Kumpulan Soal Fisika Efek Termoelektrik: Pahami Prinsip Seebeck, Peltier, & Thomson

A. Pilihan Ganda

1. Fenomena di mana perbedaan suhu antara dua titik sambungan pada dua konduktor yang berbeda menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) disebut sebagai…
   • Efek Peltier
   • Efek Seebeck
   • Efek Thomson
   • Efek Joule
   Jawaban: Efek Seebeck
   Penjelasan: Efek Seebeck adalah prinsip di mana perbedaan suhu antara dua sambungan logam yang berbeda menghasilkan tegangan listrik (GGL). Ini adalah dasar kerja termokopel.
2. Jika dua logam berbeda disambungkan dan ada perbedaan suhu di antara sambungannya (Efek Seebeck), apa yang akan terjadi?
   • Arus listrik yang mengalir menghasilkan panas saja.
   • Tegangan listrik dihasilkan.
   • Terjadi perubahan massa material.
   • Tidak ada perubahan energi yang signifikan.
   Jawaban: Tegangan listrik dihasilkan.
   Penjelasan: Dalam Efek Seebeck, perbedaan suhu menyebabkan aliran muatan dan menghasilkan GGL termoelektrik.
3. Prinsip dasar Efek Peltier adalah…
   • Mengubah energi panas menjadi energi listrik.
   • Mengubah energi listrik menjadi energi panas (pendinginan atau pemanasan).
   • Menyebabkan kontraksi material akibat suhu.
   • Mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
   Jawaban: Mengubah energi listrik menjadi energi panas (pendinginan atau pemanasan).
   Penjelasan: Efek Peltier adalah kebalikan dari Efek Seebeck, yaitu ketika arus listrik dialirkan melalui sambungan dua konduktor, panas dapat diserap atau dilepaskan.
4. Faktor utama yang menentukan apakah suatu sambungan termoelektrik menyerap atau melepaskan panas dalam Efek Peltier adalah…
   • Jenis material konduktor saja.
   • Ukuran konduktor.
   • Arah arus listrik yang dialirkan.
   • Warna konduktor.
   Jawaban: Arah arus listrik yang dialirkan.
   Penjelasan: Dalam Efek Peltier, arah penyerapan atau pelepasan panas pada sambungan dua konduktor bergantung pada arah aliran arus listrik.
5. Aplikasi paling umum dari Efek Seebeck adalah termokopel, yang berfungsi untuk…
   • Menghasilkan GGL yang berbanding terbalik dengan perbedaan suhu.
   • Mengalirkan arus listrik tanpa menghasilkan GGL.
   • Menyerap panas dari lingkungan secara pasif.
   • Menghasilkan GGL yang berbanding lurus dengan perbedaan suhu.
   Jawaban: Menghasilkan GGL yang berbanding lurus dengan perbedaan suhu.
   Penjelasan: Termokopel bekerja berdasarkan Efek Seebeck, di mana GGL yang dihasilkan sebanding dengan perbedaan suhu antara sambungan panas dan dingin.
6. Fenomena penyerapan atau pelepasan panas yang terjadi di sepanjang konduktor homogen yang dialiri arus listrik dan memiliki gradien suhu disebut…
   • Efek Seebeck
   • Efek Peltier
   • Efek Thomson
   • Efek Hall
   Jawaban: Efek Thomson
   Penjelasan: Efek Thomson menggambarkan penyerapan atau pelepasan panas pada satu konduktor homogen yang dialiri arus dan memiliki gradien suhu.
7. Modul termoelektrik modern (seperti yang digunakan dalam pendingin atau generator) umumnya terbuat dari pasangan material semikonduktor jenis apa?
   • Konduktor dan isolator.
   • Logam dan non-logam.
   • Tipe-n dan tipe-p.
   • Feromagnetik dan diamagnetik.
   Jawaban: Tipe-n dan tipe-p.
   Penjelasan: Material semikonduktor tipe-n (elektron sebagai pembawa muatan mayoritas) dan tipe-p (hole sebagai pembawa muatan mayoritas) adalah fundamental dalam pembuatan perangkat termoelektrik seperti modul Peltier.
8. Fungsi utama dari generator termoelektrik (TEG) adalah…
   • Mengubah energi listrik menjadi energi panas.
   • Mengubah energi panas menjadi energi listrik.
   • Mengukur kuat arus listrik.
   • Mengukur resistansi listrik.
   Jawaban: Mengubah energi panas menjadi energi listrik.
   Penjelasan: Generator termoelektrik (TEG) memanfaatkan Efek Seebeck untuk mengubah langsung perbedaan suhu menjadi energi listrik.
9. Perangkat yang memanfaatkan Efek Peltier untuk mendinginkan atau memanaskan suatu area disebut…
   • Termokopel.
   • Generator termoelektrik (TEG).
   • Sensor cahaya.
   • Pendingin termoelektrik (TEC).
   Jawaban: Pendingin termoelektrik (TEC).
   Penjelasan: Pendingin termoelektrik (TEC) bekerja berdasarkan Efek Peltier untuk menciptakan perbedaan suhu (pendinginan) ketika arus listrik dialirkan.
10. Besaran yang menyatakan GGL termoelektrik yang dihasilkan per satuan perbedaan suhu disebut…
    • Koefisien Peltier.
    • Koefisien Thomson.
    • Koefisien Seebeck.
    • Koefisien konduktivitas termal.
    Jawaban: Koefisien Seebeck.
    Penjelasan: Koefisien Seebeck (α) mengukur besarnya GGL termoelektrik yang dihasilkan per satuan perbedaan suhu.
11. Persamaan yang paling tepat menggambarkan hubungan antara tegangan yang dihasilkan (V), koefisien Seebeck (α), dan perbedaan suhu (ΔT) adalah…
    • Q = m c ΔT
    • V = α ΔT
    • P = V I
    • F = m a
    Jawaban: V = α ΔT
    Penjelasan: Persamaan dasar untuk Efek Seebeck menyatakan bahwa GGL (V) sebanding dengan koefisien Seebeck (α) dan perbedaan suhu (ΔT).
12. Agar suatu material memiliki efisiensi termoelektrik yang tinggi, idealnya ia harus memiliki sifat-sifat berikut, KECUALI…
    • Konduktivitas listrik yang rendah.
    • Konduktivitas termal yang tinggi.
    • Koefisien Seebeck yang rendah.
    • Konduktivitas termal yang rendah.
    Jawaban: Konduktivitas termal yang rendah.
    Penjelasan: Untuk efisiensi yang tinggi, material termoelektrik harus memiliki konduktivitas termal yang rendah agar gradien suhu dapat dipertahankan dengan baik, serta konduktivitas listrik yang tinggi dan koefisien Seebeck yang tinggi.
13. Koefisien Peltier (Π) suatu material berkaitan erat dengan Koefisien Seebeck (α) dan bergantung pada…
    • Massa.
    • Panjang material.
    • Luas penampang.
    • Temperatur.
    Jawaban: Temperatur.
    Penjelasan: Koefisien Peltier (Π) mengukur panas yang diserap atau dilepaskan per satuan arus. Secara matematis, Π = αT, di mana T adalah suhu absolut. Jadi koefisien Peltier bergantung pada koefisien Seebeck dan temperatur.
14. Salah satu keuntungan utama dari perangkat termoelektrik (misalnya, pendingin termoelektrik) dibandingkan dengan sistem konvensional adalah…
    • Sangat efisien dalam skala besar.
    • Membutuhkan cairan pendingin.
    • Tidak memiliki bagian bergerak.
    • Hanya bekerja pada suhu sangat rendah.
    Jawaban: Tidak memiliki bagian bergerak.
    Penjelasan: Salah satu keunggulan utama perangkat termoelektrik seperti TEC dan TEG adalah tidak adanya bagian bergerak, sehingga lebih tahan lama, senyap, dan bebas perawatan.
15. Material semikonduktor berikut yang paling sering digunakan dalam aplikasi termoelektrik pada suhu kamar adalah…
    • Cu (Tembaga).
    • Al (Aluminium).
    • SiO₂ (Silikon Dioksida).
    • Bi₂Te₃ (Bismut Telurida).
    Jawaban: Bi₁Te₃ (Bismut Telurida).
    Penjelasan: Bismut Telurida (Bi₂Te₃) dan paduannya adalah salah satu material termoelektrik paling umum dan efisien pada suhu kamar, digunakan secara luas dalam TEC dan TEG.
16. Contoh aplikasi Efek Peltier dalam kehidupan sehari-hari adalah…
    • Lampu pijar.
    • Motor listrik.
    • Kulkas portabel.
    • Kompor listrik.
    Jawaban: Kulkas portabel.
    Penjelasan: Kulkas portabel kecil adalah contoh aplikasi pendingin termoelektrik (TEC) yang memanfaatkan Efek Peltier.
17. Aplikasi Efek Seebeck yang bertujuan untuk menghasilkan listrik dari perbedaan suhu dapat ditemukan pada…
    • Menyalakan lampu senter dengan baterai.
    • Memanaskan air dengan elemen pemanas.
    • Mengukur suhu gas buang kendaraan.
    • Menggerakkan kipas angin dengan motor listrik.
    Jawaban: Mengukur suhu gas buang kendaraan.
    Penjelasan: Mengukur suhu gas buang kendaraan untuk menghasilkan listrik adalah aplikasi dari generator termoelektrik (TEG) yang bekerja berdasarkan Efek Seebeck.
18. Efek Seebeck mengubah bentuk energi apa menjadi energi listrik?
    • Energi mekanik.
    • Energi cahaya.
    • Energi kimia.
    • Energi panas.
    Jawaban: Energi panas.
    Penjelasan: Efek Seebeck mengubah energi panas (perbedaan suhu) menjadi energi listrik.
19. Koefisien Thomson (τ) menggambarkan hubungan antara arus listrik dan penyerapan/pelepasan panas pada konduktor yang memiliki gradien…
    • Perubahan volume.
    • Perubahan massa.
    • Perubahan suhu.
    • Perubahan warna.
    Jawaban: Perubahan suhu.
    Penjelasan: Koefisien Thomson (τ) berkaitan dengan panas yang diserap atau dilepaskan per satuan arus dan per satuan gradien suhu dalam satu konduktor.
20. Salah satu potensi terbesar dari teknologi termoelektrik di masa depan adalah kemampuannya untuk…
    • Menciptakan mesin gerak abadi.
    • Menghasilkan listrik dari panas limbah.
    • Menyimpan energi dalam jumlah tak terbatas.
    • Mengurangi kecepatan cahaya.
    Jawaban: Menghasilkan listrik dari panas limbah.
    Penjelasan: Salah satu potensi besar dari teknologi termoelektrik adalah kemampuannya untuk mendaur ulang panas limbah (waste heat) menjadi energi listrik, sehingga meningkatkan efisiensi energi secara keseluruhan.

B. Isian Singkat

1. Apa perbedaan mendasar antara Efek Seebeck dan Efek Peltier?
   Jawaban: Efek Seebeck adalah fenomena di mana perbedaan suhu antara dua sambungan konduktor/semikonduktor berbeda menghasilkan GGL. Efek Peltier adalah fenomena di mana arus listrik yang dialirkan melalui sambungan dua konduktor/semikonduktor berbeda menyebabkan penyerapan atau pelepasan panas.
2. Perangkat apakah yang memanfaatkan Efek Seebeck untuk mengukur suhu dan bagaimana prinsip kerjanya secara singkat?
   Jawaban: Termokopel bekerja berdasarkan Efek Seebeck. Ini adalah perangkat yang mengukur suhu dengan mengubah perbedaan suhu menjadi GGL listrik.
3. Apa yang dimaksud dengan Koefisien Seebeck dan apa satuan umumnya?
   Jawaban: Koefisien Seebeck (α) mengukur besarnya tegangan listrik yang dihasilkan per satuan perbedaan suhu pada material. Satuannya biasanya volt per Kelvin (V/K) atau mikrovolt per Kelvin (µV/K).
4. Sebutkan tiga sifat material yang ideal untuk mencapai efisiensi tinggi pada perangkat termoelektrik!
   Jawaban: Efisiensi perangkat termoelektrik dipengaruhi oleh tiga parameter utama material: koefisien Seebeck (α) yang tinggi, konduktivitas listrik (σ) yang tinggi, dan konduktivitas termal (κ) yang rendah.
5. Jelaskan secara singkat apa itu Efek Thomson!
   Jawaban: Efek Thomson terjadi pada satu konduktor homogen yang dialiri arus listrik dan memiliki gradien suhu. Efek ini melibatkan penyerapan atau pelepasan panas di sepanjang konduktor tersebut, tidak hanya pada sambungan seperti Efek Peltier.

C. Uraian

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Efek Seebeck dan berikan minimal dua contoh aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi modern!
   Pembahasan:
   Efek Seebeck adalah fenomena di mana perbedaan suhu antara dua titik pada konduktor yang berbeda atau semikonduktor yang terhubung dalam rangkaian tertutup menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) atau tegangan. Aplikasi utamanya adalah termokopel, yang digunakan untuk mengukur suhu. Contoh lain adalah generator termoelektrik (TEG) yang mengubah energi panas menjadi listrik, seperti pada pesawat ruang angkasa Voyager.
2. Bandinkan Efek Seebeck, Efek Peltier, dan Efek Thomson. Jelaskan perbedaan mendasar di antara ketiganya!
   Pembahasan:
   Perbedaan utama antara Efek Peltier dan Efek Seebeck terletak pada arah konversi energi dan penyebabnya. Efek Seebeck mengubah perbedaan suhu menjadi tegangan listrik, sedangkan Efek Peltier mengubah arus listrik menjadi perbedaan suhu (penyerapan atau pelepasan panas). Singkatnya, Seebeck adalah ‘panas ke listrik’ dan Peltier adalah ‘listrik ke panas’. Efek Thomson berbeda dari keduanya karena terjadi dalam satu konduktor homogen yang dialiri arus dan memiliki gradien suhu, di mana panas diserap atau dilepaskan sepanjang konduktor tersebut, tidak hanya pada sambungan seperti Peltier.
3. Bagaimana cara kerja termokopel dalam mengukur suhu? Jelaskan prinsip fisika di baliknya dan sebutkan dua kelebihan serta dua kekurangan termokopel!
   Pembahasan:
   Termokopel bekerja berdasarkan Efek Seebeck. Ketika dua logam berbeda disambungkan pada dua titik (sambungan panas dan sambungan dingin) dan ada perbedaan suhu di antara kedua sambungan tersebut, GGL akan dihasilkan. Besar GGL ini sebanding dengan perbedaan suhu. GGL yang dihasilkan kemudian diukur untuk menentukan suhu pada sambungan panas. Kelebihan termokopel adalah kemampuannya mengukur suhu yang sangat tinggi, respons cepat, dan daya tahan yang baik, namun akurasinya bisa kurang dibandingkan termometer resistansi dan memerlukan kompensasi sambungan dingin.
4. Faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi efisiensi kerja suatu perangkat termoelektrik? Jelaskan bagaimana setiap faktor berperan dalam menentukan efisiensi tersebut!
   Pembahasan:
   Efisiensi perangkat termoelektrik (misalnya TEG atau TEC) dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama sifat material semikonduktor yang digunakan. Faktor-faktor tersebut adalah:
   1. Koefisien Seebeck (α): Material dengan koefisien Seebeck tinggi akan menghasilkan tegangan yang lebih besar untuk perbedaan suhu tertentu.
   2. Konduktivitas Listrik (σ): Material harus memiliki konduktivitas listrik yang baik agar arus dapat mengalir dengan efisien dan meminimalkan kerugian Joule.
   3. Konduktivitas Termal (κ): Material harus memiliki konduktivitas termal yang rendah untuk mempertahankan gradien suhu yang besar dan mencegah panas mengalir kembali, yang akan mengurangi efisiensi.
   Kombinasi ketiga parameter ini sering dirangkum dalam ‘faktor mutu’ (figure of merit) ZT = (α²σT)/κ. Untuk efisiensi tinggi, material harus memiliki ZT yang tinggi.
5. Jelaskan prinsip kerja pendingin termoelektrik (TEC). Sebutkan minimal dua aplikasi TEC dan jelaskan kelebihan serta kekurangannya!
   Pembahasan:
   Pendingin termoelektrik (TEC) bekerja berdasarkan Efek Peltier. Ketika arus listrik dialirkan melalui sambungan antara dua semikonduktor berbeda (biasanya tipe-n dan tipe-p), panas akan diserap pada satu sambungan dan dilepaskan pada sambungan lainnya. Dengan mengatur arah arus, satu sisi modul TEC dapat menjadi dingin (menyerap panas) dan sisi lainnya menjadi panas (melepaskan panas). Contoh aplikasinya adalah pada kulkas portabel kecil, pendingin CPU komputer, atau sistem pendingin pada perangkat elektronik yang membutuhkan kontrol suhu presisi. Kelebihan TEC adalah tidak memiliki bagian bergerak sehingga lebih tahan lama dan senyap, serta dapat mengontrol suhu dengan sangat presisi. Kekurangannya adalah efisiensinya relatif rendah dibandingkan pendingin kompresi tradisional untuk skala besar dan harganya bisa lebih mahal.

D. Menjodohkan