BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Teori Dasar

 BAB II LANDASAN TEORI
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Teori Dasar
Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengkonversikan energi listrik
menjadi
dingin atau panas dan energi panas menjadi listrik secara langsung
(generator termoelektrik), atau sebaliknya.
2.2 Sejarah Singkat Termoelektrik
Pada tahun 1821 fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan oleh
ilmuwan
Prusia, 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 menggerakkan jarum
kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.
Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier
untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua
buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan,
terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan
panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling
berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini
kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang
kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.
Setelah itu, perkembangan termoelektrik tidak diketahui dengan jelas
sampai kemudian dilanjutkan pada tahun 1913 oleh WW Coblenz yang
menggunakan tembaga dan constantan (campuran nikel dan tembaga). Dengan
efisiensi konversi sebesar 0,008 persen, sistem yang dibuatnya itu berhasil
membangkitkan listrik sebesar 0,6 mW.
AF Ioffe melanjutkan lagi dengan bahan-bahan semikonduktor dari
golongan II-V, IV-VI, V-VI yang saat itu mulai berkembang. Hasilnya cukup
mengejutkan, di mana efisiensinya meningkat menjadi 4 persen. Ioffe melakukan
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
4
BAB II LANDASAN TEORI
satu lompatan besar di mana ia berhasil menyempurnakan teori yang berhubungan
dengan material termoelektrik. Teori itu dibukukan tahun 1956 yang kemudian
menjadi rujukan para peneliti hingga saat ini.
Pada tahun 1990-an penelitian termoelektrik muncul kembali setelah
sempat
menghilang hampir lima dasawarsa karena efisiensi konversi yang tidak
bertambah. Setidaknya ada tiga alasan yang mendukung kemunculan tersebut.
Pertama, pada awal tahun 1986 ada harapan besar ditemukannya material
termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi, yaitu sejak ditemukannya material
superkonduktor
dari bahan yang selama ini tidak diduga (ceramic material).
Kedua, sejak awal 1980-an, teknologi material berkembang pesat dengan
kemampuan menyusun material tersebut dalam level nano.
Ketiga, pada awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang
ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi
termoelektrik sebagai sumber energi alternatif.
Referensi:
http://www2.kompas.com/kompas-cetak/0408/07/ilpeng/1193270.htm.
Melirik
Teknologi Termoelektrik Sebagai Sumber Energi Alternatif. Edi Sukur, Post Doctoral Fellow
pada Tonen General Sekiyu KK, Jepang.
2.3 Prinsip Dasar Secara Umum
Prinsip dasar dari termoelektrik dapat ditentukan oleh beberapa efek
seperti yang telah dibahas sedikit pada sejarah singkat termoelektrik, antara lain :
efek Seebeck dan efek Peltier.
2.3.1 Efek Seebeck
Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan
Prusia, 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 menggerakkan jarum
kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
5
BAB II LANDASAN TEORI
Namun Seebeck, pada saat itu tidak mengakui ada arus listrik yang
terlibat, maka
aka dia menyebut fenomena ini efek termomagnetik, berfikir bahwa dua
logam yang dijadikan terpolarisasi secara magnetis oleh gradien suhu. Efeknya
adalah
pa tegangan, yang dihadapkan perbedaan suhu antara dua logam yang
berupa
berbeda
atau semikonduktor. Hal ini menyebabkan arus kontinu dalam konduktor
jika logam-logam
logam tersebut membentuk lingkaran lengkap (complete
(complete loop
loop).
Tegangan yang dibuat berdasarkan urutan yang memiliki perbedaan beberapa
microvolts
volts per Kelvin. Gambar 2.1 merupakan rangkaian termoelektrik yang
berfungsi
sebagai termoelektrik cooler dan termoelektrik generator :
Gambar 2.1 Termoelektrik Cooler dan Termoelektrik Generator
Berikut ini persamaan dari efek Seebeck :
dimana :
E = Gaya gerak listrik
=
(
−
)
(V)
α = Daya termoelektrik (koefisien seebeck) (V/K)
T1 = hot junction
(K)
To = cold junction
(K)
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
6
BAB II LANDASAN TEORI
Persamaan efek Seebeck dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Ilustrasi Efek Seebeck
Suatu gaya gerak listrik akan timbul ketika dua sambungan bahan
konduktor A dan B yang berbeda, dijaga pada temperatur yang berbeda (Gambar
2.3).
Gambar 2.3 Diagram sirkuit dimana Seebeck menemukan efek Seebeck
Seebeck. A
dan B adalah dua logam yang berbeda
Dengan timbulnya arus listrik akibat adanya efek seebeck pada konduktor
dalam rangkaian tersebut, maka timbul panas yang disebut dengan efek Joule
dengan sifat yang tidak dapat dibalik (irreversible).
(
). Persamaan efek Joule dapat
ditulis sebagai berikut:
Q = I2 . R
dimana
Q = Kalor Joule
(W)
I = Arus listrik
(V/K)
R = Hambatan
(Ω)
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
7
BAB II LANDASAN TEORI
Kalor yang timbul akan merambat secara konduksi dari permukaan panas
ke permukaan dingin. Proses perambatan ini bersifat tidak dapat dibalik
(irreversible) yang disebut juga dengan efek konduksi dengan persamaan:
qc = U (T1-T0)
dimana
qc = Laju aliran kalor konduksi
(W)
U = Konduktansi thermal total keseluruhan
(W/K)
T1 = Temperatur permukaan panas
(K)
T0 = Temperatur permukaan dingin
(K)
2.3.2 Efek Peltier
Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier
untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua
buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan,
terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan
panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling
berbalik begitu arah arus dibalik (Gambar 2.4). Penemuan yang terjadi pada tahun
1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah
yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Panas
Peltier {Q} diserap oleh junction yang lebih rendah per unit waktu sama dengan,
q=Φ.I
dimana
q = Heat efek peltier
(W)
Φ = koefisien peltier
(V)
I = Arus listrik
(A)
Gambar 2.4 Ilustrasi Efek Peltier
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
8
BAB II LANDASAN TEORI
Perhitungan nilai COP cascade (Gambar 2.5): (sumber: Thermoelektric
Technical Reference)
Gambar 2.5 Cascade Stage
 Mula – mula hitung temperatur modul 1 dan 2 dengan persamaan,
T m 12 = (0.5 x I2) x (R m2 + R m1) + (K m1 x T h) + (K m2 x Tc)
I x (αm 1 – αm 2) + Km 1 + Km 2
 Setelah mendapatkan temperatur modul 1 dan 2, lanjutkan dengan
menghitung kalor yang diserap oleh sisi dingin,
Qc = (α m2 x Tc x I) - (0.5 x I2 x Rm2 ) – (K m2 x (T m12 - Tc))
 Untuk mendapatkan nilai daya input, sebelumnya harus diketahui nilai Vin
dengan persamaan dibawah ini,
Vin = (α m2 x (T m12 - Tc)) + (I x Rm2) + (α m1 x (Th - T m12)) + (I x Rm1)
 Nilai Vin yang telah diperoleh diolah sehingga mendapatkan nilai Pin,
P in = V in x I
 Maka COP cascade dapat diperoleh dari persamaan,
COP cascade = Qc/Pin
dimana
Tm12
= temperatur modul antara temperatur modul 1 dan 2
(K)
I
= arus
(A)
Rm1
= hambatan pada modul 1
(Ω)
Rm2
= hambatan pada modul 2
(Ω)
Km1
= konduktivitas termal modul 1
(W/m.K)
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
9
BAB II LANDASAN TEORI
Km2
= konduktivitas termal modul 2
(W/m.K)
= temperatur sisi panas
(K)
Tc
= temperatur sisi dingin
(K)
αm 1 = koefisien Seebeck modul 1
(V/K)
αm 2 = koefisien Seebeck modul 2
(V/K)
Qc
= kalor yang diserap
(watt)
Pin
= daya input
(watt)
Th
2.4 Pendinginan Termoelektrik
Sebuah modul termoelektrik tersusun dari pasangan-pasangan balok
semikonduktor (thermocouple) berbahan Bismuth Telluride yang telah diberi
impurities (doped). Semikonduktor Tipe-N telah diberi impurities oleh bahanbahan yang memberikan elektron tambahan, sehingga jumlah elektronnya menjadi
berlebih. Sebaliknya pada semikonduktor Tipe-P yang telah diberi impurities
bahan-bahan yang mengurangi jumlah elektron, sehingga terdapat lubang-lubang
(holes) yang nantinya akan menerima elektron dari Tipe-N. Pada Gambar 2.6
dijelaskan ketika terjadi beda potensial, elektron-elektron yang mengalir dari
semikonduktor tipe-P ke tipe-N akan menyerap energi kalor dari sisi dingin.
Ketika elektron-elektron mengalir dari semikonduktor tipe-N ke tipe-P akan
dilepaskan energi kalor ke sisi panas. Sehingga daerah di sekitar sambungan
dingin akan menjadi dingin dan daerah di sekitar sambungan panas harus
diberikan alat penukar kalor agar modul tidak rusak akibat overheating.
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
10
BAB II LANDASAN TEORI
Gambar 2.6 Sistem Pendingin Termoelektrik
Berdasarkan teori yang telah dijelaskan, maka pendingin termoelektrik
sangat sesuai digunakan pada alat cool box sebagai tempat penyimpanan darah
sementara yang mudah dibawa kemana-mana karena merupakan alat pompa kalor
yang berbentuk solid (solid-state heat pump). Berbentuk solid artinya alat ini tidak
menggunakan refrigeran sebagai media perpindahan kalor, oleh karena itu
termoelektrik memiliki bentuk yang ringkas dan ramah lingkungan. Prinsip kerja
termoelektrik ini adalah berdasarkan pada efek Peltier. Pada efek ini disebutkan
bahwa dari dua kawat material berbeda (kawat termokopel) di mana masingmasing ujung kawat material membentuk sambungan satu sama lainnya yang
apabila diberi perbedaan tegangan, akan menghasilkan perbedaan temperatur.
Perbedaan temperatur yang dihasilkan ini sebanding dengan jumlah arus searah
yang dialirkan sehingga nantinya akan ada sambungan yang menyerap kalor dan
ada sambungan yang melepaskan kalor.
Dalam memilih spesifikasi modul termoelektrik didasarkan pada beban
kalor, beda suhu dan parameter listrik yang digunakan. Karena kelebihan sistem
pendingin termoelektrik adalah tidak berisik, mudah perawatan, ramah lingkungan
dan tidak memerlukan banyak komponen tambahan.
Selain itu manfaat lain dari termoelektrik sebagai mesin pendingin adalah
dapat mengurangi polusi udara. Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) dan
chlorofluorocarbons (CFC) dikenal sebagai ozone depleting substances (ODSs),
yaitu substansi yang meyebabkan penipisan lapisan ozon merupakan zat yang
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
11
BAB II LANDASAN TEORI
sudah lama dipakai dalam mesin pendingin. Namun, baru-baru ini telah
diterbitkan regulasi mengenai penggunaan zat-zat tersebut dalam mesin
pendingin, sehingga mesin pendingin berteknologi termoelektrik menjadi solusi
cerdas
dalam masalah ini. (Tellurex, 2008).
2.5 Pemasangan Rangkaian Termoelektrik
Dalam pemasangan termoelektrik, terdapat dua cara pemasangan. Yang
pertama dengan cara single (Gambar 2.7) yaitu pemasangan secara terpisah dan
kedua yaitu dengan cara cascade (Gambar 2.8) yaitu pemasangan dengan
yang
cara menumpuk.
Gambar 2.7 Pemasangan secara single
Gambar 2.8 Pemasangan secara cascade
Dalam pemakaian termoelektrik secara cascade rangkaian yang dapat
digunakan, yaitu rangkaian pararel (Gambar 2.9).
Modul 1
Modul 2
+
Gambar 2.10 Rangkaian pararel termoelektrik
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
12
BAB II LANDASAN TEORI
2.6 Dasar Teori Mengenai Darah
2.6.1 Pengertian Darah
Darah adalah cairan yang terdapat pada semua makhluk hidup (kecuali
tumbuhan)
tingkat tinggi yang berfungsi mengirimkan zat-zat dan oksigen yang
dibutuhkan
oleh jaringan tubuh, mengangkut bahan-bahan kimia hasil
metabolisme, dan juga sebagai pertahanan tubuh terhadap virus atau bakteri.
Istilah medis yang berkaitan dengan darah diawali dengan kata hemo- atau
hemato- yang berasal dari bahasa Yunani haima yang berarti darah.
Gambar 2.10 Darah
Darah manusia adalah cairan jaringan tubuh (Gambar 2.10). Fungsi
utamanya adalah mengangkut oksigen yang diperlukan oleh sel-sel di seluruh
tubuh. Darah juga menyuplai jaringan tubuh dengan nutrisi, mengangkut zat-zat
sisa metabolisme, dan mengandung berbagai bahan penyusun sistem imun yang
bertujuan mempertahankan tubuh dari berbagai penyakit. Hormon-hormon dari
sistem endokrin juga diedarkan melalui darah.
Trombosit Pekat (Plattelets Consentrate) isi utamanya adalah trombosit,
meskipun pada proses pembuatannya mungkin masih tertinggal beberapa leukosit,
eritrosit dan sedikit sekali plasma. Tetapi hal ini tidaklah dalam jumlah yang
bermakna. Sediaan produk ini bisa sebanyak 150 – 400 ml jika diambil dengan
cara trombaferesis (menggunakan mesin pemisah komponen), namun jika diambil
dari pemrosesan darah lengkap maka paling banyak volume yang didapat hanya
50 ml saja.
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
13
BAB II LANDASAN TEORI
Trombosit pekat yang diproses dari darah lengkap kisaran konsentrasi
trombositnya adalah sebanyak 5 X 1010 trombosit. Jika diproses dari
trombaferesis kisaran konsentrasinya adalah sebanyak 3 X 1011.
2.6.2
Kegiatan Unit Transfusi Darah
Kegiatan transfusi darah tidak dilakukan dengan sembarangan, ada alur –
alur yang harus dilalui meliputi Seleksi Donor, Pengambilan Darah, Pemeriksaan
Serologi, Pengolahan Komponen Darah, Penyimpanan Darah dan Pendistribusian
Darah.
1. Seleksi Donor
Seleksi donor darah bertujuan untuk menjamin kesehatan dan
keselamatan donor (pemberi), resipen (penerima) dan petugas.
Untuk pendonor harus memenuhi persyaratan berupa beberapa kriteria
kondisi fisik yang disebutkan dibawah ini:

Keadaan umum : pendonor tidak dalam keadaan sakit, minum
alkohol dan tidak menderita penyakit seperti: penyakit jantung,
paru – paru, hati, ginjal, kencing manis dan penyakit darah.

Umur donor : berumur antara 17-60 tahun

Suhu tubuh : suhu tubuh tidak melebihi 37 ᵒC

Nadi : denyut nadi berkisar antara 60-100 kali per menit.

Tekanan darah : tekanan darah antara 100-160 mmHg

Haid, kehamilan dan menyusui : setelah selesai haid, 6 bulan
melahirkan dan 3 bulan setelah tidak menyusui diperkenankan
menyumbangkan darahnya.

Pendonor harus terhindar dari penyakit kulit dan penyakit infeksi.
2. Pengambilan Darah
Pengambilan darah dilakukan pada donor yang telah lolos seleksi.
Penyadapan (pengambilan) darah harus menggunakan alat – alat yang
steril. Segera setelah penyadapan, darah harus disimpan pada lemari
pendingin dengan suhu 1-6 ᵒC, kecuali darah yang akan diolah menjadi
trombosit pekat harus disimpan dengan suhu antara 20-24 ᵒC.
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
14
BAB II LANDASAN TEORI
Untuk pengamanan darah, pemeriksaan serologi harus dilakukan
terhadap semua darah sebelum ditranfusikan. Pemeriksaan serologi
meliputi uji saring darah, uji konfirmasi golongan darah dan uji saring
alloantibodi.
3. Pengolahan Komponen Darah
Pengolahan komponen darah adalah tindakan memisahkan komponen
darah donor dengan prosedur tertentu menjadi komponen darah yang
siap dipakai (Gambar 2.11). Dalam proses tersebut aspek kualitas dan
keamanan harus terjamin untuk mendapatkan produk akhir yang
diharapkan.
Gambar 2.11 Trombosit
Ketentuan umum pengolahan darah:

Sterilitas harus diperhatikan sewaktu menyimpan komponen
darah.

Darah untuk pembuatan komponen darah disimnpan pada suhu
yang sesuai kemudian diolah menjadi komponen maksimal
dalam waktu 8 jam sesudah pengambilan darah.

Unit datah yang akan diolah nmenjadi trombosit harus
disimpan pada suhu 20-24 ᵒC.
4. Penyimpanan Darah
Darah terbagi menjadi 4 jenis komponen yaitu wole blood (darah
campuran), PRC (sel darah merah murni), sel darah putih dan
trombosit yang masing – masing memiliki temperatur penyimpanan
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
15
BAB II LANDASAN TEORI
yang berbeda – beda. Untuk menyimpan darah berupa wole blood dan
Sedangkan untuk menyimpan trombosit pekat dibutuhkan suhu antara
20-24 ᵒC.
Lama penyimpanan trombosit pekat tergantung pada beberapa hal :
a. jumlah trombosit : semakin banyak jumlah trombositnya maka antar
trombosit semakin cepat terjadinya agregasi sehingga mudah rusak.
sel darah merah dipakai blood refrigerator yang bersuhu 1-6 ᵒC.
b. volume plasma : Plasma berguna sebagai media hidup trombosit
sehingga proporsi yang tepat akan memperlama usia trombositnya.
c. suhu simpan : dulu penyimpanan trombosit mengikuti suhu simpan
darah lengkap saat ini diketahui bahwa suhu ideal untuk penyimpanan
trombosit pekat adalah berkisar antara 20 – 24ᵒC. Sehingga ketepatan
kisaran suhu simpan bisa memperlambat kerusakan trombosit.
d. goyangan : berbeda dengan komponen lainnya, maka trombosit
yang tersimpan dalam kantong darah perlu selalu bergerak untuk
menghindari agregasi.
e. permeabilitas kantong darah : trombosit adalah bagian darah yang
memerlukan asupan oksigen yang adekuat sehingga permeabilitas
kantong darah yang baik akan mem-pengaruhi sirkulasi oksigen ke
dalamnya.
Bila faktor-faktor tersebut dapat diatur dengan baik, maka trombosit
pekat dapat disimpan selama 5 hari jika menggunakan lemari khusus
ber”agitator” pada suhu kisaran 22 derajat celcius dan menjadi hanya
3 hari jika disimpan pada lemari pendingin biasa bersuhu kisaran 4
derajat celcius tanpa goyangan.
Darah tidak boleh beku, karena darah beku dapat
menyebablan hemolisis dan menimbulkan reaksi transfusi hebat.
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
16
BAB II LANDASAN TEORI
5. Pendistribusian Darah
Pendistribusian darah adalah penyampaian darah dari UTD ke Rumah
Sakit melalui Bank Darah Rumah Sakit atau institut kesehatan yang
berwenang.
Proses pendistribusian juga sangat penting dalam menjaga kualitas
suatu darah. Alat yang digunakan harus mampu menjaga temperatur
darah sesuai temperatur yang diijinkan.
Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box
Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia
17