BIOTERMAL

Anders Celsius
BIOTERMAL
William TB Kelvin
William JM Rankine
Materi Perkuliahan
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Termometrik
Skala Temperatur
Hukum Dasar Termodinamika
Energi
Pengaturan Suhu Tubuh
Perpindahan Panas
Penggunaan Panas dalam Kesehatan
1. TERMOMETRIK
Alat untuk mengukur suhu adalah termometer.
Contoh : termometer air raksa, termometer alkohol.
Termometer menggunakan prinsip pemuaian.
Air raksa memiliki batas muai dan titik uap tertentu.
Pada suhu -400C air raksa membeku dan diatas
3600C akan menguap.
PYROMETER OPTIK
Digunakan untuk mengukur suhu tinggi,
misalnya suhu pembakaran.
Pyrometer optik diarahkan langsung ke
dalam sumber panas, kemudian lampu
pada pyrometer dinyalakan dan diatur
sedemikian rupa sehingga sama dengan
nyala sumber panas.
Sehingga suhu
sumber dapat diketahui pada skala dalam
pyrometer optik.
2. SKALA TEMPERATUR
• Sebelum tahun 1964, skala temperatur menggunakan dua titik
sebagai titik acuan, yaitu titik es dan titik uap.
• Titik es adalah suhu dimana air membeku sehingga membentuk es
yang bertekanan 1 atm.
• Titik uap adalah suhu dimana air mendidih pada tekanan 1 atm.
• Tahun 1724, Fahrenheit : titik es (320F) dan titik uap 2120F.
• Tahun 1970-an, digunakan skala Celcius sebagai satuan standar
suhu (titik es = 00C dan titik uap 1000C).
• Satuan suhu yang lain adalah Kelvin (William TB Kelvin), dimana
suhu 0K merupakan suhu dimana secara teori energi panas tidak
ada.
• Di Inggris, suhu menggunakan skala Reaumur (R), berdasarkan
Willian John Rankin.
• Jika memakai skala yang berbeda, maka harus dikonversi.
PERBANDINGAN SKALA SUHU/TEMPERATUR
Parameter
Celcius
(T)
Kelvin
(TK)
Fahrenheit
(TF)
Rankin
(TR)
Titik
absolut nol
-273,15
0
-459,67
0
Titik es
(beku air)
0
273.15
32
491.67
Titik uap
(didih air)
99,98
(100)
373,13
211,97
(212)
671,64
Beberapa rumus konversi suhu :
9
TR  TK
5
9
TF  T  32
5
TF  TR  459,67
3. HUKUM DASAR TERMODINAMIKA
• Termodinamika berasal dari termal (panas) dan dinamika (gerak).
• Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari fenomena energi
yang berubah karena adanya perpindahan panas dan usaha yang
dilakukan.
• Ada 4(empat) hukum termodinamika :
• Hukum ke-nol termodinamika
• Hukum pertama termodinamika
• Hukum kedua termodinamika
• Hukum ketiga termodinamika
(a). Hukum ke-nol Termodinamika
• Jika dua sistem termodinamika adalah dalam keadaan
kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka ketiga
sistem diatas dalam keadaan setimbang termal.
A ~ B dan B ~ C, maka A ~ C
• Jika dua buah sistem kontak satu sama lain, maka akan
terjadi perpindahan energi diantara kedua sistem, sehingga
mencapai kesetimbangan termal.
• Contoh : ketika seseorang mengalami kedinginan yang sangat,
maka jika dipeluk oleh orang yang suhu tubuhnya normal,
maka akan terjadi perpindahan panas, sehingga suhu tubuh
kedua orang tadi menjadi setimbang (sama).
(b). Hukum pertama Termodinamika
• Dalam setiap proses, maka energi total tetap sama.
• Mudahnya : energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dihancurkan, namun dapat dikonversikan kedalam bentuk
energi yang lain.
• Suatu sistem dapat menyimpan energi menjadi energi
dalamnya yang bersifat kekal.
• Panas adalah suatu proses dimana energi ditambahkan ke
dalam suatu sistem dari sumber dengan suhu tinggi atau
energi yang hilang sehingga suhunya menjadi rendah.
• Perubahan energi dalam sama dengan jumlah energi panas
yang ditambahkan dikurangi dengan usaha yang diberikan
kepada lingkungannya.
Panas (Q)
Keadaan (U1)
proses
Keadaan (U2)
Usaha (W)
dU = dQ - dW
(c). Hukum kedua Termodinamika
• Entropi suatu sistem yang terisolasi tidak
akan setimbang dan akan terus bertambah
sepanjang waktu sampai mencapai nilai
maksimum dari kesetimbangan.
• Entropi adalah perubahan panas/kalor setiap
perubahan suhu
DS = DQ/DT
• Contoh : ketika air diberikan es, maka panas
akan terus berubah sepanjang perubahan suhu
(entropi akan terus berubah) hingga mencapai
titik maksimum kesetimbangan
Beberapa versi dari Hukum kedua
Termodinamika
• Rudolf Clausius : panas tidak dapat mengalir secara
spontan dari material suhu rendah ke material suhu
tinggi
• Lord Kelvin : tidak mungkin untuk mengkonversi panas
seluruhnya menjadi kerja/usaha.
Clausius
Q2
T2
  1
 1
Q1
T1
 adalah efisiensi. Karena itu setiap proses apapun tidak
pernah mencapai efisiensi 100 %.
Kelvin
(d). Hukum ketiga Termodinamika
• Merupakan ungkapan umum statistik dari entropi dan
kemustahilan mencapai suatu suhu nol absolut.
• Jika suatu sistem mendekati suhu absolut nol, maka seluruh
proses berhenti dan entropi sistem mencapai titik minimum.
• Walter Nernst (1906 – 1912) : entropi suatu sistem pada
suhu absolut nol adalah tetap.
• Tidaklah mungkin untuk mengubah suatu sistem ke dalam
titik nol absolut dengan berbagai prosedur yang terbatas.
Artinya sistem akan tetap pada titik absolut nol (tidak ada
perubahan substansi)
T  0, maka S  konstan
PENGATURAN SUHU TUBUH
Suhu tubuh manusia normal adalah 370C (di USA adalah 370C
sedangkan di Rusia adalah 36,60C).
Dalam grafik tampak perubahan suhu tubuh setelah beraktifitas
atau bekerja dan ketika istirahat atau tidur.
Pengaturan suhu tubuh merupakan proses yang
kompleks dari suatu proses fisiologis dimana terjadi
kesetimbangan
termal
antara
produksi
dan
kehilangan panas, sehingga suhu tubuh diupayakan
konstan walaupun suhu lingkunngan berubah.
Proses menghasilkan panas dan kehilangan panas
diatur oleh syaraf melalui pengaturan metabolisme,
sirkulasi darah, penguapan dan kerja otot.
Beberapa contoh mekanisme pengaturan tubuh
manusia :
1. Aktifitas oleh dingin
Menggigil, lapar (produksi panas)
Kulit mengkerut (kehilangan panas)
2. Aktifitas oleh panas
Pelebaran pembuluh darah kulit, berkeringat,
peningkatan pernafasan (kehilangan panas)
Lesu, nafsu makan kurang (produksi panas)
PERPINDAHAN PANAS
1.
2.
3.
4.
Konduksi
Konveksi
Radiasi
Evaporasi
1. KONDUKSI
 Konduksi adalah perpindahan panas dari suatu benda dengan
suhu tinggi ke benda lain dengan suhu lebih rendah melalui
kontak langsung.
 Umumnya terjadi kontak antara benda padat (tubuh, logam,
dll)
 Laju perpindahan panas bergantung pada besar perbedaan
suhu dan konduktivitas termal dari bahan.
DT
J q  K
[kalori / cm2 .s]
L
K = koefisien konduktivitas termal bahan, L = panjang bahan
dan DT adalah perbedaan suhu.
 Tanda negatif artinya panas berpindah dari suhu tinggi ke
randah
 Bahan penghantar panas yang baik adalah logam, sedangkan
udara merupakan penghantar panas yang jelek.
Perpindahan panas dari kulit ke udara
kulit
udara
Jq
Dx
Dx
Ti = suhu di permukaan kulit
T1 = suhu di dalam kulit
T2 = suhu udara
Ti
T1
T2
Perpindahan panas dari dalam kulit ke permukaan kulit
(T1  Ti )
(Ti  T1 )
J qs  K s
 Ks
Dx
Dx
Perpindahan panas dari permukaan kulit ke udara
(Ti  T2 )
J qa  K a
Dx
Perpindahan panas di permukaan kulit harus kontinu (Jqa = Jqs),
sehingga perpindahan panas dari dalam kulit ke udara, menjadi :
K s K a (T2  T1 )
Jq 
Ks  Ka
Dx
Ks = koef. Konduktivitas termal kulit
Ka = koef. Konduktivitas termal udara
2. KONVEKSI
 Konveksi adalah perpindahan panas dalam fluida.
 Perpindahan panas terjadi karena fluida menerima panas,
sehingga kerapatannya semakin kecil dan kemudian menguap.
Akibatnya fluida yang lebih dingin akan menggantikannya.
 Laju perpindahan panas bergantung pada besar laju alir
fluida, dan perbedaan temperatur.
 Contoh : perpindahan panas antara kulit dengan udara
J q (konveksi)  8,3V0,5 Ts  Ta  [kalori / cm2 .s]
v = laju/kecepatan udara, 8,3 = konstanta dimana seseorang
yang berdiri berhadapan dengan angin, Ts = suhu kulit dan
Ta = suhu udara.
3. RADIASI
 Radiasi adalah perpindahan panas
gelombang elektromagnetik atau foton.
melalui
pancaran
 Foton adalah energi yang dipancarkan berupa cahaya :
E = nhf
n = bilangan bulat, h = konstanta Planck (6,62 x 10-35 J/s), f
= frekuensi foton/cahaya.
 Laju perpindahan panas untuk radiasi :
J q (radiasi)  esT4 [Joule / cm2 .s]
e = emisivitas permukaan, s = konstanta Boltzmann (5,67 x
10-8 J/m2.s.T4, T = suhu radiasi
Benda hitam merupakan penyerap radiasi
yang baik (radiator).
Dalam tubuh manusia, radiasi yang
dipancarkan memenuhi persamaan :
J q (radiasi)  esAr T  T
4
w
4
s

A = luas permukaan tubuh (1,8 m2 untuk
laki-laki dewasa normal)
r = 0,85 dan Tw adalah suhu dinding atau
sekeliling
4. EVAPORASI
 Evaporasi adalah perpindahan panas dari cairan menjadi uap.
 Dalam tubuh manusia, penguapan terjadi jika :
 Ada perbedaan tekanan uap air antara keringat dan
udara sekitar.
 Suhu lingkungan rendah sehingga keringat terevaporasi
(tubuh menjadi lebih dingin)
 Adanya gerakan udara atau angin
 Adanya kelembaban
 Kehilangan panas tubuh akibat evaporasi melalui kulit
dirumuskan oleh :
J q  13,7  V0,5 (Pkulit  Pudara ) [Joule / cm2 .s]
V = kecepatan angin, Pkulit = tekanan uap air pada kulit dan
Pudara = tekanan udara
• Jika udara kering, maka evaporasi yang terjadi sebesar :
Jq (evaporasi)  580 J H2O  245x106 J / kg)
• Jika udara lembab, evaporasi tidak terjadi.
PENGGUNAAN
ENERGI PANAS
DALAM MEDIS
Energi panas sudah sejak lama digunakan dalam bidang kesehatan :
• Minyak untuk pijat, Balsem untuk pijat, rematik, encok,
penyinaran (radiasi), bahkan untuk kompres
Pengaruh panas :
• Fisik : pemuaian pada benda padat, cair dan gas.
• Kimiawi : reaksi oksidasi yang meningkat dengan meningkatnya
suhu
• Biologi : Pelebaran pembuluh darah, radang, peningkatan
sirkulasi darah dan peningkatan tekanan kapiler
PENGGUNAAN ENERGI PANAS
DALAM PENGOBATAN
1. Metoda Konduksi
a. Kompres dengan botol panas, handuk panas
b. Mandi uap
c. Mandi lumpur panas
d. Electric pads (filamen panas)
2.
Metoda Radiasi
Pemanasan permukaan tubuh baik dengan api
atau dengan cahaya.
Sumber radiasi :
1. Electric fire
2.Infra merah (l = 800 nm – 1400 nm)
3.
Metoda Elektromagnetik
Ada 2 metoda transfer panas :
1. Shortwave diathermy
2. Microwave diathermy
Shortwave Diathermy
1.
Teknik kondensor : bagian tubuh yang sakit diberikan dua pelat
sejajar, seperti elektroda. Pada permukaan elektroda diberikan
larutan elektrolit.
Dengan diberikan listrik bolak-balik (AC), maka molekul-molekul
di dalam tubuh akan berreaksi, sehingga mengurangi rasa sakit.
2. Induksi : bagian tubuh yang akan diobati, dililitkan kabel yang
kemudian dialiri arus listrik. Aliran listrik mengakibatkan
medan magnet sehingga menghasilkan arus Eddy yang akan
memanaskan tubuh.
3. Frekuensi 1 MHz cukup untuk memanaskan jaringan dalam tubuh
4. Digunakan untuk mengobati : kram otot, bursitis, neuritis,
osteoarthrosis, rheumatoid arthritis, strains, tendinitis.
5. Kontradiksi : hemorrhage, metal implants, infections,
malignancy, pacemakers, phlebitis, pregnancy, wet dressings
Microwave Diathermy
Menggunakan gelombang mikro (800 nm – 1400 nm)
Energinya terletak antara shortwave dan infra merah
Terapi ini digunakan untuk penyakit : patah tulang, abses, infeksi
bakteri, tersiram air panas, arthritis.
Hati-hati : jangan digunakan untuk mengobati kanker, diabetes,
setelah di sinar-x dan TBC.
Keuntungan : infeksi cepat sembuh, membantu relaksasi.
Kerugian : terbakar, luka pada mata.
TERMOGRAFI
• Digunakan untuk mengetahui distribusi suhu pada suatu
benda, tubuh manusia atau hewan.
• Menggunakan deteksi gelombang infra merah (900 nm – 1400
nm) yang dipancarkan oleh benda, tubuh dan hewan.
Tangan yang dililit ular
Diagnosis dengan termografi
1.
2.
3.
4.
5.
Kanker mamma
Penyakit pembuluh darah
Follow up pasca operasi karena diabetes
Nyeri persendian
dll
Skema Termografi
P
A
S
I
E
N
CAMERA
INFREMERAH
A
M
P
L
I
F
I
E
R
MONITOR
Deteksi Kanker Payudara
Deteksi Flu Burung