berikut: andaikan sifat 8

termometrik yang perubahannya sebanding dengan perubahan suhu dinyatakan dengan X maka fungsi termometrik T(X) yang menentukan skala suhu dapat ditulis : T(X) = a.X Dengan: A = konstanta yang bergantung pada zat termometrik. Jika dinyatakan nilai-nilai pada titik tripel dengan indeks tr maka didapat rumus penentuan suhu untuk setiap thermometer sebagai berikut: T(X)

X

(Xtr)

Xtr

Atau T(X) = T (Xtr) X/Xtr Dengan : T(Xtr) adalah suhu triple Atau T(Xtr) = 273,16°𝐾 maka T(X) = 273,16°𝐾. X/Xtr Subsitusi persamaan (8.4) ke persamaan (8.2) didapatkan : a = 273,16 Xtr Dengan : T(X) = suhu yang hendak diukur T(Xtr) = suhu pada titik tripel

9

X

= sifat termometrik pada suhu yang akan diukur

Xtr

= sifat termometrik pada suhu tripel

A

= konstanta yang bergantung pada zat termometrik

2.3. Skala Beberapa Termometer Suhu merupakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Suhu termasuk besaran skalar dengan satuan pokoknya adalah Kelvin (K). Namun ada beberapa jenis skala yang dibuat oleh para ilmuwan yaitu: Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin. Keempat jenis dari skala pada termometer ini dinamai seuai nama penemunya.

Gambar 3. Skala Macam-macam Termometer Celcius Skala ini dibuat oleh Anders Celcius (1701 sampai 1744). Ilmuwan Swedia, Celcius membuat skala ini dengan mengambil angka 0 saat es mencair dan angka 100 saat air mendidih,

10

lalu Celcius membagi skala 0 dan 100 menjadi 100 bagian yang sama pada tekanan 101.330 pascal. Reamur Skala ini dibuat oleh René Antoine Ferchault de Réaumur, tahun 1731 dari Perancis. Reamur membuat skala ini dengan mengambil angka 0 saat es mencair dan angka80 saat air mendidih, lalu Reamur membagi skala 0 dan 80 menjadi 80 bagian yang sama pada tekanan 101.330 pascal. Fahrenheit Skala ini dibuat oleh Gabriel Fahrenheit (1686 sampai 1736). Ilmuwan Jerman Fahrenheit membuat skala ini dengan mengambil angka 0 saat es yang dicampur garam ditetapkan sebagai titk nol dan mengambil angka 32 sebagai titik lebur es serta 212 sebagai titik didih air. Fahrenheit membagi angka antara 32 dan 212 menjadi 180 bagian yang sama besar pada tekanan 101.330 pascal. Kelvin Dikatakan suhu mutlak jika suhu suatu benda sudah tidak dapat diturunkan lagi. Suhu mutlak ini disebut suhu nol absolut. Dalam skala celcius suhu ini berada pada 273,15°C dibawah nol derajat Celcius ( minus 67 273.15°C). Fisikawan sepakat menyebut suhu ini sebagai nol derajat Kelvin (0 K). Nama ini diambil dari seorang fisikawan besar Inggris yang bernama Lord Kelvin (1824 sampai 1907). Berdasar skala mutlak ini, es mencair pada 273 K dan air mendidih pada 373 K pada tekanan 101.330 pascal. Harga skala Kelvin samadengan skala Celcius.

11

Tabel 1. Hubungan antara skala Termometer

Rumus Konversi Suhu 1. Celsius-Fahrenheit

2. Celsius-Reamur

3. Celsius-Kelvin

12

Contoh Studi Kasus Konversi Suhu Suhu suatu benda jika diukur menggunakan termometer skala Celsius menunjukkan angka 20º C. Berapakah suhu benda itu jika diukur dengan: a. Skala Fahrenheit b. Skala Reamur c. Skala Kelvin

Penyelesaian:

Diketahui : suhu benda = 20º C

Ditanya : a. Suhu dengan satuan º F b. Suhu dengan satuan º R c. Suhu dengan satuan K

Jawab:

a. 20º C = ( 9/5 × 20 + 32 º F = ( 45 + 32 )º F = 77º F

Jadi, suhu benda pada skala Fahrenheit adalah 77º F.

b. 20º C = ( 4/5 × 20)º R = 16º R

Jadi, suhu benda pada skala Reamur adalah 16º R.

c. 20º C = (20 + 273)K = 293

Jadi, suhu pada skala Kelvin adalah 293 K.

13

2.4. Beberapa Jenis Termometer Termometer menurut Kanginan (2007:54) adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu dengan tepat dan menyatakannya dengan suatu angka. Pembuatan termometer pertama kali dipelopori oleh Galileo Galilei (1564 – 1642) pada tahun 1595. Alat tersebut disebut dengan termoskop yang berupa labu kosong yang dilengkapi pipa panjang dengan ujung pipa terbuka. Mula-mula dipanaskan sehingga udara dalam labu mengembang. Ujung pipa yang terbuka kemudian dicelupkan kedalam cairan berwarna. Ketika udara dalam tabu menyusut, zat cair masuk kedalam pipa tetapi tidak sampai labu. Beginilah cara kerja termoskop. Untuk suhu yang berbeda, tinggi kolom zat cair di dalam pipa juga berbeda. Tinggi kolom ini digunakan untuk menentukan suhu. Prinsip kerja termometer buatan Galileo berdasarkan pada perubahan volume gas dalam labu. Tetapi dimasa ini termometer yang sering digunakan terbuat dari bahan cair misalnya raksa dan alkhohol. Prinsip yang digunakan adalah pemuaian zat cair ketika terjadi peningkatan suhu benda.

Termometer adalah alat untuk mengukur suhu dengan cepat dan menyatakan dengan suatu angka. Saat ini banyak jenis-jenis temometer. Jenis termometer ini tergantung pada jangkauan suhu yang diukur, ketelitian ang diingkan dan sifat-sifat dari bahan yang digunakan. Contoh sifat - sifat zat yang biasa digunakan untuk membuat termometer adalah: 1.

Pemuaian suatu kolom cairan dalam suatu kapiler,

2.

Hambatan listrik dan seutas kawat platina,

3.

Beda potensial pada suatu termokopel,

4.

Pemuaian suatu keeping bimetal,

5.

Tekanan gas pada volum tetap,

6.

Radiasi yang dipancarkan benda.

Beberapa sifat yang mutlak dibutuhkan oleh sebuah termometer adalah: 1.

Skalanya mudah dibaca,

2.

Aman untuk digunakan,

3.

Kepekaan pengukurannya,

4.

Lebar jangkauan suhu yang mampu diukur. 14

TERMOMETER

SIFAT TERMOMETRIK

LAMBANG

Cair

Panjang kolom cairan

L

Gas Volume Konstan

Tekanan gas

P

Gas Tekanan Konstan

Volume

V

Resistor Listrik

Resistansi Listrik

R

Termokople

Elektromotansi termal (ggl)

E

Temistor

Arus

I

Pirometer

Intensitas cahaya

I

Tabel 2. Termometer dengan sifat termometriknya

2.4.1. Termometer Zat Cair Dalam Gelas

Gambar 4. Termometer Zat Cair Dalam Gelas

Termometer yang umum digunakan adalah termometer zat cair dengan pengisi pipa kapilernya adalah raksa atau alkohol. Pengukur suhu ruang biasanya menggunakan raksa. Sedangkan untuk mengukur suhu yang sangat rendah biasanya menggunakan termometer alkohol. hal itu dikarenakan alkhohol memiliki titik beku yang sangat rendah, yaitu -114oC. Termometer zat cair dalam gelas disebut juga termometer cairan, cairan yang paling banyak dipakai untuk mengisi tabung thermometer adalah air raksa .

15

KEUNTUNGAN

KERUGIAN

1. Pemuaiannya merata dan teratur

1. Harganya mahal

2. Peka terhadap perubahan suhu.

2. Tidak dapat mengukur suhu di bawah -40oC

3. Tidak membasahi dinding kaca pada saat memuai dan menyusut.

3. Raksa termasuk zat beracun sehingga sangat berbahaya jika termometer pecah

4. Titik bekunya rendah (-40oC) dan titik didihnya tinggi (350oC) sehingga dapat mengukur suhu yang relatif rendah maupun suhu yang tinggi. 5. Warnanya mengkilap sehingga memudahkan pembacaan skala. Tabel 3. Keuntungan dan Kerugian Termometer Zat Cair Dalam Gelas 2.4.2. Termometer Gas Volume Konstan Sesuai dengan namanya, termometer ini dibuat berdasarkan pada perubahan tekanan gas karena adanya perubahan temperatur. Volume gas dapat membesar karena kenaikan temperatur yang diikuti oleh penurunan tekanan gas dan dapat mengecil karena penurunan temperatur yang diikuti oleh kenaikan tekanan gas. Jadi, pada termometer gas volume tetap, thermometric property-nya adalah tekanan gas (p) yang diwakili oleh perubahan panjang kolom air raksa (raksa). Ini berarti p = p ( T ).

16

Gambar 5. Termometer Gas Volume Tetap Apabila benda yang akan diukur temperaturnya (A) disentuhkan pada bola B, maka gas dalam bola B akan memuai dan mendesak air raksa dalam pipa C ke bawah dan dalam pipa E ke atas. Pipa C dan pipa E dihubungkan dengan pipa karet D yang lentur dan dapat ditarik ke bawah atau ke atas. Apabila gas bola B memuai dan mendesak air raksa dalam pipa C, maka volume gas bertambah. Agar volume gas tetap seperti semula, yaitu pada pengatur permukaan raksa, maka pipa karet D dapat dinaikkan atau diturunkan, sehingga volume gas pada bola B dapat dijaga tetap.

Pada keadaan 1, misalnya pada titik tetap es yang sedang melebur atau air yang sedang membeku di bawah tekanan udara luar 1 atmosfer, tinggi raksa adalah h1 dan tekanannya p1. Pada keadaan 2, misalnya pada titik didih air atau titik embun air di bawah tekanan udara luar 1 atmosfer, tinggi raksa adalah h2 dan tekanannya adalah P2. Dalam hal ini kita dapat melakukan interpolasi linier (membuat titik-titik atau harga tertentu diantara kedua titik tetap) dan ekstrapolasi linier (membuat titik-titik tertentu di luar kedua titik tetap).

17

Jika kaki-kaki manometer mempunyai luas penampang yang sama, misalnya seluas A, tinggi cairan raksa yang berada di atas tanda volume tetap (pengatur permukaan raksa) adalah h, sedangkan massa jenis raksa adalah ñ, maka untuk percepatan gravitasi bumi g dan tekanan udara luar sebesar po, berlaku persamaan-persamaan berikut.

Dengan menggunakan persamaan (p V / T) = C dengan volume V tetap dan subsitusi sederhana dapat diperoleh persamaan: T = T1 + {(h – h1) / (h2 – h1)}{T2 – T1} Dimana : T1 = temperatur titik lebur es atau titik beku air pada tekanan udara luar 1 atmosfer = 00C = 273 K dan h1 = tinggi raksa pada saat disentuhkan pada es yang sedang melebur T2 = temperatur titik didih air atau titik embun air pada tekanan 1 atmosfer = 1000o C = 373 K h2 = tinggi raksa pada saat disentuhkan pada air sedang mendidih, sedangkan h adalah sembarang posisi permukaan raksa di kaki E, maka temperatur T dapat diketahui, karena temperatur T merupakan fungsi linier tinggi raksa h.

18

2.4.3. Termometer Resistor Listrik

Gambar 6. Termometer Resistor Listrik

Termometer resistor adalah termometer yang dibuat berdasarkan perubahan hambatan jenis suatu penghantar karena adanya perubahan suhu. Termometer resistor memiliki thermometric property berupa hambatan suatu konduktor. Termometer ini berfungsi untuk mengukur suhu yang tinggi Persamaan fungsi termometer hambatan dapat ditulis : R = R(T) Artinya hambatan sebagai thermometer property akan berubah terhadap perubahan suhu. Termometer

hambatan

menggunakan

logam

karena logam akan

bertambah

besar

hambatannya terhadap arus listrik jika panasnya bertambah. Jika suhu bertambah, elektronelektron tersebut akan bergetar dan getarannya semakin besar seiring dengan naiknya suhu. Dengan besarnya getaran tersebut, maka gerakan elektron akan terhambat dan menyebabkan nilai hambatan dari logam tersebut bertambah. Platinum adalah logam yang paling sering digunakan untuk termometer hambatan karena tingkat kestabilannya serta daya yang tidak berubah drastis dengan tegangan.

19

Contoh penerapan dari termometer hambatan adalah RTD (Resistor Temperature Detector) RTD merupakan termometer yang bekerja berdasarkan perubahan hambatan listrik dari suatu logam terhadap perubahan temperatur, pada umumnya apabila suatu logam dipanaskan maka hambatan listriknya akan naik sesuai dengan temperaturnya. Komponen RTD terdiri dari elemen perasa berupa filament listrik yang diselubungi oleh sebuah pelindung. Sebagai filament listrik yang baik pada umumnya digunakan platina, tembaga dan karbon. Bahan hambatan harus mempunyai sifat : 1. penghantar panas 2. induktansi minimum 3. tidak tedapat tegangan listrik fisik 4. homogeny RTD ini kemudian ditempelkan pada permukaan zat yang suhunya akan diukur. Biasanya hambatan diukur dengan mempertahankan arus tetap yang besarnya diketahui dalam termometer tersebut dan mengukur beda potensial pada kedua ujung hambatan dengan pertolongan potensiometer yang sangat peka. Termometer jenis ini juga dapat berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi atau hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu resistansinya semakin besar. RTD terbuat dari sebuah kumparan kawat platinum pada papan pembentuk dari bahan isolator. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 oC dibawah 500 oC dan 0,1 oC diatas 1000 oC. Hubungan antara resistansi dan suhu penghantar logam merupakan perbandingan linear. Resistansi bertambah sebanding dengan perubahan suhu padanya. Besar resistansinya dapat ditentukan berdasarkan rumus : T(R) = 273,16. R/Rtr Keterangan : R = resistansi logam murni Rtr = Perubahan suhu resistansi 20

Contoh penggunaan RTD adalah untuk pengontrolan temperatur di line fuel gas (pipa berbahan bakar gas). Hal ini diperlukan pengontrolan (pengendalian) temperatur agar suhu yang ada pada pipa tersebut selalu dalam keadaan stabil sehingga dapat dijadikan bahan bakar kompressor. Uap gas (vavour) yang dihasilkan dari produk drum akan dipanaskan di heat exchager sehingga uap gas tersebut dapat dijadikan gas bahan bakar kompressor. Alat yang digunakan untuk mengontrol temperatur uap gas, merupakan salah satu peralatan atau instrumen pabrik. Apabila alat ini tidak beroperasi maka temperatur yang diinginkan tidak akan tercapai sehingga kompressor tidak dapat bekerja dan pabrik tidak dapat beroperasi secara normal dan secara otomatis produksi pabrikpun menjadi berkurang. Untuk itu digunakan instrumen pengukur temperatur yaitu Resistance Temperature Detector (RTD) yang berperan mengawasi dan mengontrol temperatur gas. RTD ini bekerja berdasarkan perbandingan perubahan temperatur dengan besaran tahanan listrik dari logam yang terdapat pada sensor RTD tersebut, dan jenis logam yang sering digunakan adalah platina (Pt 100).

2.4.4. Termokopel

Gambar 7. Termokopel Termokopel / thermocouple merupakan sensor suhu yang paling sering

atau kebanyakan

digunakan pada boiler, mesin press, oven, dan lain sebagainya. Termokopel dapat mengukur temperatur 21

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. Hal ini disebut sebagai efek termo elektrik. Perbedaan ini umumnya berkisar antara 1 hingga 70 microvolt setiap perbedaan satu derajat celcius untuk kisaran yang dihasilkan dari kombinasi logam modern. Jadi sangat penting untuk di ingat bahwa termokopel hanya mengukur perbedaan temperatur diantara 2 titik, bukan temperatur absolut. Jadi temokopel tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu ruangan karena tidak ada perbedaan antara ujung pengukuran dengan ujung referensi / ujung pada kedua kawat logam. Tersedia beberapa jenis termokopel, tergantung aplikasi penggunaannya 1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu −200 °C hingga +1200 °C. 1. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy)) Tipe E memiliki output yang besar (68 µV/°C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik. 2. Tipe J (Iron / Constantan) Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 µV/°C 3. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy)) Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C pada 900 °C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K 4. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)

22

Termokopel tipe B, R, dan S adalah termokopel logam mulia yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah termokopel yang paling stabil, tetapi karena sensitifitasnya rendah (sekitar 10 µV/°C) mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi (>300 °C). 5. Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium) Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.

6. Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium) Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10 µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064.43 °C). 7. Type T (Copper / Constantan) Cocok untuk pengukuran antara −200 to 350 °C. Konduktor positif terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan. Sering dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga. Type T memiliki sensitifitas ~43 µV/°C Termokopel hanya sebuah sensor suhu jadi dalam berbagai aplikasi seperti pada pengaturan suhu boiler, penggunaan termokopel biasanya digabung atau dihubungkan dengan temperatur controller sebagai pembaca dan pengatur temperatur boiler tersebut. Termokopel paling cocok digunakan untuk mengukur rentangan suhu yang luas, hingga 2300°C. Sebaliknya, kurang cocok untuk pengukuran dimana perbedaan suhu yang kecil harus diukur dengan akurasi tingkat tinggi, contohnya rentang suhu 0--100 °C dengan keakuratan 0.1 °C. Untuk aplikasi ini, Termistor dan RTD lebih cocok. 2.4.5. Termistor

23

Gambar 8. Termistor Termistor (thermistor) adalah komponen semikonduktor yang memiliki tahanan (resistansi) yang dapat berubah dengan suhu/temperature. Thermistor merupakan singkatan dari thermally sensitive resistor, yang berarti resistor yang peka atau sensitif terhadap suhu. Ada dua jenis termistor, yaitu: PTC (Positive Temperature Coefficient) dan NTC (Negative Temperature Coefficient ). Termistor PTC adalah jenis termistor yang nilai resistansinya meningkat dengan meningkatnya suhu. Sedangkan, termistor NTC adalah jenis termistor yang tahanannya atau resistansinya menurun ketika suhu meningkat. berikut ini gambar simbol termistor.

simbol termistor Termistor NTC adalah termistor yang pertama kali ada dan di temukan pada tahun 1833 oleh Michael Faraday. Faraday melaporkan perilaku dari semikonduktor sulfida perak, ia melihat resistansi dari sulfida perak yang menurun drastis karena suhu meningkat. Namun, karena sulitnya pembuatan termistor tersebut serta aplikasi-aplikasinya untuk teknologi terbatas, pembuatan termistor secara komersil tidak pernah di mulai sampai tahun 1930. Pembuatan termistor komersil baru di buat oleh Samuel Ruben pada tahun 1930.

24

Termistor digunakan dalam berbagai aplikasi, dan berikut ini beberapa aplikasi termistor yang paling populer: 1. Sensor Suhu Mungkin ini sudah sangat jelas, termistor berfungsi sebagai sensor suhu yang biasa digunakan dalam berbagai aplikasi. Termistor merupakan salah satu jenis sensor suhu yang paling akurat dalam pengukurannya, selain itu termistor memiliki stabilitas jangka panjang yang sangat baik (tidak terpengaruh oleh penuaan), mungkin inilah salah satu alasan yang menjadikan termistor begitu di terima menjadi sensor yang paling menguntungkan untuk banyak aplikasi, termasuk pengukuran suhu dan kontrol. Termistor berbeda dengan RTD (Resistor Temperature Detector), bahan-bahan termistor umumnya merupakan keramik atau polimer, sementara RTD menggunakan logam murni. Termistor juga memiliki waktu respon yang lebih cepat dari pada RTD. Selain itu RTD juga digunakan dalam rentang suhu yang lebih besar, sementara termistor hanya dalam rentang suhu yang terbatas sekitar - 90⁰ C sampai 130⁰ C, namun termistor mungkin memiliki ke akuratan pengukuran yang lebih baik dibanding RTD. 2. Pembatas lonjakan arus Termistor biasanya juga digunakan sebagai pembatas lonjakan arus. Termistor membatasi lonjakan arus untuk menghindari kerusakan komponen secara bertahap dan untuk mencegah sekring atau juga circuit breaker putus atau trip. Jenis termistor yang biasanya digunakan sebagai pembatas arus ini adalah termistor NTC. Jadi pada awalnya resistansi termistor yang tinggi akan menahan aliran arus yang besar, dan ketika dalam beberapa detik arus terus mengalir,

termistor

memungkinkan

NTC arus

akan

memanas, normal

sehingga mengalir

resistansinya ke

menurun

dan

rangkaian.

3. Proteksi sirkuit Termistor juga bisa digunakan untuk melindungi sirkuit atau rangkaian dengan cara memutus aliran arus (sebagai pengganti sekring). Jenis termistor yang digunakan untuk melindungi sirkuit ini adalah termistor PTC. Jadi pada normalnya termistor PTC akan 25

membolehkan aliran arus mengalir ke rangkaian, dan ketika ada arus berlebih yang mengalir melalui termistor, maka termistor PTC akan memanas, dan memanasnya suhu atau meningkatnya suhu ini akan meningkatkan resistansi dari termistor PTC, sehingga aliran arus akan terputus. Gambar rangkaian yang ditunjukkan di bawah ini akan menjelaskan bagaimana sebuah rangkaian sederhana yang akan aktif ketika suhu atau temperatur meningkat. Dimana rangkaian tersebut menggunakan komponen thermistor, resistor tetap, transistor dan tegangan supply. Jadi begini, resistansi termistor akan menurun saat suhu meningkat, sehingga termistor menyuplai arus basis transistor, yang transistor akan aktif dan menjadi konduktor mengalirkan arus ke beban. Nilai resistor tetap tergantung pada termistor yang digunakan.

Gambar Rangkaian Termistor 2.4.6. Pirometer

26

Gambar 9. Pirometer Pirometer Optik (Optis) merupakan termometer sekunder, dalam arti pirometer optik digunakan untuk mengukur temperatur di atas 10000C sampai 12000C. Karena suatu benda yang bertemperatur lebih dari 5000C akan memancarkan cahaya yang dapat dilihat (cahaya tampak). Hal ini dapat dilihat dengan jelas dalam kegelapan. Intensitas cahaya tampak akan meningkat dengan bertambahnya temperatur. Pada suatu benda yang bertemperatur 6000C akan tampak cahaya merah tua, pada temperatur 7000C tampak cahaya merah, pada temperatur 8500C tampak cahaya merah muda, dan jika temperaturnya 10000C tampak cahaya jingga kekuning-kuningan. Setelah temperatur benda lewat 10000C sampai 12000C, benda akan memancarkan cahaya putih kekuning-kuningan. Di atas temperatur 12000C, benda akan memancarkan cahaya dengan perubahan warna yang lambat dan perubahan intensitas yang cepat. Ini berarti, intensitas cahaya yang kelihatan oleh mata bertambah dengan sangat cepat dan intensitas segala warna bertambah serta warna cahaya mendekati maksimum. Prinsip dasar pengukuran temperatur dengan pirometer optik ada dua, yaitu: (1) dengan menentukan intensitas cahaya tampak, dan (2) dengan menentukan perbandingan dua intensitas cahaya tampak. Cara yang terbanyak digunakan adalah cara membandingkan dua intensitas cahaya tampak yang dipancarkan oleh benda hitam sempurna (black body radiator) dengan benda lain yang ditera. Jadi, Thermometric Property dari termometer pirometer optik adalah intensitas cahaya, sehingga: I = I( T ). Jenis-jenis pirometer optik banyak ragamnya, antara lain: (1) pirometer optik penyinaran total yang didasarkan pada hukum Stefan – Boltzmann (Et = σo T4), dan (2) pirometer optik foto elektrik yang berdasarkan pada prinsip kerja fotosel.

27

BAB III Penutup 3.1. Kesimpulan 1. Kesetimbangan Termal tercapai bila dua benda atau sistem mencapai suhu yang sama dan berhenti untuk bertukar energi melalui panas. Ketika dua benda ditempatkan bersama-sama, objek dengan energi panas lebih tinggi yang akan kehilangan energi ke objek dengan energi panas yang lebih rendah. 28

2. Temperatur atau Suhu adalah besaran fisika yang menyatakan derajat panas suatu zat. Temperatur menunjukkan derajat panas benda. Mudahnya, semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut. Secara makroskopis, suhu menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat getaran. Makin tingginya energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi suhu benda tersebut. 3. Termometer yang kita kenal saat ini mempunyai empat jenis skala ukur yaitu Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin.

4. Termometer adalah alat untuk mengukur suhu dengan cepat dan menyatakan dengan suatu angka. Saat ini banyak jenis-jenis temometer. Jenis termometer ini tergantung pada jangkauan suhu yang diukur, ketelitian ang diingkan dan sifat-sifat dari bahan yang digunakan.

29