BAB II LANDASAN TEORI 2.1
Sejarah dan Pengenalan Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh seorang
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 menggerakan jarum kompas.
Sumber : http://catatan-teknik.blogspot.com
Gambar 2.1 Aliran listrik timbul akibat pemanasan dua metal yang berbeda
5
Jika salah satu ujung dari dua logam yang berbeda dipanaskan, maka akan tercipta
aliran
listrik.
Fenomena
tersebut
dinamakan
efek
seebeck.
Penemuan Seebeck ini memberikaan inspirasi pada seorang ilmuwan perancis, Jean Peltier. Untuk melihat kebalikan fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang disambungkan dalam suatu rangkaian tertutup. Ketika arus listrik mengalir, maka terjadi penyerapan panas pada salah satu ujung sambungan pelepasan panas pada ujung sambungan lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus listrik dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek peltier.
2.2
Panas jenis Panas jenis merupakan energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar 1
derajat Celcius untuk setiap 1 kg berat materialnya. sebagai contoh kalor jenis air 4190 Joule/(kg °C) artinya, 1 kg air butuh energi 4190 Joule supaya suhunya naik sebesar 1°C atau sebaliknya. air seberat 1 kg suhunya akan turun 1°C jika energinya diambil sebesar 4190 Joule. Sama seperti air, udara juga mempunyai kalor jenis. Maka dengan rumus : =
.
. ∆ ..............................................................(2.1)
dimana, Q = Penambahan atau pengurangan Energi (Joule) cp = kalor jenis (kalor jenis udara : 1005 Joule/(kg 'C) m = massa atau berat = volume x berat jenis (berat jenis udara : 1.2 kg/m3) ∆T = perbedaan suhu (suhu akhir - suhu awal)
6
2.3
Insulasi kritis Bahan dengan konduktivitas termal rendah akan menurunkan laju aliran panas.
Jika nilai k lebih kecil, maka nilai resistansi termal yang berkaitan (R) akan lebih besar. Semakin tebal bahan insulator, semakin tinggi pula nilai resistansi thermal pada bahan tersebut. Untuk profil suatu tabung, resistansi termal konvektif berbanding terbalik dengan luas permukaan dan karenanya juga berbanding terbalik dengan jari-jari (radius) tabung, sedangkan resistansi termal kulit tabung (lapisan insulasi) tergantung dari rasio jari-jari luar dan dalam, bukan pada jari-jari itu sendiri. Dengan demikian, tersirat bahwa ada nilai jari-jari kritikal di mana transfer kalor mencapai maksimum. Di atas jari-jari kritikal ini, penambahan insulasi menurunkan transfer kalor. Untuk tabung terinsulasi dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Sumber : Fundamental of heat and mass transfer. Venkanna : 93-94
Gambar 2.2 Tebal insulasi kritis pada silinder
7
Untuk menghitung jari jari kritikal dihitung dengan persamaan berikut
=
=
.........................................(2.2)
Persamaan ini menunjukkan bahwa jari-jari kritikal tergantung hanya pada koefisien transfer panas dan konduktivitas termal dari insulasi. Jika jari-jari tabung yang tidak terinsulasi lebih besar dari jari-jari kritikal insulator, penambahan insulator dalam jumlah apapun akan menurunkan transfer panas.
2.4
Hukum termodinamika Ada baiknya jika kita memahami hukum termodinamika. yaitu sebagai berikut:
Hukum no. 0 berbunyi : Seimbang secara termodinamika artinya suhunya sama. Jika sebuah benda menempel pada benda lain, maka pada titik kontak pertemuan kedua benda tersebut terjadi keseimbangan termodinamika, yaitu memiliki suhu yang sama.
Hukum no. 1 berbunyi : energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan. Tapi hanya berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain.
Hukum no. 2 berbunyi : panas akan mengalir secara alamiah dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah.
8
Hukum no. 3 berbunyi : pada suhu -273.15 °Celcius atau 0°Kelvin (Kelvin adalah Satuan Temperatur Standar Internasional), maka semua atom materi berhenti. Definisi temperatur absolut nol, dimana materi sudah tidak mempunyai panas dan kondisi ini tidak mungkin dapat dicapai. Dalam pembahasan mengenai sistem pendinginan pada coolbox yang berkaitan adalah Hukum no.2 .Cara panas mengalir dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah hanya melalui 3 cara, konduksi (benda padat), konveksi (cair atau gas) dan radiasi (lewat gelombang, tanpa perlu materi)
Sumber : www.fathul-ilmi.blogspot.com
Gambar 2.3 aliran panas secara konduksi Besarnya arus panas secara konduksi dihitung berdasarkan rumus :
=
.
. ∆ .......................................................(2.3)
dimana, Q = Laju panas (Watt) k = konduktifitas termal material secara konduksi (W/m2˚C) A = Luas permukaan dinding (m2) l = tebal dinding (m)
9
∆T = perbedaan suhu dinding T2 dan T1
Sumber : www.fathul-ilmi.blogspot.com
Gambar 2.4 Aliran panas secara konveksi Sementara arus panas yang melalui benda cair atau gas, seperti udara di dalam kamar, mempunyai Temperatur profil yang tidak linear. Korelasi antara arus panas dan perbedaan suhunya dapat disederhanakan seperti rumus konduksi, berbeda di koefisiennya. =
.
.
......................................................(2.4)
dimana, h = koefisien daya hantar panas (cairan atau gas) (W/m² K) A = Luas permukaan dinding (m2) ∆T = perbedaan suhu T3 dan T2
Tidak seperti k yang merupakan karakteristik material, artinya nilainya pasti untuk material tertentu, maka besarnya koefisien daya hantar panas untuk cairan atau gas (h)
10
juga tergantung pada : ada tidaknya aliran, jenis alirannya (turbulen atau searah) dan juga kecepatan alirannya. Secara umum, untuk udara dalam ruangan tertutup, nilai koefisiennya bisa diasumsikan h= 7 W/m² K
( Dossat R.J. 1961: 195-200)
Berdasarkan hukum Termodinamika no.0, maka dinding coolbox merupakan gabungan antara konduksi dan konveksi.
Sumber : www.fathul-ilmi.blogspot.com
Gambar 2.5 Aliran panas konduksi dan konveksi dan Jika disederhanakan rumusnya menjadi
=
2.5
.∆
.................................................(2.5)
Pendingin termoelektrik Pendingin termoelektrik merupakan solid state technology yang bisa menjadi
alternatif teknologi pendingin selain sistim vapor compression yang masih
11
memanfaatkan refrijeran. Dibandingkan dengan teknologi kompresi uap yang menggunakan refrijeran sebagai media penyerap kalor. Teknologi pendingin termoelektrik relatif lebih ramah lingkungan dan tahan lama. Teknologi termoelektrik telah digunakan pada beberapa bidang aplikasi seperti, peralatan kesehatan, peralatan ruang angkasa, dan produk – produk industri yang memanfaatkan modul termoelektrik sebagai pendingin. Perkembangan material semikonduktor pun ikut pula berperan dalam pengembangan teknologi pendingin termoelektrik ini. Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi 2 Te 3, PbTe, dan SiGe. Saat ini Bi2 Te3 memiliki figure of merit tertinggi.
2.5.1
Prinsip kerja pendingin termoelektrik Modul termoelektrik bekerja berdasarkan efek peltier, yaitu ketika arus DC
dialirkan ke elemen peltier yang terdiri dari pasangan semikonduktor tipe p (semikonduktor dengan tingkat energi lebih rendah) dan tipe n (semikonduktor dengan tingkat energi lebih tinggi). Maka akan mengakibatkan salah satu sisi elemen menjadi dingin karena kalor diserap. Dan elemen yang lain akan menjadi panas karena kalor dilepaskan. Sisi elemen panas – dingin tergantung dari arah aliran arus listrik. Sisi dingin pada elemen peltier, diakibatkan mengalirnya elektron dari tingkat energi yang lebih rendah yaitu semikonduktor tipe p ketingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe n. Supaya elektron dapat mengalir, maka elektron menyerap energi panas. Hal ini menyebabkan sisi elemen tersebut menjadi dingin. Demikian pula pada elemen sisi panas. Agar elektron dapat mengalir dari semikonduktor tipe n ke tipe
12
p, maka kelebihan energi pada semikonduktor tipe n harus dibuang ke lingkungan. Pelepasan energi ini mengakibatkan sisi elemen menjadi panas
Sumber : www.peltiermodules.com
Gambar 2.6 skema aliran panas pada modul peltier Penyerapan panas dari lingkungan terjadi pada sisi dingin, dan kemudian panas dilepas pada sisi panas. Sehingga panas yang dilepas pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap ditambah dengan penambahan panas oleh daya yang diberikan ke modul. Qh = Qc + Pin ....................................................(2.6)
Dimana : Qh = kalor yang dilepaskan pada sisi panas modul peltier Qc = kalor yang diserap pada sisi panas modul peltier Pin = Daya listrik yang diberikan ke modul
13
Pada gambar 2.7 terlihat TEC yang terdiri dari termokopel dengan semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n yang dihubungkan secara seri dalam aliran listrik dan secara paralel dalam aliran termal
Sumber : www.peltier.com
Gambar 2.7 Arah aliran listrik (seri), arah aliran termal (paralel) Selain ukurannya yang relatif kecil, modul termoelektrik ini memiliki kelebihan lain yaitu : •
Modul termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak, sehingga perawatannya lebih mudah
•
Pengujian usia pakai telah membuktikan bahwa modul termoelektrik bisa digunakan selama 100.000 jam
•
Modul termoelektrik tidak memiliki kandungan chloroflourocarbons (CFC) atau material lainnya yang membutuhkan penambahan berkala
•
Modul termoelektrik bisa dioperasikan pada lingkungan yang terlalu kecil bagi sistem pendingin konvensional
•
Ketelitian kontrol temperatur sekitar 0.1°C
14
Namun modul termoelektrik ini juga memiliki kelemahan yaitu efisiensi yang rendah dan adanya kondensasi pada suhu tertentu. Sehingga sampai saat ini modul termoelektrik hanya efektif pada aplikasi untuk objek pendinginan dengan daya yang kecil
2.5.2
Data teknis pada pendingin termoelektrik Data teknis yang biasanya disertakan pada modul termoelktrik antara lain
adalah ∆Tmax Imax, Qmax, Vmax, dan dimensinya (panjang, lebar, tebal). Berikut adalah penjelasan dari parameter tersebut: •
∆Tmax adalah perbedaan temperatur terbesar antara sisi panas dan sisi dingin dari sebuah modul termoelektrik. Kondisi ini hanya dapat tercapai jika
sisi dingin dari modul termoelektrik terisolasi sempurna. •
Imax adalah arus listrik yang menyebabkan terjadinya perbedaan temperatur terbesar (∆Tmax).
•
Qmax adalah batas penyerapan kalor yang dapat dilakukan oleh modul termoelektrik.
•
Vmax adalah tegangan yang dihasilkan jika arus Imax mengalir pada modul termoelektrik
15
Berikut ini adalah contoh data teknis termoelektrik TEC 12706 : Tabel 2.1 Data teknis termoelektrik Sumber : http://www.hebeiltd.com.cn/peltier.datasheet/TEC1-12706.pdf
Hot Side Temperature (ºC)
25ºC
50ºC
Qmax (Watts)
50
57
Delta Tmax (ºC)
66
75
Imax (Amps)
6.4
6.4
Vmax (Volts)
14.4
16.4
Module Resistance (Ohms)
1.98
2.30
Dengan adanya informasi parameter modul termoelektrik di atas, maka koefisien seebeck, hambatan thermal, dan hambatan listrik dapat diketahui.
2.5.2.1 Koefisien seebeck Koefisien seebeck sifat material dan memberikan kecepatan perubahan potensial listrik terhadap temperature. Nilai koefisien seebeck tergantung pada jenis material. Pada elemen peltier, nilai koefisien seebeck adalah hasil bagi antara tegangan maksimal dengan temperature sisi panas elemen peltier. Koefisien seebeck mempunyai satuan Volt/kelvin
=
!"#
............................................................. (2.7)
16
2.5.2.2 Hambatan termal Untuk kasus perpindahan panas, peristiwa difusi panas dapat dianalogikan dengan aliran arus listrik dan hambatan listrik dianalogikan dengan hambatan termal, serta beda potensial dianalogikan dengan beda temperatur. hambatan thermal mempunyai satuan Kelvin/Watt. Untuk menghitung hambatan thermal pada elemen peltier dapat digunakan persamaan di bawah ini
$=
∆ !"# %!"#. !"#
&
(
(∆ !"# )
................................. (2.8)
2.5.2.3 Hambatan listrik Hambatan
listrik adalah
perbandingan
antara tegangan
listrik dari
suatu
komponen elektronik dengan arus listrik yang melewatinya. namun pada perhitungan hambatan listrik peltier, ada faktor temperature yang dimasukkan ke dalam persamaan. Hambatan listrik mempunyai satuan Ohm dapat dirumuskan sebagai berikut :
*=
!"#
%!"#
2.6
&
(
(∆ !"# )
.......................................... (2.9)
Dasar perhitungan termoelektrik Pada Termoelektrik, jika terdapat perbedaan temperatur antar dua sambungan,
maka akan dihasilkan tegangan listrik atau efek Seebeck, secara matametis dapat ditulis: +,--.-
=∝ . ∆ .................................................(2.10)
Dimana V adalah tegangan, α adalah koefisien Seebeck (V/m), dan ΔT adalah perbedaan temperatur
antara
dua
17
sambungan
(K).
Peristiwa sebaliknya, perbedaan temperatur akan dihasilkan jika ada arus yang mengalir, yaitu efek Peltier, dapat ditulis: = ∝. 0.
Dimana
...........................................................(2.11)
Q
adalah
besarnya
kalor
yang
diserap
atau
dibuang
tergantung
sambungan(dalam satuan W), I adalah arus yang mengalir dalam sambungan termoelekktrik (dalam satuan A) dan T adalah temperatur pada sambungan baik panas maupun dingin (dalam satuan K). Sambungan yang temperaturnya menjadi dingin artinya menyerap kalor, sedangkan sambungan yang menjadi panas berarti membuang kalor. Pada saat termoelektrik terlaliri arus listrik, maka terdapat pebedaan temperatur. Jika terdapat perbedan temperatur maka terjadi efek Seebeck, oleh karena itu tegangan pada termoelektrik saat ada arus listrik yang mengalir menjadi +,--.-
= 0. *+ ∝. ∆ ..........................................(2.12)
Dimana I adalah arus yang mengalir, dan R adalah hambatan listrik dari modul termoelektrik. Kemudian, karena adanya perbedaan temperatur, maka terjadi perpindahan kalor. Karena perpindahan kalor secara konduksi sangat dominan, maka pada modul termoelektrik diasumsikan bahwa konveksi dan radiasi antara kedua sisi modul diabaikan. Oleh karenanya dapat dituliskan : ∆ = .........................................................(2.13) 2345 67 8
18
Dimana Qkonduksi adalah besarnya perpindahan kalor konduksi, θ adalah hambatan termal, dan ∆T adalah perbedaan temperatur antara kedua sisi modul termoelektrk (Sisi panas – sisi dingin). Selain itu ketika arus listrik melaui suatu bahan, maka selalu ada kalor yang di hasilkan yang dinamakan joule heating dalam satuan watt yang besarnya dapat dihitung dengan persamaan : 9:; - -
<=
= 0 . * ...........................................(2.14)
Untuk menghitung besarnya kalor yang diserap (di sisi dingin) dan kalor yang diemisikan (di sisi panas) maka semua energi (termal) yang di sebutkan di atas harus diperhitungkan. Oleh Karena itu persamaan kesetimbangan energi pada penyerapan kalor menjadi :
=∝. 0.
−
∆ 8
−
% ? .@
..................................(2.15)
Dapat dilihat pada persamaan di atas, efek peltier bernilai yang positif karena inilah menyerap kalor. Kemudian konduksi bernilai negatif karena kalor berpindah dari sisi panas ke sisi dingin. Joule heating juga mengurangi efek peltier ini karena joule heating selalu menghasilkan panas. Pada bagian joule heating besarnya dibagi dua karena dianggap total hambatan pada modul termoelektrik adalah R, sedangkan pada termoelektrik terdapat dua sisi sehingga ½ R berada di sisi dingin dan ½ R lainnya berada di sisi panas. Untuk persamaan energi di sisi yang panas, energi yang diemisikan dapat dituliskan sebagai berikut:
=∝. 0.
−
∆ 8
+
% ? .@
............................................(2.16)
19
Dapat kita lihat pada persamaan ini bahwa efek peltier bernilai positif karena menghasilkan kalor, konduksi bernilai negatif karena kalor berpindah dari sisi panas ke sisi dingin, dan joule heating bernilai positif karena selalu menghasilkan kalor. Fenomena penyerapan dan pembuangan kalor pada termoelektrik merupakan salah satu sistem pompa kalor, dimana kalor dapat dipaksa mengalir dari temperatur yang rendah ke temperatur yang lebih tinggi dengan memberikan kerja (energi) ke dalam sistem, yaitu daya listrik. Oleh karenanya berlaku persamaan: :
=
+ +. 0.........................................................(2.17)
Modul termoelektrik biasanya terdiri dari banyak pasangan material yang berbeda yang disebut dengan pelet. Sejumlah N pelet ini disusun secara seri dalam hal rangkaian listrik dan paralel dalam perpindahan kalor. Oleh karena itu total dari koefisien Seebeck, hambatan listrik dan hambatan panasnya adalah: ∝A = B. ∝ ......................................................................(2.18) *A = B. *......................................................................(2.19) $A = $/B ......................................................................(2.20)
2.6.1
Figure of merit Figure of merit merupakan parameter yang menunjukkan seberapa bagus sebuah
termolektrik modul. Figure of merit ini berbanding lurus dengan kuadrat koefisien Seebeck dan hambatan panasnya, tetapi berbanding terbalik dengan hambatan listriknya. Oleh karena itu figure of merit suatu termoelektrik dapat dihtung dengan:
20
D=
2.6.2
∝? .8 @
.....................................................(2.21)
Arus optimum Arus optimum merupakan kondisi dimana nilai arus yang mengalir ke elemen
peltier dapat membuat penyerapan panas pada sisi dingin, pada posisi arus optimum, elemen peltier sanggup untuk memompa kalor pada kapasitas maksimum. Persamaan untuk menghitung besar arus optimum adalah
0:E =
.F .(
( G) .......................................(2.22) @ (HI J . "KL (I
Temperature rata rata dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : M-
2.6.3
− 2
=
Coefficient Of Performance Dalam aplikasi pendingin TEC, COP (Coefficient of Performance) adalah suatu
kuantitas untuk mengukur efisiensi dari konversi. Jika daya listrik, P, disuplai untuk mencapai kapasitas pendinginan Qc, maka nilai COP adalah sebagai berikut:
OPQ =
R S
.........................................................................(2.23)
21
