Pompa Kalor (Heat Pump) dan Refrigerasi

Heat pump atau pompa kalor adalah suatu sistem yang dapat menyerap kalor dari suatu tempat kemudian membuangnya di tempat lain. Pompa kalor dapat digunakan sebagai pendingin jika memanfaatkan sisi penyerapan kalor , inilah yang disebut dengan sistem refrigerasi.  Sebaliknya pompa kalor juga dapat digunakan sebagai pemanas jika memanfaatkan sisi pembuangan kalornya. Contoh sederhana pompa kalor adalah air conditioner. Air conditioner menyerap kalor yang ada diruangan kemudian membuangnya ke luar ruangan.

Untuk memahami prinsip pompa kalor maka analogi pompa air dapat digunakan karena secara prinsip keduanya tidak berbeda.  Air secara alami akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi dibutuhkan suatu alat (pompa)  dan usaha/kerja/energi dari luar (mekanik). Dengan menggunakan pompa maka air yang ada di tempat yang lebih dapat dihisap dan dikeluarkan di tempat yang lebih tinggi.

Pada kalor pun terjadi hal yang sama. Kalor secara alami mengalir/berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Tinggi atau rendahnya temperatur merupakan salah satu indikasi besarnya energi kalor yang dimiliki suatu zat. Semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi energi kalornya. Untuk memindahkan kalor dari tempat yang temperaturnya lebih rendah maka dibutuhkan sistem pompa kalor. Seperti halnya pompa air, untuk menyerap kalor dan membuang kalor dibutuhkan kerja/usaha/energi dari luar. Biasanya proses pompa kalor digambarkan seperti dibawah ini.

Dimana T_s adalah suhu lingkungan, T_c adalah temperatur pada sisi penyerapan kalor, T_h adalah temperatur pada sisi pembuangan kalor, W adalah kerja dari luar, Q_c adalah kalor yang terserap dan Q_hadalah kalor yang dibuang.

Pada saat tidak ada W yang bekerja maka temperatur T_s, T_c, dan T_h adalah sama (T_s=T_h=Tc) dan tidak ada proses perpindahan kalor diantaranya. Begitu ada kerja W dijalankan maka T_c menjadi lebih rendah dibandingkan dengan T_s. Oleh karena itu energi kalor yang berada di sekitarnya terserap oleh sistem ini. Kalor yang terserap ini dibuang ke sisi Q_h sehingga temperatur T_h menjadi lebih besar dari T_s. Pada keadaan ini maka T_c < T_s < T_h.

Untuk menunjukkan sebarapa baik performa dari suatu pompa kalor, maka dikenal dengan istilah COP (Coefficient of Performance) atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan koefisien kinerja. COP ini merupakan perbandingan antara output yang digunakan dengan input yang diberikan. Pada pompa kalor, input adalah kerja dan output dapat merupakan penyerapan kalor atau pembuangan kalor. Jika pompa kalor digunakan sebagai pendingin (Refrigerasi) maka output adalah penyerapan kalor. Sebaliknya, jika pompa kalor digunakan sebagai pemanas (heater) maka outputnya adalah pembuangan kalor. Oleh karena itu COP diekspresikan dengan:

Dua jenis sistem pompa kalor yang sudah di komersilkan secara luas adalah sistem refrigerasi kompresi uap (SRKU) dan thermoelectric. SRKU merupakan sistem yang paling banyak ditemui di dalam kehidupan sehari-hari, sepeti Air conditioner (AC) dan lemari es. Keunggulan dari SRKU adalah COPnya yang sangat tinggi. Hal inilah yang menyebabkan teknologi ini belum bisa digantikan oleh teknolgi lain. Walaupun demikian, SRKU membutuhkan banyak komponen dan kurang bisa diterapkan di tempat yang kecil.

Jenis pompa kalor thermoelectric sering dijumpai sebagai pendingin elektronik seperti prosesor. Keunggulan teknologi ini adalah ukurannya yang kecil , sangat mudah diterapkan dan cukup dicatu dengan listrik searah (DC). Namun COPnya masih sangat kecil dibandingkan dengan SRKU.

Sebenarnya ada beberapa jenis lain yang dapat digunakan sebagai sistem pompa kalor namun sulit untuk dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, yaitu: sistem refrigerasi absorpsi, thermoacoustic, thermomagnetic, dan tabung vortex.

KALORIMETER

kalorimeter adalah alat untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Prinsip kerja kalorimeter adalah sebagai berikut: Kalorimeter terdiri atas bejana logam yang jenisnya telah diketahui, dinding penyekat dari isolator yang berfungsi untuk mencegah terjadinya perambatan kalor ke lingkungan sekitar, termometer, dan pengaduk. Bejana logam berisi air yang suhu awalnya dapat diketahui dari termometer. Jika sebuah bahan yang belum diketahui kalor jenisnya dipanaskan, kemudian dimasukkan ke dalam kalorimeter dengan cepat, kalor jenis itu dapat dihitung.   

Untuk mempercepat terciptanya keseimbangan termal, bersamaan dengan dimasukkannya bahan ke dalam kalorimeter, air dalam bejana diaduk. Keseimbangan termal terjadi jika suhu yang ditunjukkan oleh termometer sudah konstan. Pada saat terjadi keseimbangan termal itulah kalor jenis bahan dapat dihitung berdasarkan asas black. Pengukuran kalor jenis dengan calorimeter didasarkan pada asas Black, yaitu kalor yang diterima oleh calorimeter sama dengan kalor yang diberikan oleh zat yang dicari kalor jenisnya. Hal ini mengandung pengertian jika dua benda yang berbeda suhunya saling bersentuhan, maka akan menuju kesetimbangan termodinamika. Suhu akhir kedua benda akan sama.

Kalorimeter tidak hanya digunakan untuk mengukur kalor jenis bahan logam, melainkan dapat juga digunakan untuk keperluan lain yang berkaitan dengan kalor (jumlah kalor). Beberapa kegunaan kalorimeter yang lain adalah untuk menunjukkan asas Black, mengukur kesetaraan kalor listrik, mengukur kalor lebur es, mengukur kalor uap, dan mengukur kalor jenis cairan.

Prinsip kerja rice cooking

Bagian-bagian kelistrikan rice cooker, yaitu :

Cast Heater 

Heater ini menyatu dengan logam. Menghasilkan daya 300-400 watt, tergantung jenis cookernya. Apabila kerusakan pada bagian ini, sudah tidak memungkinkan untuk diperbaiki.

Mica heater / termistor

Heater jenis ini tertutup oleh semacam kertas (mica) yang berfungsi pada waktu warming. Heater ini juga berfungsi sebagai termistor, yaitu tahanan makin besar bila bertambah panasnya. Makin besar tahanan maka tegangan yang masuk berkurang sehingga mengurangi daya panas yang dihasilkan heater. Sehingga mampu mengontrol panas cooker saat warming supaya panasnya tetap di kisaran 70-80 celcius.

Thermostat
Dalam thermostat terdapat magnet dan pegas, pada suhu ruang gaya magnet lebih besar dari gaya pegas. Bagian metal thermostat (bagian yang kontak langsung dengan panci tempat nasi) menyensor panas dari panci apakah panasnya sudah mencapai sekitar 134 derajat celcius. Metal bila terkena panas maka daya magnet berkurang sehingga gaya pegas lebih besar dari gaya magnet. Akibatnya pegas terlepas dari magnet (menjauh) sehingga menekan tuas dan tuas menekan saklar.

Thermal Fuse

Thermal fuse berfungsi memutus arus bila panasnya melebihi kewajaran akibat adanya kerusakan dari rice cooker.

Saklar
saklar berfungsi untuk memindah dari posisi cooking ke warming maupun sebaliknya. Tombol saklar ditekan oleh tuas yang digerakkan otomatis oleh thermostat maupun secara manual melalui tombol panel.

Panel led (lampu)

Terdiri led indikator untuk posisi cooking dan warming. 

Cara kerja rice cooker:

Pada posisi cooking, saklar (swicth) terhubung. Arus listrik dari L langsung ke cast heater dan led cooking. Lampu led cooking menyala, dan cast heater menghasilkan panas secara maksimal. Bila tegangan listrik 220 volt maka cast heater juga mendapat tegangan 220 volt. Pada panas 100 celcius (titik didih air), air dalam panci sudah menguap semua. Panas dilanjutkan hingga pada 134 celcius thermostat trip (pegas lepas dari magnet), selanjutnya menekan tuas dan menggerakkan saklar menjadi off (putus), masuk ke mode warming. Saat warming, arus listrik dari L melalui mica heater (termistor) dan led warming. Tegangan yang keluar dari mica heater kurang dari 25 volt. Posisi warming, cast heater hanya mendapat tegangan kurang dari 25 volt, tegangan yang masuk ke cast heater dikontrol oleh termistor (mica heater) sehingga didapat panas yang stabil (sekitar 70-80 celcius) untuk menjaga nasi tetap hangat.

KALOR

Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancis yang bernama Antonnie laurent lavoiser (1743 - 1794). Kalor memiliki satuan Kalori (kal) dan Kilokalori (Kkal). 1 Kal sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 gram air naik 1 derajat celcius. Teori kalor dasar adalah:

·         Kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepas. Azas Black, Penemunya adalah Joseph Black (1720 - 1799) dari Inggris.

·         Kalor dapat terjadi akibat adanya suatu gesekan. Penemunya adalah Benyamin Thompson (1753 - 1814) dari Amerika Serikat

·         Kalor adalah salah satu bentuk energi. Ditemukan oleh Robert Mayer (1814 - 1878)

·         Kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energi disebut kalor mekanik.. Digagas oleh James Prescott (1818 - 1889).

Kalor merupakan salah satu bentuk energi maka satuan kalor pun sama dengan satuan energi, yaitu joule atau kalori. Kalor dapat menaikkan suhu suatu zat dan dapat mengubah wujud zat. benda yang mendapatkan kalor suhunya naik, sedang yang melepas kalor suhunya turun.Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat dinamakan kalor laten atau kalor uap. Kalor laten itu adalah banyaknya kalor yang diperlukan dan dilepaskan oleh 1 kg atau 1 g zat agar dapat mengubah wujudnya sedangkan kalor uap yaitu banyaknya kalor per satuan massa yang diberikan pada zat di titik didihnya agar wujud zat cair berubah menjadi wujud gas seluruhnya pada titik didih tersebut. Menguap dan melebur adalah peristiwa perubahan wujud yang membutuhkan kalor,
Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda (zat) bergantung pada 3 faktor yaitu:

1.      Massa zat

2.      Jenis zat (kalor jenis)

3.      Perubahan suhu

Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya. Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu adalah ukuran dalam satuan derajat panas. Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah panas baik yang diserap maupun dilepaskan oleh suatu benda. Jika suatu benda menerima / melepaskan kalor maka suhu benda itu akan naik/turun atau wujud benda berubah.

Kalor menyatakan bentuk energi yang pindah karena adanya perbedaan suhu. Kalor adalah energi yang diterima oleh sebuah benda sehingga suhu benda itu naik atau wujudnya berubah. Demikian pula, kalor adalah energi yang dilepaskan oleh sebuah benda sehingga suhu benda itu turun atau wujudnya berubah. Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dipindahkan oleh benda yang memiliki suhu lebih tinggi ke benda yang memiliki suhu lebih rendah. Kita harus membedakan pengertian suhu dan kalor.Suhu adalah ukuran derajat panas sedangkan kalor adalah ukuran banyaknya panas.

1.      K alor dapat Mengubah Wujud Zat

Jika suatu benda diberi pengaruh panas, ternyata benda tersebut mengalami perunbahan keadaan yaitu perubahan wujud dari satu bentuk ke bentuk lain. Wujud tersebut dapat berupa padat cair atau gas. Pemberian kalor akan meningkatkan suhu es, jika pemberian kalor secara terus menerus akan menjadikan es yang awalnya padat menjadi cair ketika sejumlah kalor diberikan kepada balok es  energi getaran molekul-molekul bertambah dan mengakibatkan molekul-molekul itu lepas dari ikatannya. Pada akhirnya es akan mencair. Kalor untuk mencairkan es didapatka dari lingkungan sekitarnya. Misalnya, kalor yang diserap es dari air yang berfungsi sebagai lingkunganya ataupun diserap dari gelas kaca yang mendapat pemanasan langsung dari suatu pembakaran, akibatnya suhu lingkungannya turun.

2.      Kalor dapat Mengubah Suhu suatu Benda

Kalor dapat menubah suhu suatu benda misalnya dengan mencampurkan air panas dengan air dingin dalam mangkuk, pada saat kita menumpahkan air panas ke air dingin maka energi kalor mengalir dari air ke air dingin sehingga pada akhirnya kita akan mendapatkan bahwa suhu air dalam mangkuk berada diantara suhu-suhu air sebelum dicampurkan. Hali ini menunjukkan kalor dapat mengubah suhu suatu benda.

Selain itu kita juga sering jumpai dalam kehidupan sehari-hari yaitu, ketika kita mencelupkan sebuah sendok kedalam sebuah gelasyang berisi air panas. Kemudian sendok menjadi terasa panas ketika dicelupkan kedalam air panas itu terjadi karena suhu sendok lebih rendah dibandingkan dengan suhu air, energi kalor akan mengalir dari air menuju sendok sehingga suhu sendok akan naik. Pemberian kalor menyebabkan  suhu benda berubah. Makin banyak kalor yang diberikan kepada benda, maka suhu benda makin tinggi. Berarti sebanding dengan perubahan suhu, sehingga diketahui bahwa kalor (∆Q) berbanding lurus dengan massa zat (m), kenaikan suhu (∆T), dan kalor jenis zat (c). Oleh karena itu, persamaan tentang kalor dapat dituliskan sebagai berikut :

∆Q = m c ∆T

Dengan :

∆T = perubahan suhu ( C)

c = kalor jenis benda (J/kg C)

 m = massa benda (kg),

Dalam sehari-hari kita tentu pernah merebus air. Air yang tadinya terasa dingin dan sejuk setelah direbus beberapa saat akan terasa hangat dan lama-kelamaan menjadi panas. Hal tersebut dapat terjadi karena selama direbus air mendapat energi dari api yang menyala di bawah air tersebut. energi yang dihasilkan oleh nyala api akan berpindah ke air dan berubah menjadi panas dalam air. Bentuk energi yang berpindah karena perbedaan suhu disebut sebagai energi kalor. Perpindahan energi kalor selalu terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

Jadi jika ada dua buah benda A dan B mempunyai suhu yang berbeda, dan suhu A lebih dari suhu B kemudian kedua benda tersebut  disentuhkan maka suhu A akan menurun dan suhu B akan naik hingga suhu kedua benda tersebut setimbang. Suhu air yang tadinya panas sekarang menjadi lebih dingin dan suhu air yang tadinya dingin menjadi lebih panas hal ini menunjukkan bahwa air panas melepaskan kalor dan air dingin menerima kalor dari air panas untuk menaikkan suhunya.

Tidak hanya zat cair yang dapat melepas dan menerima kalor, semua benda dapat melepas dan menerima kalor. Benda-benda yang bersuhu lebih tinggi dari lingkungannya akan cenderung melepaskan kalor, demikian juga sebaliknya benda- benda yang bersuhu lebih rendah dari lingkungannya akan cenderung menerima kalor untuk menstabilkan kondisinya dengan lingkungan di sekitarnya.

konduksi-konveksi-radiasi

PENGARUH SUHU TERHADAP BENDA DALAM KEGIATAN SEHARI-HARI

Suhu tinggi maupun rendah akan berpengaruh terhadap perubahan benda, baik dalam ukurannya, bentuknya maupun wujudnya. Jadi, ukuran, bentuk dan wujud benda dipengaruhi oleh suhu, baik suhu panas atau suhu dingin. Dari berbagai sumber asa generasiku mencoba mengurai tentang pengaruh suhu terhadap benda dalam kegiatan sehari-hari, diantaranya :

1. Pemuaian

Setiap benda (padat, cair dan gas) akan memuai jika dipanaskan. Memuai adalah bertambahnya ukuran  benda. Contoh peristiwa pemuaian yang terjadi dalam peristiwa sehari - hari :

a. Pemuaian pada benda padat

Sambungan pada rel kereta dibuat renggang. Hal ini dibuat dengan tujuan bahwa renggangan tersebut sebagai tempat ruang muai. Karena jika sambungan dibuat rapat maka ketika terjadi pemuaian akibat terik matahari rel akan melengkung. Lalu apa yang terjadi dengan kabel telpon pada siang hari yang terik ? Coba bandingkan keadaan kabel tersebut pada pagi hari dan tengah hari, mengapa demikian ?

b. Pemuaian pada benda cair

Masih ingatkah kamu dengan termometer. Ya, betul, alat pengukur suhu yang berisi air raksa. Air raksa dalam wadah termometer akan memuai jika terkena suhu tubuh. Akibat pemuaian air raksa tersebut maka akan mendorong angka pencatat termometer. Bagaimana dengan isi parfum dalam botol, mengapa tidak diisi penuh, apa tujuannya ?

c. Pemuaian pada benda gas

Ban sepeda yang telah dipompa jika dibiarkan  secara terus-menerus terkena terik matahari akan meletus. Meletusnya ban sepeda tersebut dikarenakan udara (gas) yang ada dalam ban terus bertambah akibat pemuaian, karena tidak dapat tertampung maka ban akan meletus.  Lalu bagaimana dengan balon ? silahkan lakukan percobaan !

2. Penyusutan

Menyusut adalah berkurangnya ukuran benda (padat, cair dan gas) yang disebabkan karena adanya penurunan suhu atau suhu rendah. Penyusutan adalah kebalikan dari pemuaian. Contoh peristiwa pemuaian benda dalam kehidupan sehari-hari :

a. Penyusutan pada benda padat.

Bagaimana dengan keadaan kabel telpon pada pagi hari jika dibandingkan dengan siang hari. Kabel telpon pada siang hari mengendur dan pada padi hari esoknya akan mengencang, hal itu karena pada sore hari dan malam harinya ada penurunan suhu. Jadi mengencangnya kabel telpon pada pagi hari jika dibandingkan dengan siang hari adalah karena penyusutan.  Bagaimana keadaan daun jendela rumah ketika kita buka pada musim penghujan ? Dan bagaimana keadannya jika kita membukanya pada musim kemarau? Mana yang lebih lancar dalam membukanya ? mengapa demikian ?

b. Penyusutan pada benda cair. 
Penyusutan benda cair hanya berupa ukuran dan bentuk tetapi volumenya tetap. Contohnya adalah Ketika agar-agar buatan ibu masih bersuhu tinggi (berbentuk cair) dalam wadah penuh, tetapi setelah adanya penurunan suhu maka ukurannya sedikit berkurang, tetapi volumenya tetap. Penyusutan tersebut karena merapatnya partikel zat cair. 

c. Penyusutan pada benda gas
Pernahkan kamu menyimpan sepada yang bannya telah dipompa pada teras rumah yang terbuat dari keramik dalam beberapa hari ?
Ban sepada tersebut akan berkurang tekanannya karena udara dalam ban menyusut.

Ban sepeda pecah akibat pemuaian

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. Benda gas jauh lebih mudah memuai dan menyusut dibandingkan benda cair dan benda padat. 

Ban sepeda yang dipompa keras atau diisi dengan udara, lalu diletakkan di bawah terik matahari yang menyengat dalam waktu beberapa lama, maka bansepeda akan meletus. Kejadian ini pernah saya alami saat di sekolah Dasar. Saya pergi dan pulang sekolah menggunakan sepeda. Biasanya saya memarkirkan sepeda ditempat parkiran sepeda yang sudah disediakan. Namun, parkiran tersebut tempatnya tidak ada peneduhnya. Pada saat itu harinya sangat panas, dan terik matahari menyengat. Dan saat pulang sekolah saya terkejut melihat ban sepeda saya kempes. Lalu dengan terpaksa saya harus menuntun sepada sampai kerumah. Dirumah saya coba untuk memompanya, namun udara yang masuk keluar lagi. Setelah saya amati eehh,,, ternyata ban sepeda saya bukannya kempes, tetapi bocor karena bannya terlihat ada sobekkan akibat meletus.

Hal tersebut dapat terjadi karena, udara terisi penuh dan menekan dinding ban. Dan saat terkena panas matahari, volume udara dalam ban bertambah , sehingga udara menekan dinding ban semakin kuat. Pemuaian terjadi karena suhu diluar ban pada saat itu tinggi. Sehingga, menyebabkan ban dalam sepeda tidak mampu menahan udara yang semakin meluas, akibat dari pertambahan tekana dan volume udara didalam ban. Sehingga ban meletuss…