Untuk membantu Anda menguasai materi ini, kami telah menyiapkan koleksi soal fisika termokopel terlengkap yang dirancang untuk menguji pemahaman Anda dari berbagai sudut pandang. Dari soal pilihan ganda yang menguji konsep dasar, isian singkat untuk mengingat definisi, hingga uraian yang melatih kemampuan analisis dan pemecahan masalah, serta soal mencocokkan untuk mengasah ingatan Anda. Setiap soal dilengkapi dengan kunci jawaban dan penjelasan mendalam. Jadi, siapkan diri Anda, mari kita selami dunia termokopel dan tingkatkan nilai fisika Anda!
Kumpulan Contoh Soal Bongkar Rahasia Termokopel: Kumpulan 32 Soal Fisika Paling Lengkap Dijamin Paham!
Pilihan Ganda
1. 1. Prinsip kerja dasar termokopel didasarkan pada efek fisika yang mengubah perbedaan suhu menjadi tegangan listrik. Efek ini dikenal sebagai:
A. Efek Doppler
B. Efek Compton
C. Efek Seebeck
D. Efek Faraday
2. 2. Dua jenis logam yang berbeda dihubungkan pada dua titik untuk membentuk termokopel. Apa yang akan terjadi jika kedua sambungan (panas dan dingin) memiliki suhu yang sama?
A. GGL akan sangat besar
B. Arus listrik akan mengalir deras
C. GGL yang dihasilkan mendekati nol
D. Termokopel akan rusak
3. 3. Satuan standar untuk koefisien Seebeck (α) adalah:
A. Volt per Ampere (V/A)
B. Joule per Kelvin (J/K)
C. Mikrovolt per derajat Celsius (μV/°C)
D. Watt per meter Kelvin (W/mK)
4. 4. Termokopel banyak digunakan sebagai sensor suhu karena beberapa keunggulan. Salah satu keunggulan utamanya adalah:
A. Akurasi sangat tinggi pada semua rentang suhu
B. Tidak memerlukan kalibrasi ulang
C. Rentang pengukuran suhu yang sangat lebar
D. Harganya sangat mahal dan kompleks
5. 5. Salah satu kekurangan termokopel dibandingkan dengan sensor suhu lain seperti RTD (Resistance Temperature Detector) adalah:
A. Responsnya lambat
B. Kurang kokoh
C. Akurasi yang cenderung lebih rendah
D. Membutuhkan sumber daya eksternal yang besar
6. 6. Jika sebuah termokopel memiliki koefisien Seebeck 40 μV/°C dan perbedaan suhu antara sambungan panas dan dingin adalah 150 °C, berapa GGL yang dihasilkan?
A. 6 mV
B. 60 mV
C. 600 mV
D. 6000 mV
7. 7. Efek Peltier adalah kebalikan dari efek Seebeck, di mana:
A. Arus listrik menghasilkan perbedaan suhu pada sambungan dua logam
B. Perbedaan suhu menghasilkan arus listrik
C. Cahaya menghasilkan tegangan listrik
D. Tegangan listrik menghasilkan cahaya
8. 8. Termokopel Tipe K adalah salah satu jenis termokopel yang paling umum. Material logam yang digunakan pada termokopel Tipe K adalah kombinasi dari:
A. Besi dan Konstantan
B. Kromel dan Alumel
C. Tembaga dan Konstantan
D. Platinum dan Rhodium
9. 9. Mengapa sambungan referensi (cold junction) penting dalam pengukuran suhu menggunakan termokopel?
A. Untuk meningkatkan kecepatan respons termokopel
B. Untuk menjaga termokopel agar tidak rusak oleh suhu tinggi
C. Untuk menyediakan suhu acuan yang stabil agar pengukuran GGL akurat
D. Untuk memperkuat sinyal GGL yang dihasilkan
10. 10. Di antara jenis termokopel berikut, manakah yang paling cocok untuk aplikasi suhu sangat tinggi (di atas 1300 °C)?
A. Tipe J
B. Tipe T
C. Tipe K
D. Tipe R (Platinum-Rhodium)
11. 11. Efek Thomson menyatakan bahwa:
A. Arus listrik mengalir dari daerah panas ke dingin dalam konduktor homogen
B. Terjadi penyerapan atau pelepasan panas ketika arus listrik mengalir melalui konduktor yang memiliki gradien suhu
C. Perbedaan suhu menyebabkan perubahan resistansi listrik
D. Medan magnet dapat menginduksi arus listrik dalam konduktor
12. 12. Sebuah termokopel Tipe J (Besi-Konstantan) memiliki koefisien Seebeck sekitar 50 μV/°C. Jika GGL yang terukur adalah 7,5 mV dan suhu sambungan referensi adalah 25 °C, berapakah suhu sambungan panasnya?
A. 150 °C
B. 175 °C
C. 125 °C
D. 200 °C
13. 13. Apa yang dimaksud dengan ‘kompensasi sambungan dingin’ pada termokopel?
A. Proses mendinginkan sambungan panas secara artifisial
B. Metode untuk mengukur suhu sambungan dingin secara akurat dan mengoreksi pembacaan GGL
C. Penggunaan isolasi khusus untuk sambungan dingin
D. Penambahan logam ketiga pada sambungan dingin
14. 14. Bahan apa yang biasanya digunakan sebagai isolator untuk kawat termokopel pada suhu tinggi?
A. PVC
B. Karet
C. Serat kaca atau keramik
D. Plastik
15. 15. Termokopel Tipe T (Tembaga-Konstantan) banyak digunakan pada aplikasi suhu rendah karena:
A. Memiliki rentang suhu yang sangat tinggi
B. Sangat stabil dan akurat pada suhu di bawah 0 °C
C. Harganya paling mahal di antara semua termokopel
D. Koefisien Seebeck-nya sangat rendah
16. 16. Manakah dari pernyataan berikut yang paling tepat mengenai sifat termokopel?
A. Termokopel menghasilkan tegangan AC
B. Termokopel adalah sensor aktif yang menghasilkan tegangan DC
C. Termokopel adalah sensor pasif yang memerlukan daya eksternal
D. Termokopel bekerja berdasarkan perubahan resistansi
17. 17. Dalam instalasi termokopel, ekstensi kabel termokopel (extension wire) harus menggunakan material yang sama atau memiliki karakteristik termoelektrik yang serupa dengan termokopel itu sendiri. Mengapa demikian?
A. Untuk mengurangi biaya instalasi
B. Untuk menghindari pembentukan termokopel parasit yang dapat menyebabkan kesalahan pengukuran
C. Untuk memperkuat sinyal GGL
D. Untuk meningkatkan kecepatan respons
18. 18. Jika GGL yang dihasilkan oleh termokopel adalah 8 mV dan koefisien Seebeck adalah 40 μV/°C, berapakah perbedaan suhu antara sambungan panas dan dingin?
A. 20 °C
B. 200 °C
C. 320 °C
D. 32 °C
19. 19. Aplikasi termokopel paling umum ditemukan di industri untuk mengukur suhu:
A. Tekanan udara
B. Kecepatan angin
C. Cairan dan gas pada suhu tinggi dalam tungku atau oven
D. Kelembaban relatif
20. 20. Material yang disebut ‘Konstantan’ adalah paduan dari:
A. Tembaga dan Nikel
B. Besi dan Nikel
C. Krom dan Nikel
D. Aluminium dan Nikel
Isian Singkat
1. 1. Apa nama efek yang menjelaskan fenomena perbedaan suhu menghasilkan tegangan listrik pada dua jenis logam berbeda?
2. 2. Sebutkan dua material logam utama yang membentuk termokopel Tipe K!
3. 3. Jika sambungan panas termokopel bersuhu 120 °C dan sambungan dingin 20 °C, berapakah perbedaan suhunya (ΔT)?
4. 4. Apa fungsi utama ‘sambungan referensi’ pada sistem pengukuran termokopel?
5. 5. Efek di mana arus listrik menghasilkan perbedaan suhu pada sambungan dua logam yang berbeda disebut efek ….
Uraian
1. 1. Jelaskan prinsip kerja termokopel secara detail, termasuk peran efek Seebeck dan pentingnya sambungan referensi dalam pengukuran suhu.
2. 2. Sebutkan dan jelaskan tiga kelebihan serta tiga kekurangan penggunaan termokopel sebagai sensor suhu.
3. 3. Sebuah termokopel Tipe K (Kromel-Alumel) memiliki koefisien Seebeck rata-rata 41 μV/°C. Jika GGL yang terukur adalah 10,25 mV dan suhu sambungan referensi dipertahankan pada 0 °C, berapakah suhu sambungan panasnya?
4. 4. Bandingkan secara singkat efek Seebeck, Peltier, dan Thomson yang terkait dengan fenomena termoelektrik.
5. 5. Mengapa pemilihan jenis logam sangat krusial dalam pembuatan termokopel? Jelaskan.
Mencocokkan
1. Cocokkan istilah berikut dengan deskripsinya:
A. Efek Seebeck
B. Efek Peltier
1. Perbedaan suhu menghasilkan GGL.
2. Arus listrik menghasilkan perbedaan suhu.
2. Cocokkan jenis termokopel dengan kombinasi materialnya:
A. Termokopel Tipe K
B. Termokopel Tipe J
1. Besi – Konstantan
2. Kromel – Alumel
Kunci Jawaban dan Pembahasan
Pilihan Ganda
1. C
Pembahasan: Efek Seebeck adalah fenomena di mana perbedaan suhu antara dua sambungan logam yang berbeda menghasilkan GGL (Gaya Gerak Listrik) atau tegangan listrik.
2. C
Pembahasan: GGL yang dihasilkan oleh termokopel berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua sambungannya. Jika perbedaan suhu nol, maka GGL yang dihasilkan juga mendekati nol.
3. C
Pembahasan: Koefisien Seebeck mengukur seberapa besar tegangan (dalam mikrovolt) yang dihasilkan per setiap derajat Celsius perbedaan suhu.
4. C
Pembahasan: Termokopel mampu mengukur suhu pada rentang yang sangat lebar, dari sub-nol hingga ribuan derajat Celsius, tergantung jenisnya.
5. C
Pembahasan: Meskipun memiliki rentang lebar, akurasi termokopel umumnya lebih rendah dibandingkan RTD atau termistor, terutama pada suhu rendah.
6. A
Pembahasan: GGL = α × ΔT = 40 μV/°C × 150 °C = 6000 μV = 6 mV.
7. A
Pembahasan: Efek Peltier terjadi ketika arus listrik dialirkan melalui sambungan dua logam yang berbeda, menyebabkan satu sambungan menjadi panas dan yang lain menjadi dingin.
8. B
Pembahasan: Termokopel Tipe K terdiri dari kawat Kromel (+) dan Alumel (-).
9. C
Pembahasan: Sambungan referensi berfungsi sebagai titik acuan suhu yang diketahui (biasanya 0 °C atau suhu ruangan yang dikompensasi) sehingga GGL yang dihasilkan dapat dikonversi dengan akurat menjadi suhu pada sambungan panas.
10. D
Pembahasan: Termokopel Tipe R, S, dan B (yang menggunakan logam mulia seperti Platinum dan Rhodium) dirancang untuk aplikasi suhu sangat tinggi.
11. B
Pembahasan: Efek Thomson menjelaskan fenomena penyerapan atau pelepasan panas ketika arus listrik mengalir melalui konduktor yang memiliki gradien suhu.
12. B
Pembahasan: ΔT = GGL / α = (7,5 × 10⁻³ V) / (50 × 10⁻⁶ V/°C) = 150 °C. Jadi, Suhu Panas = Suhu Referensi + ΔT = 25 °C + 150 °C = 175 °C.
13. B
Pembahasan: Kompensasi sambungan dingin adalah teknik untuk menghilangkan efek fluktuasi suhu pada sambungan referensi, memastikan bahwa GGL yang terukur hanya berasal dari perbedaan suhu antara sambungan panas dan titik referensi yang dikoreksi.
14. C
Pembahasan: Serat kaca, keramik, atau mineral oksida (MgO) sering digunakan sebagai isolator karena kemampuannya menahan suhu tinggi dan memberikan isolasi listrik yang baik.
15. B
Pembahasan: Termokopel Tipe T sangat stabil dan akurat pada rentang suhu rendah, termasuk suhu di bawah nol (kriogenik).
16. B
Pembahasan: Termokopel adalah sensor aktif karena menghasilkan GGL (tegangan DC) sendiri tanpa memerlukan sumber daya eksternal untuk penginderaan suhu.
17. B
Pembahasan: Menggunakan kabel ekstensi dengan material berbeda dapat menciptakan ‘termokopel parasit’ pada sambungan antara termokopel dan kabel ekstensi, yang akan menambah GGL yang tidak diinginkan dan menyebabkan kesalahan pengukuran.
18. B
Pembahasan: ΔT = GGL / α = (8 × 10⁻³ V) / (40 × 10⁻⁶ V/°C) = 8000 μV / 40 μV/°C = 200 °C.
19. C
Pembahasan: Karena rentang suhu yang lebar dan ketahanannya, termokopel sangat ideal untuk mengukur suhu ekstrem di lingkungan industri seperti tungku, oven, dan proses kimia.
20. A
Pembahasan: Konstantan adalah paduan nikel-tembaga yang dikenal karena resistivitasnya yang tinggi dan koefisien suhu resistansi yang rendah, membuatnya cocok untuk termokopel.
Isian Singkat
1. Efek Seebeck
2. Kromel dan Alumel
3. 100 °C
4. Sebagai titik acuan suhu yang diketahui/stabil
5. Peltier
Uraian
1. Prinsip kerja termokopel didasarkan pada Efek Seebeck. Efek ini menyatakan bahwa ketika dua kawat dari logam yang berbeda disambungkan pada dua titik, dan kedua sambungan tersebut berada pada suhu yang berbeda, maka akan timbul Gaya Gerak Listrik (GGL) atau tegangan listrik pada rangkaian. Besar GGL ini berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua sambungan dan karakteristik termoelektrik dari kedua logam.
Pentingnya sambungan referensi (cold junction) adalah untuk menyediakan titik acuan suhu yang diketahui dan stabil. Karena GGL yang dihasilkan termokopel bergantung pada perbedaan suhu antara sambungan panas (yang diukur) dan sambungan dingin, maka suhu sambungan dingin harus diketahui atau dikompensasi agar pembacaan GGL dapat dikonversi secara akurat menjadi suhu pada sambungan panas. Tanpa sambungan referensi yang stabil, pengukuran akan tidak akurat dan bervariasi mengikuti fluktuasi suhu lingkungan.
2. Kelebihan Termokopel:
1. Rentang Suhu Lebar: Mampu mengukur suhu dari sangat rendah hingga sangat tinggi (misal, -200 °C hingga 2300 °C, tergantung jenisnya).
2. Kokoh dan Tahan Lama: Konstruksinya sederhana, membuatnya tahan terhadap getaran dan kondisi lingkungan yang keras.
3. Respons Cepat: Karena massanya kecil, termokopel dapat merespons perubahan suhu dengan cepat.
4. Tidak Membutuhkan Daya Eksternal: Bersifat aktif, menghasilkan GGL sendiri.
Kekurangan Termokopel:
1. Akurasi Lebih Rendah: Umumnya kurang akurat dibandingkan RTD atau termistor, terutama pada rentang suhu rendah.
2. Membutuhkan Kompensasi Sambungan Dingin: Akurasi pengukuran sangat bergantung pada suhu sambungan referensi yang harus diketahui atau dikompensasi.
3. Rentan Terhadap Noise: Sinyal GGL yang dihasilkan sangat kecil (mikrovolt), sehingga rentan terhadap noise listrik dan memerlukan penguatan sinyal.
4. Kalibrasi Diperlukan: Karakteristik termoelektrik dapat berubah seiring waktu, memerlukan kalibrasi berkala.
3. Diketahui:
Koefisien Seebeck (α) = 41 μV/°C
GGL = 10,25 mV = 10250 μV
Suhu sambungan referensi (T_ref) = 0 °C
Rumus: GGL = α × (T_panas – T_ref)
10250 μV = 41 μV/°C × (T_panas – 0 °C)
T_panas = 10250 μV / 41 μV/°C
T_panas = 250 °C
Jadi, suhu sambungan panasnya adalah 250 °C.
4. 1. Efek Seebeck: Fenomena di mana perbedaan suhu antara dua sambungan logam yang berbeda menghasilkan tegangan listrik (GGL). Ini adalah prinsip dasar kerja termokopel sebagai sensor suhu.
2. Efek Peltier: Kebalikan dari efek Seebeck. Ketika arus listrik dialirkan melalui sambungan dua logam yang berbeda, terjadi penyerapan atau pelepasan panas pada sambungan tersebut, menyebabkan perbedaan suhu. Efek ini digunakan dalam pendingin termoelektrik.
3. Efek Thomson: Terjadi ketika arus listrik mengalir melalui sebuah konduktor homogen yang memiliki gradien suhu. Efek ini menyebabkan penyerapan atau pelepasan panas di sepanjang konduktor, di luar panas Joule biasa.
5. Pemilihan jenis logam sangat krusial dalam pembuatan termokopel karena beberapa alasan:
1. Karakteristik Termoelektrik (Koefisien Seebeck): Setiap pasangan logam memiliki koefisien Seebeck yang unik, yang menentukan sensitivitas termokopel (berapa banyak GGL yang dihasilkan per derajat perubahan suhu). Pemilihan logam yang tepat memastikan sensitivitas yang diinginkan untuk aplikasi tertentu.
2. Rentang Suhu Operasi: Material logam memiliki titik leleh, kekuatan mekanik, dan stabilitas termal yang berbeda. Beberapa pasangan logam cocok untuk suhu rendah (misalnya Tembaga-Konstantan), sementara yang lain dirancang untuk suhu sangat tinggi (misalnya Platinum-Rhodium).
3. Ketahanan Terhadap Lingkungan: Beberapa logam lebih tahan terhadap korosi, oksidasi, atau lingkungan kimia tertentu dibandingkan yang lain. Pemilihan logam harus mempertimbangkan kondisi lingkungan di mana termokopel akan digunakan untuk memastikan masa pakai dan keandalan.
4. Linearitas: Idealnya, hubungan antara GGL dan suhu harus linear. Pasangan logam yang berbeda menunjukkan tingkat linearitas yang bervariasi, mempengaruhi akurasi pengukuran di seluruh rentang operasi.
Mencocokkan
1. A-1, B-2
2. A-2, B-1