BAB II

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