MODUL 3 TERMOELEKTRIK Hanley Andrean, Shabrina Ghassani Fikrindita, Karizki Hadyanafi, Hidayatul Latifah, Zaeny Ahmad, Riva Kusumo Uripto 10211044, 10211064, 10210081, 10211016, 10211068, 10209075 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail:
[email protected] Asisten : CH Andre Mailoa/10210026 Tanggal praktikum: 07-10-2013 Abstrak Efek termoelektrik merupakan peristiwa konversi langsung energi panas menjadi listrik. Pada umumnya digunakan bahan logam atau semikonduktor yang berbeda sebagai bahan termoelektrik. Pada percobaan ini dilakukan percobaan untuk menghitung besar koefisien Seebeck yang merupakan konstanta kesebandingan perbedaan temperatur terhadap beda potensial yang dihasilkan. Dari hasil yang didapat, dapat disimpulkan bahwa koefisien Seebeck dari bahan yang digunakan memiliki nilai 0.012 V/K. Hasil yang didapatkan juga menunjukkan bahwa efek Seebeck dapat diamati dengan perbedaan suhu sekitar 40 K. Efek Peltier yang diamati pada percobaan yang dilakukan tidak berjalan dengan baik. Hal ini kemungkinan disebabkan daya yang kurang besar untuk mengamati efek Peltier. Kata Kunci: Peltier, Seebeck, Tegangan, Temperatur, Termoelektrik
I. Pendahuluan Efek termoelektrik merupakan peristiwa konversi energi secara langsung dari perubahan temperatur menjadi elektrik maupun sebaliknya. Efek termoelektrik dipengaruhi oleh tiga efek yaitu efek Seebeck, efek Peltier, dan efek Thomson. Efek Seebeck merupakan efek munculnya tegangan kecil pada sambungan dua buah logam atau semikonduktor karena perbedaan temperatur dua logam atau semikonduktor tersebut[1]. Tegangan yang muncul pada sambungan bahan berbanding lurus dengan beda temperatur pada kedua bahan. Semakin besar beda temperatur, semakin besar tegangan yang didapat. Secara matematis, dapat dituliskan: (1)
(2) Keterangan = Koefisien Seebeck (V/K) Dari persamaan diatas, nilai konstanta Seebeck dapat dirumuskan sebagai: (3) Secara fisis, efek Seebeck terjadi karena pembawa muatan listrik pada bahan akan cenderung bergerak karena adanya perbedaan panas[2]. Dengan hal ini dan sifat logam dan semikonduktor yang pembawa muatan di dalamnya dapat bergerak bebas maka efek Seebeck terjadi. Ilustrasi yang menjelaskan hal ini dapat dilihat di Gambar 1.
Keterangan = Tegangan yang dihasilkan (V) = Perbedaan temperatur (K) Konstanta kesebandingan dari tegangan dan perubahan temperatur disebut koefisien Seebeck (S). Sehingga rumus (1) dapat ditulis menjadi:
Gambar 1. Skema Efek Seebeck[3]
Seperti sudah disinggung sebelumnya, efek termoelektrik juga dipegaruhi oleh efek Peltier. Efek Peltier merupakan peristiwa dimana pemberian arus pada sambungan logam yang sama menghasilkan perbedaan temperatur pada kedua ujung logam. Hal ini menyebabkan terdapat logam yang memiliki temperatur lebih tinggi (panas) dan logam dengan temperatur lebih rendah (dingin). Ilustrasi efek Peltier dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Skema Efek Peltier[4]
Efek terakhir yang mempengaruhi efek termoelektrik merupakan efek Thomson. Efek Thomson merupakan efek gabungan dari efek Seebeck dan efek Peltier. Efek Thomson terjadi ketika ada arus listrik dan perbedaan temperatur sekaligus pada bahan. Pada percobaan yang dilakukan, akan ditentukan nilai koefisien Seebeck dari suatu bahan termoelektrik. Hal ini dapat dilakukan dengan melakukan pengukuran terhadap temperatur dan tegangan yang dihasilkannya secara bersama-sama. II. Metode Percobaan Percobaan pertama yang dilakukan bertujuan untuk mengamati efek Seebeck dan menghitung koefisien Seebeck. Percobaan yang dilakukan adalah memberikan perbedaan temperatur pada bahan semikonduktor pada sisi yang berbeda. Perbedaan temperatur diberikan dengan menggunakan air yang dipanaskan pada satu bagian dan air es pada bagian lain. Air digunakan karena memiliki kalor jenis yang cukup tinggi sehingga dapat menjaga agar suhu tidak berubah dengan cepat. Temperatur dan tegangan dicatat selama 3 menit setiap 5 detik sekali. Hasil yang didapat
haruslah menunjukkan nilai tegangan yang makin berkurang karena suhu air es dan air panas yang semakin meningkat dan berkurang karena terjadi perpindahan kalor dengan ruangan. Sehingga perbedaan temperatur semakin kecil dan menyebabkan tegangan keluaran yang tercatat lebih kecil. Percobaan kedua yang dilakukan bertujuan untuk mengamati efek Peltier dan menghitung koefisien Seebeck. Percobaan yang dilakukan adalah memberikan arus kepada bahan termoelektrik selama 30 menit. Kedua bagian bahan termoelektrik di masukkan ke air yang suhunya sama. Kemudian arus dimatikan dan dilakukan pencatatan selama 3 menit setiap 5 detik terhadap suhu air dan tegangan yang dihasilkan. Hasil yang didapat seharusnya menunjukkan suhu air yang berbeda karena efek Peltier. Suhu yang berbeda ini selama pencatatan akan menjadi sama karena terjadi pertukaran kalor dengan ruangan, hal ini menyebabkan tegangan yang tercatat akan semakin berkurang. Selain itu, nilai S yang tercatat haruslah sama dengan percobaan pertama, karena bahan termoelektriknya tidak diganti. III. Data dan Pengolahan Data percobaan pertama ditampilkan pada Gambar 3 dan Gambar 4. Gambar 3 menunjukkan grafik antara beda potensial terhadap perbedaan suhu pada air dingin dan air panas. Gambar 4 menunjukkan grafik antara beda potensial terhadap perbedaan suhu pada bahan termoelektriknya langsung.
Gambar 3. Grafik Beda Potensial terhadap Perbedaan Suhu Air
dengan persamaan garis: nilai koefisien Seebeck
Gambar 4. Grafik Beda Potensial terhadap Perbedaan Suhu Bahan Termoelektrik
dengan persamaan garis: nilai koefisien Seebeck Pada percobaan kedua tentang efek Peltier, dilakukan hal yang sama setelah arus diberikan selama 30 menit, didapat hasil seperti pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik Beda Potensial terhadap Perbedaan Suhu Air Setelah Diberikan Arus Listrik
dengan persamaan garis: nilai koefisien Seebeck
IV. Pembahasan Dari hasil yang diperoleh, dapat dilihat bahwa untuk percobaan pertama diperoleh nilai S positif. Hal ini berarti, kenaikan suhu akan menyebabkan kenaikan tegangan dan penurunan suhu akan menyebabkan penurunan tegangan. Selain itu dapat dilihat juga bahwa apabila perbedaan suhu semakin kecil, maka beda potensial yang dihasilkan juga semakin kecil. Hal ini mengkonfirmasi hipotesa yang telah disebutkan, yaitu tegangan akan turun terhadap waktu dengan melihat bahwa perbedaan suhu semakin kecil dengan berjalannya waktu. Untuk percobaan kedua, didapatkan bahwa suhu air tidak berbeda jauh. Hal ini tidak sesuai dengan hipotesa dan teori dimana seharusnya terjadi perbedaan suhu pada kedua air. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh arus yang kurang kuat yang diberikan kepada bahan termoelektrik, sehingga hanya menyebabkan perubahan suhu yang kecil. Perubahan suhu yang kecil ini dapat diabaikan setelah masuk ke dalam air yang volumenya cukup besar dan berada pada suhu ruangan, sehingga suhu kedua air tidak berbeda jauh dan mendekati suhu ruangan. Selain itu, pada percobaan kedua didapatkan nilai S negatif. Hal ini tidak sesuai dengan percobaan pertama dimana nilai S positif. Seharusnya nilai S untuk kedua percobaan sama karena bahan termoelektriknya sama dan nilai S tidak bervariasi terlalu jauh terhadap suhu, kecuali pada suhu ekstrim. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh data yang terlalu acak yang disebabkan oleh sangat kecilnya perbedaan suhu antara kedua air. Perbedaan suhu yang sangat kecil menyebabkan beda potensial pada bahan termoelektrik menjadi jauh lebih kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini menyebabkan data yang tercatat menjadi berulang dan tidak merepresentasikan percobaan. Kemungkinan lain disebabkan oleh karena nilai S yang tidak konstan terhadap temperatur. Pada percobaan pertama, percobaan dilakukan dengan suhu pada air dingin dibawah 10OC dan air panas diatas 60OC. Berbeda dengan
percobaan kedua yang dilakukan pada suhu air sekitar 29OC. Karena koefisien Seebeck dirumuskan seperti pada persamaan (3), maka besar kemungkinan nilai koefisien Seebeck berubah terhadap suhunya. Selain itu, efek arus yang diberikan selama 30 menit kemungkinan menyebabkan perbedaan suhu yang kembali menghasilkan beda potensial yang baru (efek Thomson) yang melawan perubahan yang menyebabkan perbedaan temperatur kedua air. Hasil yang didapat dari 2 percobaan yang dilakukan berbeda. Pada percobaan pertama, nilai S positif. Hal ini berarti kenaikan perbedaan suhu akan menyebabkan kenaikan beda potensial dan penurunan perbedaan suhu akan menyebabkan penurunan beda potensial pada bahan. Pada percobaan 2 didapatkan S negatif. Tanda negatif berarti kenaikan atau penurunana perbedaan suhu akan menyebabkan perbedaan polaritas dari bahan termoelektrik. Pada percobaan pertama, dilakukan 2 kali pencatatan. Metode pencatatan kedua cenderung lebih akurat dari metode pencatatan pertama. Hal ini disebabkan karena suhu air yang terukur tidak sama dengan suhu yang terukur pada bahan termoelektrik. Hal ini disebabkan karena diperlukannya waktu lebih untuk memindahkan kalor dari air ke bahan termoelektrik. Jadi, metode kedua lebih baik karena perbedaan suhu yang terukur langsung ada pada bahan termoelektrik, tidak melewati media lain yang membutuhkan waktu untuk melakukan transfer kalor terlebih dahulu. Seebeck dan Peltier mengamati fenomena dua buah logam yang disambungkan dapat menghasilkan listrik apabila ada perbedaan temperatur antara keduanya dan munculnya penyerapan atau pelepasan kalor apabila logam diberi arus listrik. Hal ini dapat terjadi karena terjadi perpindahan pembawa muatan ke arah bergeraknya kalor (dari temperatur tinggi ke rendah). Hal ini juga dapat terjadi pada semikonduktor karena pada semikonduktor, elektron atau hole juga dapat bergerak bebas setelah adanya tegangan minimal yang diberikan. Karena kedua pembawa muatan itu dapat bergerak bebas dan tegangan minimal
yang harus diberikan relatif kecil, maka efek Seebeck dan efek Peltier dapat terjadi. Masing-masing logam memiliki koefisien Seebeck yang berbeda karena jumlah elektron bebas yang ada pada tiap atomnya berbeda dari tiap logam ke logam. Hal ini mempengaruhi konduktivitas dari logam, dan begitu juga dengan pergerakan elektron bebasnya pada saat terjadi konduksi termal. Hal ini menyebabkan setiap logam memiliki koefisien Seebeck yang berbeda-beda. Koefisien Seebeck terdapat yang positif dan yang negatif tergantung logamnya. Pada umumnya, elektron akan ikut berpindah bersama kalor dari daerah yang memiliki temperatur lebih tinggi ke temperatur lebih rendah. Namun, pada beberapa logam yang memiliki koefisien Seebeck negatif, elektron akan bergerak ke arah sebaliknya, yaitu dari daerah yang temperaturnya lebih rendah ke daerah yang temperaturnya lebih tinggi. Hal ini akan menyebabkan tegangan yang muncul pada bahan termoelektrik bernilai negatif. Efek termoelektrik yang diamati juga digunakan pada prinsip termokopel. Termokopel merupakan alat yang sering digunakan untuk mengukur suhu. Termokopel terdiri dari 2 kawat konduktor yang berbeda dan diberi reservoir dingin yang diketahui suhunya pada kedua ujung kawat, kemudian ujung satunya dipanaskan dan diukur tegangannya. Kemudian, dari tegangan yang diukur ini dan jenis kawat yang digunakan, dapat dicari temperaturnya. Salah satu aplikasi dari termoelektrik adalah untuk membuat alat pendingin. Untuk hal ini digunakan efek Peltier. Efek Peltier akan menghasilkan bagian bahan termoelektrik yang memiliki suhu rendah dan suhu tinggi. Bagian suhu rendah kemudian digunakan untuk pendinginan, sedangkan kalor pada bagian suhu tinggi dibuang ke lingkungan. Dengan prinsip ini dapat dibentuk alat pendingin sederhana yang menggunakan energi listrik.
V. Simpulan Setelah percobaan dilakukan, didapat kesimpulan bahwa nilai koefisien Seebeck dari setiap percobaan berbeda-beda. Hasil terbaik didapat dari percobaan pertama dengan mencatat suhu pada bagian bahan termoelektriknya. Dari percobaan ini didapatkan nilai koefisien Seebeck . VI. Daftar Pustaka [1]Rowe, D.M. CRC Handbook of Thermoelectrics. Boca Raton: CRC Press; 1995. [2]Seebeck FAQ [Internet]. 2005 [dikutip 2013 Okt 9]. Didapat dari: http://www.tellurex.com/technology/seebeckfaq.php [3]Gambar Skema Efek Seebeck [gambar dari internet]. 2005 [dikutip 2013 Okt 9]. Didapat dari: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Thermoelectri c_Generator_Diagram.svg [4]Gambar Skema Efek Peltier [gambar dari internet]. 2006 [dikutip 2013 Okt 9]. Didapat dari: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commo ns/3/3b/Thermoelectric_Cooler_Diagram.svg
