Jurnal EduMatSains, 1 (2) Januari 2017, 165-176
Penggunaan Pasco Capstone 14.1 untuk Menentukan Koefisien Konveksi Udara dengan Metode Pendinginan Air Taat Guswantoro* Program Studi Pendidikan Fisika, Universitas Kristen Indonesia Jln. Mayjend Sutoyo, No.2, Cawang, Jakarta Timur, 13630 *e-mail:
[email protected] Abstract Water cooling occurs since the heat energy of water is transferred to the air. Water is placed in a thin transparant vessel can reduce the effects of heat transfer by radiation and conduction, so the most dominant heat transfer is convection. Newton's law of cooling states that the rate of cooling is directly proportional to the temperature difference between the object and room temperature. By knowing the value of constant cooling, the air convection coefficient can be calculated. This study using three different sizes of cups, each of which is filled with hot water. In each glass inserted temperature sensors that connected to the interface, recording the temperature every 60 seconds using pasco capstone 14.1. The resulting graph was analyzed by exponential regression, in order to find the value of constant cooling, from this value can be calculated the air convection coefficient. The research result shows air convection coefficient value of h 19,9 0, 6 W/m2OC, that mean if there is an object that has an area of 1 m2 and 1OC higher than room temperature, the thermal energy of the object will be lost of 19.9 J for each second. Keywords: Water cooling, heat transfer, air convection coefficient.
konveksi paksa lebih dari 31% (Putra,
PENDAHULUAN Benda bersuhu tinggi ketika berada di
2005).
udara bebas akan kehilangan energi panas
Proses transfer panas secara konveksi
karena energi panasnya ditransfer oleh
menyebabkan benda panas akan menjadi
partikel-partikel
benda
dingin. Sebuah sistem pendingin dengan
tersebut secara konveksi. Transfer panas
memanfaatkan konveksi alami akan lebih
secara konveksi dapat terjadi secara baik
efektif ketika menggunakan penukar panas
alami maupun secara paksaan yaitu dengan
berupa pipa dan kawat, seperti penukar
mengalirkan fluida pada benda panas agar
panas pada lemari pendingin. Efisiensi dari
fluida tersebut mengambil panas dari benda.
penukar
Koefisien konveksi paksa suatu fluida akan
konveksi
meningkat ketika fluida tersebut diberikan
penukar panas, Ma’sum pada tahun 2012
suspensi partikel padat berukuran nano.
berhasil meningkatkan efisiensi penukar
Fluida air bersuspensi partikel nano Al2O3
panas sebesar 4% dengan massa penukar
dan mendapatkan peningkatan koefisien
panas berkurang 19%.
udara
disekitar
165
panas
yang
bergantung
memanfaatkan pada
geometri
Taat Guswantoro
Jurnal EduMatSains, Januari 2017|Vol. 1| No.2
Hukum Newton tentang pendinginan menyebutkan
bahwa
laju
konveksi alami udara di dalam lingkungan
pendinginan
Laboratorium Fisika Dasar, UKI, Jakarta
berbanding lurus dengan selisih suhu benda
Timur.
dengan suhu ruangan. Penurunan suhu pada pendinginan mengikuti kurva peluruhan,
KAJIAN TEORITIS
dengan
Kalor dan Kalor Jenis
mengetahui
konstanta
waktu
peluruhan maka dapat ditentukan koefisien konveksi
suatu
fluida.
Kalor adalah satu bentuk energi yang
Penggunaan
dapat berpindah dari satu benda ke benda
perangkat lunak akan memudahkan dalam
yang lain karena adanya perbedaan suhu.
perhitungan
Ketika dua benda yang memiliki perbedaan
koefisien
konveksi
ini,
Ramadhanti menggunakan Coachlab II+
dua suhu
untuk
berpindah (dari yang suhu tinggi ke suhu
menentukan
koefisien
konveksi
bahan-bahan tertentu. Software
bertemu
maka kalor
akan
yang rendah). Misalnya kita mencampurkan
pasco
dapat
air panas dengan air dingin maka kita akan
digunakan untuk mencatat data temperatur
mendapatkan air yang hangat. Pemberian
dan tekanan secara realtime dan otomatis,
kalor pada benda mengakibatkan dua hal
dengan sensor dan interface yang telah
yaitu, kenaikan suhu dan perubahan wujud.
terkalibrasi
Disamping
Banyak kalor yang di gunakan untuk
mampu mencatat suhu dan tekanan pada
menaikan suhu di rumuskan sebagai berikut:
dengan
capstone
akurat.
Q = m.c.∆T
software pasco capstone juga dibekali plot grafik
dan
analisis
memudahkan dalam
regresi,
sehingga
(1)
Banyak kalor yang di gunakan untuk
menganalisa data.
mengubah wujud adalah
Penggunaan program pasco capstone dapat
Q = m.L
(2)
digunakan untuk mencatat penurunan suhu
Q = m.U
(3)
pada air yang dibiarkan mendingin, serta
Dengan c adalah kalor jenis zat (J/kg °C),
dapat langsung menganalisis persamaan
Q adalah banyaknya kalor (J), m adalah
suhu terhadap waktu dari hasil pencatatan,
massa benda (kg), ∆T adalah besarnya
dengan
peneliti
perubahan suhu (°C), L adalah kalor lebur
menggunakan data-data dan analisis hasil
(J/kg) dan U adalah kalor uap (J/kg)
sofware pasco untuk mendapatkan nilai
(Giancoli, 2001).
kemudahan
ini
koefisien konveksi udara. Penelitian ini bertujuan
untuk
menentukan
koefisien 166
Penggunaan Pasco Capstone 14.1 untuk Dengan TΔ adalah selisih suhu awal air
Perpindahan Panas Secara Konveksi
panas dengan suhu ruangan (oC) (Margenau,
Panas dapat berpindah secara konveksi yaitu
dengan
aliran
partikel-partikel
1953).
pembawa panas. Perpindahan panas secara
Jumlah panas yang ditransfer oleh
konveksi dapat terjadi secara alami maupun
benda ke lingkungan secara konveksi
paksaan. Besarnya panas yang dipindahkan
dirumuskan sebagai :
karena secara konveksi dirumuskan sebagai
Q hA T T0 t
berikut: Q hA T T0 t
dengan
Q t
dengan
(4)
(7)
Q adalah jumlah kalor yang t
ditransfer tiap satuan waktu (J/s), h adalah jumlah kalor yang
koefisien konveksi
(W/m2oC), A luas
dipindahkan tiap satuan waktu (J/s), h
penampang (m2), T adalah suhu benda (oC)
adalah koefisien konveksi (W/m2oC), A
dan T0 adalah suhu lingkungan (oC).
adalah luas penampang (m2), T adalah suhu
Banyaknya kalor yang hilang akibat
benda (oC) dan T0 adalah suhu lingkungan
penurunan suhu benda dirumuskan sebagai: Q mcT
(oC) (Tipler, 1998).
(8)
dengan m adalah massa benda (kg), c adalah kalor jenis benda (J/kgoC) dan ΔT
Hukum Newton Tentang Pendinginan
adalah perubahan suhu benda (oC).
Hukum Newton tentang pendinginan air menyatakan bahwa laju penurunan suhu
Air panas di dalam sebuah wadah
berbanding lurus dengan selisih suhu air
dibiarkan di udara bebas maka akan
dan ruangan, secara matematis dirumuskan
mengalami penurunan suhu, dengan energi
sebagai:
panas yang hilang sebagai berikut:
dT T T0 dt
Q maca mwcw T
(5)
dengan ma adalah massa air, ca adalah kalor
dengan α adalah konstanta pendinginan air
jenis air, mw adalah masa wadah dan cw
(s-1), T adalah suhu air (oC) dan T0 adalah
adalah kalor jenis wadah.
suhu ruangan (oC). Penurunan persamaan (1)
Penurunan suhu air ini disebabkan
akan menghasilkan persamaan: T t T0 Tet
(9)
karena terjadinya transfer panas dari air ke
(6)
udara secara konveksi, sehingga dengan
167
Taat Guswantoro mensubtitusikan
Jurnal EduMatSains, Januari 2017|Vol. 1| No.2 persamaan
(7)
ke
dengan interface pasco. Pencatatan suhu
persamaan (9) diperoleh:
dilakukan dengan software pasco capstone
T hA T T0 t ma ca mwcw
versi14.1 yang terinstall dalam Acer All in
(10)
one PC, pencatatan suhu dilakukan setiap
Berdasar persamaan (10) laju penurunan
60 s selama masing-masing 2 jam. Setelah
suhu dapat dituliskan sebagai berikut:
selesai proses pendinginan massa gelas
dT hA T T0 dt ma ca mwcw
berisi air ditimbang, sehingga diperoleh
(11)
massa air (ma).
Persamaan (11) sesuai dengan persamaan
Data yang diperoleh diplotkan dalam
(5), dengan:
grafik dengan menggunakan software pasco
hA ma ca mwcw
capstone versi 14.1, selanjutnya dianalisis
(12)
pola
atau h
ma ca mwcw
(13)
A
grafik
yang
diperoleh
dengan
regresi
natural
menggunakan
analisis
eksponensial,
sehingga
diperoleh
nilai
konstanta pendinginan air dari masingmasing gelas. Untuk mendapatkan nilai
Dari persamaan (13) dapat diketahui yang
koefisien
mempengaruhi kecepatan pendinginan air
persamaan (13) dengan data tambahan yaitu
adalah koefisien konveksi, luas penampang,
massa air, massa gelas, kalor jenis air dan
masa air, masa wadah dan bahan dari
kalor jenis gelas.
konveksi
udara
digunakan
wadah.
METODE PENELITIAN Penelitian ini menggunakan tiga buah gelas yang berbeda ukuran, timbangan, sensor suhu, interface dan PC. Masingmasing
gelas
dalam
keadaan
kosong
ditimbang untuk mendapatkan massa gelas (mw), kemudian diisi dengan air panas dan dibiarkan mendingin karena proses transfer panas ke udara. Sensor suhu diletakkan pada
masing-masing
gelas,
terhubung
Gambar 1. Peralatan Penelitian 168
Penggunaan Pasco Capstone 14.1 untuk Analisis grafik yang diperoleh dari
dengan air panas 130 gram. Hasil plot dan
sorftware pasco capstone 14.1, dianalisis
analisis grafik pada gelas I diperoleh seperti
dengan
untuk
pada gambar 2. Dari gambar 2 terlihat
mendapatkan persamaan empiris dari grafik
bahwa penurunan suhu air mengikuti
yang dibentuk, dari persamaan empiris ini
eksponensial peluruhan, hal ini sesuai
diperoleh nilai konstanta pendinginan air α.
dengan pernyataan hukum Newton tentang
Untuk
koefisien
pendinginan. Pada saat awal perbedaan
konveksi udara digunakan persamaan (12),
suhu antara air dan udara lebih besar
dengan memasukkan nilai ca dan cw dari
sehingga penurunan suhu akan berlangsung
metode
regresi
mendapatkan
referensi,
linier
nilai
ca 4200 J/kgOC
yaitu
cepat, setelah suhu air menurun, maka
dan
perbedaan dengan suhu udara akan semakin
cw 840 J/kgOC.
kecil, sehingga penurunan suhu air akan menjadi
HASIL DAN PEMBAHASAN
menghasilkan
Pendinginan Air pada Gelas I Tabel
1
Merupakan
lebih
data
lama.
Hasil
persamaan
regresi
eksponensial
peluruhan sebagai berikut:
yang
4
diperoleh dari pencatatan dengan software
T 37,4e4,87t10 28,9
Pasco Capstone 14.1, yaitu waktu (t),
Dengan t dalam s dan T dalam OC.
(14)
temperatur air pada gelas I (T1), temperatur
Dari persamaan (14) ketika disesuaikan
air pada gelas II (T2), temperatur air pada
dengan persamaan (6) diperoleh suhu di
gelas
lingkungan sekitar gelas I sebesar T0 28,9
III
(T3),
dan
suhu
ruangan
O
laboratorium (T0). Rata-rata suhu ruangan
C, suhu awal air sebesar
O
Ti 37, 4 28,9 66,3
laboratorium sebesar 27,371 C. Gelas I memiliki ukuran diameter 5,13
O
C
koefisien pendinginan air 4,87 104 s-1.
cm, tinggi 8,06 cm, massa 58 gram dan diisi t (s) 0 60 120 180 240 300 360 420 ...
dan
Tabel 1. Waktu vs suhu air pada gelas I, II, III dan suhu ruangan. T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T0 (°C) 67,245 67,151 69,526 27,750 65,703 66,287 68,570 27,608 64,383 64,746 67,583 27,522 63,123 63,818 66,638 27,619 61,935 63,494 65,715 27,549 60,822 61,955 64,953 27,576 59,740 61,137 64,224 27,598 58,691 60,216 63,316 27,552 ... ... ... ... 169
Taat Guswantoro
Jurnal EduMatSains, Januari 2017|Vol. 1| No.2
Gambar 2. Grafik hubungan waktu dan suhu air pada gelas I.
bahwa pada gelas II juga sesuai dengan
Pendinginan Air pada Gelas II dan III Gelas II memiliki ukuran diameter 6,40
pernyataan
hukum
Newton
tentang
cm, tinggi 9,15 cm, massa 101 gram dan
pendinginan yang menghasilkan grafik
diisi dengan air panas 233 gram. Hasil plot
berupa grafik peluruhan sesuai persamaan
dan analisis grafik pada gelas II diperoleh
(6). Hasil regresi menghasilkan persamaan
seperti pada gambar 3. Gelas III memiliki
eksponensial peluruhan sebagai berikut: 4
ukuran diameter 8,82 cm, tinggi 11,73 cm,
T 36,7e4,14t10 29,5
massa 139 gram dan diisi dengan air panas
Dengan t dalam s dan T dalam OC.
488 gram. Hasil plot dan analisis grafik
Dari persamaan (15) ketika disesuaikan
pada gelas II diperoleh seperti pada gambar
dengan persamaan (6) diperoleh suhu di
4.
lingkungan Dari
gambar
3
terlihat
(15)
bahwa
T0 29,5
penurunan suhu air mengikuti eksponensial
sekitar O
C,
suhu
Ti 36, 7 29,5 66, 2
peluruhan, serupa dengan penurunan suhu
gelas
II
sebesar
awal
air
sebesar
O
C dan koefisien
pendinginan air 4,14 104 s-1.
pada gelas I, sehingga dapat dikatakan
170
Penggunaan Pasco Capstone 14.1 untuk
Gambar 3. Grafik hubungan waktu dan Suhu air pada gelas II. Dari gambar 4 terlihat bahwa penurunan
pernyataan
suhu air mengikuti eksponensial peluruhan,
pendinginan yang menghasilkan grafik
serupa dengan penurunan suhu pada gelas I
berupa grafik peluruhan sesuai persamaan
dan II, sehingga dapat dikatakan bahwa
(6).
pada
gelas
III
juga
sesuai
hukum
Newton
dengan
Gambar 4. Grafik hubungan waktu dan Suhu air pada gelas III. 171
tentang
Taat Guswantoro
Jurnal EduMatSains, Januari 2017|Vol. 1| No.2
Hasil regresi menghasilkan persamaan
ini dikarenakan udara di sekitar gelas akan
eksponensial peluruhan sebagai berikut: 4
T 38,4e3,56t10 30,3
menerima tambahan kalor dari air panas. Perbedaan suhu terkecil pada gelas I dan
(16)
terbesar pada gelas III, hal ini disebabkan
Dengan t dalam s dan T dalam OC.
oleh jumlah air terbesar ada pada gelas III,
Dari persamaan (16) ketika disesuaikan
sehingga udara disekitar gelas III lebih
dengan persamaan (6) diperoleh suhu di lingkungan T0 30,3
sekitar O
C,
suhu
Ti 38, 4 30,3 68, 7
gelas
III
sebesar
awal
air
sebesar
banyak
menerima
kalor
dibandingkan
dengan gelas II dan gelas I. Dari persamaan (1), (2) dan (3) dapat
O
C dan koefisien
dilihat bahwa suhu awal air hasil analisis
pendinginan air 3,56 104 s-1.
selalu lebih kecil dari suhu awal air yang tercatat oleh sensor, ini karena sistem
Perbandingan Suhu Lingkungan dengan
merupakan perpaduan antara air dan gelas,
Suhu Sekitar Gelas I, II dan III
sedangkan yang tercatat oleh sensor hanya
Tabel 2 adalah perbandingan suhu
suhu air. Perbedaan hasil analisis dan hasil
lingkungan dengan suhu sekitar gelas I, II
pembacaan pada sensor ini merupakan
dan III. Data yang tertera pada tabel 2
konsekuensi
diambil dari hasil pencatatan oleh sensor
komponen-komponen
dan hasil analisis menggunakan software
tersebut.
dari
kesetaraan penyusun
dengan sistem
Pasco Capstone 14.1. Dari tabel 2 suhu sekitar gelas yang
Perbandingan Konstanta Pendinginan
diperoleh dari hasil analisis menunjukkan
Air Pada Gelas I, II dan III.
angka yang lebih tinggi dibandingkan
Tabel
dengan suhu lingkungan laboratorium, hal
3
menyajikan
perbandingan
konstanta pendinginan air (α) dan umur panas (τ) dari gelas I, II dan III. Umur panas memiliki persamaan 1 , didefinisikan
Tabel 2. Perbandingan suhu lingkungan dan suhu sekitar gelas I, II dan III. O
sebagai
waktu
energi
panas
dapat
T0 ( C)
Gelas I
Gelas II
Gelas III
terperangkap di dalam air, atau waktu yang
Analisis
28,4
29,5
30,3
dibutuhkan air panas untuk menjadi dingin.
Sensor
27,4
27,4
27,4
1,0
2,1
2,9
ΔT0
172
Penggunaan Pasco Capstone 14.1 untuk Tabel 3. Perbandingan konstanta pendinginan air (α) dan umur panas (τ) dari gelas I, II dan III. Konstanta
Gelas I
Gelas II
Gelas III
α (s-1)
4,87 104
4,14 104
3,56 104
τ (s)
2053
2415
2808
Konstanta pendinginan air pada gelas I
panas pada gelas III adalah yang paling
adalah yang terbesar dan untuk gelas III
lama, hal ini juga ditunjukkan pada tabel 3.
adalah yang terkecil, hal ini menunjukkan
Koefisien Konveksi Udara
bahwa pada air
I akan
Air panas di dalam gelas berangsur-
mendingin paling cepat, dan air pada gelas
angsur akan mengalami penurunan suhu
ke III kan mendingin paling lambat, hal ini
karena energi panas dari air dan kaca
ditunjukkan oleh gambar 5 grafik pada
dipindahkan
gelas I paling curam peluruhannya dan
konveksi. Air mengalami pengurangan
grafik
landai
energi panas sehingga suhunya akan turun
peluruhannya. Air pada gelas I adalah yang
dan ketika suhu air, gelas dan udara berada
paling cepat mendingin sehingga umur
pada keseimbangan maka tidak terjadi lagi
panasnya paling singkat sedangkan umur
perpindahan panas, sehingga suhu air, kaca
pada
gelas
pada gelas
III
paling
ke
udara
melalui
dan udara tidak berubah.
Gambar 5. Perbandingan peluruhan suhu air dalam gelas I, II dan III 173
proses
Taat Guswantoro
Jurnal EduMatSains, Januari 2017|Vol. 1| No.2
Tabel 4. Perhitungan koefisien konveksi dari gelas I, II dan III. Gelas I
α (s-1) 4,87 104
mw (kg) 0,058
ma (kg) 0,130
A (m2) 1,50 10 2
h (W/m2.OC) 19,3
Gelas II
4,14 104
0,101
0,233
2,16 102
20,4
3,56 10
Gelas III
4
0,139 0,488 h 19,9 0, 6 W/m2.OC
Perpindahan secara konveksi dapat terjadi
secara
alami
maupun
3,86 10
ruangan
20,0
laboratorium
h 19,9 0, 6
dengan
2
W/m2.OC.
sebesar Jika
terdapat
paksaan. Konveksi secara alami pergerakan
sebuah benda seluas 1 m2 yang memiliki
partikel pemindai panas terjadi karena
suhu 1OC lebih tinggi dari suhu ruangan
perubahan massa jenis partikel tersebut
maka energi panas benda tersebut akan
setelah menerima panas, sedangkan pada
hilang sebesar 19,9 J tiap detiknya.
konveksi paksa partikel pemindai panas dengan sengaja dialirkan untuk mengambil
KESIMPULAN
panas. Pada penelitian ini partikel pemindai
Pendinginan air dapat terjadi karena
panas adalah udara di ruangan laboratorium
adanya perpindahan panas secara konveksi
tidak dengan sengaja dialirkan ke air dan
dari air panas ke udara. Pada proses
gelas, sehingga proses konveksi pada
pendinginan air persamaan suhu terhadap
penelitian ini adalah konveksi secara alami.
waktu merupakan persamaan eksponensial
Perhitungan koefisien konveksi alami
peluruhan, sesua dengan hukum Newton
dari penelitian ini dengan menggunakan
tentang pendinginan. Besarnya konstanta
persamaan (11) yang disajikan pada tabel 4.
pendinginan menunjukkan seberapa cepat
Luas penampang A diperoleh dengan
air akan menjadi dingin ketika dibiarkan
mengasumsikan bahwa gelas berbentuk
bebas
silinder dan bagian bawah gelas tidak
pendinginan tidak lepas dari besarnya
mengalami kontak dengan udara, sehingga
koefisien konveksi udara. Dari penelitian
perhitungan luas adalah luas penampang
diperoleh nilai koefisien konveksi udara
lingkaran gelas ditambah dengan luas
sebesar
selimut silinder.
berarti jika terdapat sebuah benda seluas 1
di
udara.
Besarnya
konstanta
h 19,9 0, 6 W/m2.OC,
yang
Berdasarkan tabel 4 diperoleh bahwa
m2 yang memiliki suhu 1OC lebih tinggi
besarnya koefisien konveksi udara di dalam
dari suhu ruangan maka energi panas benda
174
Penggunaan Pasco Capstone 14.1 untuk tersebut akan hilang sebesar 19,9 J tiap
Penukar Panas Jenis Pipa dan
detiknya.
Kawat, Jurnal Teknik Kimia Vol.7, No.1, September 2012 Putra, Nandy., Maulana, Syahrial., Koestoer,
UCAPAN TERIMAKASIH Penulis
mengucapkan
terimakasih
R.A.,
Danardono
A.S.,
2005,
kepada rekan-rekan dosen Program Studi
Pengukuran Koefisien Perpindahan
Pendidikan
Kalor
Fisika,
Universitas
Kristen
Konveksi
Fluida
Air
Indonesia dan kepada Pimpinan Fakultas
Bersuspensi Nano Partikel(Al2O3)
Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas
pada
Kristen Indoneisa.
Jurnal Teknologi, Edisi No. 2,
Fintube
Heat
Exchanger,
Tahun XIX, Juni 2005, 116-125 ISSN 0215-1685
DAFTAR PUSTAKA Giancolli, Douglas C.2001.FISIKA Jilid 1
Ramadhanti, Putri., Fathurohman, Apit.,
Edisi Kelima.Jakarta:Erlangga.
2014, Penggunaan Coachlab II+
Margenau, Henry., Watson, William W.,
dalam
Menentukan
Koefisien
Montgomery, C.G., 1953, Physics:
Konveksi, diakses pada tanggal 4
Principles and Application Second
april
Edition, McGraw Hill.
http://ejournal.unisri.ac.id/index.php
Ma’sum, Zuhdi., Arsana, Made., Malik,
Ali.,
Perpindahan
dari
/jipf/view/1806/751.
Fathurrahman., Priyono, Wahyudi., Altway,
2016
Tipler, P.A., 1998, Fisika untuk Sains dan
2012.
Analisis
Teknik
Panas
dengan
Jakarta : Erlangga
Konveksi Bebas Dan Radiasi pada
175
Jilid
1
(Terjemahan),
Taat Guswantoro
Jurnal EduMatSains, Januari 2017|Vol. 1| No.2
176
