BAB II TEORI DASAR. 2.1 Teori Dasar

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Teori Dasar Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversikan energi listrik menjadi dingin atau panas (pendingin atau pemanas termoelektrik), dan energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya. Untuk menghasilkan listrik, material termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai. 2.2 Sejarah Singkat Termoelektrik Pada tahun 1821 fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan oleh ilmuwan Prussia, Thomas Johann Seebeck (Gambar 2.1). Ia menghubungkan tembaga dan bismuth dalam sebuah rangkaian tertutup. 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. Gambar 2.1 Thomas Johann Seebeck Politeknik Negeri Bandung 5

2 Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier (Gambar 2.2) untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan kalor pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan kalor 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. Gambar 2.2 Jean Charles Peltier 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 yaitu efek Seebeck dan efek Peltier Efek Seebeck Efek ini menjelaskan bahwa jika dua kawat logam dengan material yang berbeda dihubungkan dalam suatu rangkaian tertutup dan kedua sambungannya (junction) dipertahankan pada temperatur yang berbeda maka arus listrik akan mengalir dalam rangkaian tersebut dan ketika salah satu kawatnya diputuskan lalu disambung dengan sebuah galvanometer, maka akan terlihat perbedaan tegangan dari kedua ujung tersebut. Sehingga dengan demikian depat dikatakan bahwa Politeknik Negeri Bandung 6

3 perbedaan temperatur dapat mengakibatkan perbedaan tegangan atau akan menghasilkan gaya gerak listrik. Saat ini efek Seebeck dipergunakan luas sebagai prinsip kerja termokopel. Gambar 2.3 menjelaskan prinsip kerja termokopel untuk mengukur temperatur dengan menggunakan efek Seebeck. Dalam penarapan pengukuran temperatur, sambungan termokopel pada titik A digunakan sebgai titik referensi dan dijaga pada temperatur dingin relatif T c. Sedangkan sambungan termokopel B diletakkan pada titik yang ingin diketahui temperaturnya T h. Dimana dalam contoh ini nilainya lebih tinggi dari temperatur T c. Dengan adanya energi termal yang berpindah dari titik B ke titik A, maka timbul tegangan dan arus listrik akan mengalir nekewati terminal T 1 dan T 2. Gambar 2.3 Fenomena efek Seebeck Berikut ini persamaan dari efek Seebeck : ) Keterangan : E = Gaya gerak listrik (GGL) (V) α = Daya termoelektrik (koefisien seebeck) (V/K) T 1 = hot junction = sambungan panas (K) T o = cold junction = sambungan dingin (K) Dengan sifat yang tidak dapat dibalik (irreversible). Persamaan efek Joule dapat ditulis sebagai berikut: Q = I 2. R Keterangan : Q = Kalor Joule (W) I = Arus listrik (V/K) Politeknik Negeri Bandung 7

4 R = Hambatan (Ω) 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: q c = U (T 1 -T 0 ) Keterangan : q c = Laju aliran kalor konduksi (W) U = Konduktansi thermal total keseluruhan (W/K) T 1 = Temperatur permukaan panas (K) T 0 = Temperatur permukaan dingin (K) 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. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Perhitungan nilai COP cascade (Gambar 2.4) (sumber : Thermoelektric Technical Reference) Gambar 2.4 Cascade Stage Politeknik Negeri Bandung 8

5 Mula mula hitung temperatur antara modul 1 dan 2 dengan persamaan, T m 12 = (0.5 x I 2 ) x (R m2 + R m1) + (K m1 x T h) + (K m2 x Tc) I x (α m 1 α m 2 ) + K m 1 + K m 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 I 2 x R m2 ) (K m2 x (T m12 - Tc)) Untuk mendapatkan nilai daya input, sebelumnya harus diketahui nilai Vin dengan persamaan dibawah ini, V in = (α m2 x (T m12 - Tc)) + (I x R m2 ) + (α m1 x (Th - T m12 )) + (I x R m1 ) 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/P in Keterangan : T m12 = Temperatur modul antara temperatur modul 1 dan 2 (K) I = Arus (A) R m1 = Hambatan pada modul 1 (Ω) R m2 = Hambatan pada modul 2 (Ω) K m1 = Konduktivitas termal modul 1 (W/m.K) K m2 = Konduktivitas termal modul 2 (W/m.K) T h = Temperatur sisi panas (K) T c = Temperatur sisi dingin (K) α m 1 = Koefisien Seebeck modul 1 (V/K) α m 2 = Koefisien Seebeck modul 2 (V/K) Q c = Kalor yang diserap (Watt) P in = Daya input (Watt) 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 bahan- Politeknik Negeri Bandung 9

6 bahan 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. 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. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 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 Politeknik Negeri Bandung 10

7 yang dialirkan sehingga nantinya akan ada sambungan yang menyerap kalor dan ada sambungan yang melepaskan kalor. 2.5 Pemasangan Rangkaian Termoelektrik Dalam pemasangan termoelektrik, terdapat dua cara pemasangan. Yang pertama dengan cara single yaitu pemasangan secara terpisah dan yang kedua yaitu dengan cara cascade yaitu pemasangan dengan cara menumpuk. Gambar 2.6 Pemasangan secara single Gambar 2.6 adalah pemasangan termoelektrik secara single atau terpisah. Jika menggunakan dua buah termoelektik juga dapat dilakukan secara single dengan memasang secara berdampingan antara modul termelektrik satu dengan modul termoelektrik yang lainnya. Gambar 2.7 Pemasangan secara cascade Politeknik Negeri Bandung 11

8 Gambar 2.7 adalah pemasangan secara bertumpuk atau cascade. Pemasangannya yaitu dengan menumpuk dua atau lebih modul termoelektrik dengan sejajar. Dalam pemakaian termoelektrik secara cascade terdapat 2 rangkaian yang dapat digunakan, yaitu rangkaian seri dan rangkaian pararel. + Modul 1 Modul 2 - Gambar 2.8 Rangkaian 2 buah termoelektrik secara seri Gambar 2.8 adalah merangkai dua buah termoelektrik secara seri. Untuk merangkainya yaitu dari sumber tenaga bagian positif (+), dihubungkan dengan bagian positif (+) termoelektrik. Untuk bagian negatif (-) termoelektrik dihubungkan dengan bagian positif (+) termoelektrik satunya. Sedangkan untuk bagian negatifnya (-), langsung dihubingkan menuju sumber tenaga bagian negatif (-). Modul 1 Modul Gambar 2.9 Rangkaian 2 buah termoelektrik secara pararel Gambar 2.9 adalah merangkai dua buah termoelektrik secara paralel. Untuk merangkainya yaitu dari sumber tenaga bagian positif (+), dihubungkan dengan bagian positif (+) termoelektrik. Untuk bagian negatif (-) termoelektrik dihubungkan dengan bagian negatif (-) sumber tenaga. Untuk modul termoelektrik Politeknik Negeri Bandung 12

9 yang satunya, juga sama dihubungkan antara bagian positif (+) dengan sumber tenaga bagian positif (+), dan bagian negatif (-) dihubungkan dengan sumber tenaga bagian negatif (-). Antara modul termoelektrik satu dan lainnya saling terhubung. 2.6 Keuntungan dan kekurangan sistem termoelektrik Kelebihan dari sistem termoelektrik ini adalah : 1. Sederhana dan sedikit komponen yang dibutuhkan 2. Mampu untuk mengubah menjadi pemanas atau pendingin 3. Tidak menggunakan komponen yang bergerak, tidak berisik, dan tidak ada kebocoran 4. Sistem dapat bekerja pada tiap posisi. Karena tidak dipengaruhi oleh gravitasi 5. Sistem dapat dibuat kecil untuk kapasitas refrigerasi yang kecil 6. Umur lebih panjang, karena tidak ada bagian yang bergerak pada sistem Sedangkan kekurangan dari sistem termoelektrik adalah : 1. Kapasitas pendinginan yang kecil 2. Untuk menghasilkan kapasitas pendinginan yang sama seperti pada sistem kompresi uap, dibutuhkan daya yang lebih besar 3. Jika patrian/sambungan antara bahan termoelektrik dengan tembaga (Cu) sebagai konduktor listrik, kurang baik. Maka sistem tidak bekerja dengan baik/wajar. 2.7 Dasar Teori Mengenai Darah Pengertian Darah Darah (Gambar 2.10) 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. Politeknik Negeri Bandung 13

10 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. 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. Darah manusia berwarna merah, antara merah terang apabila kaya oksigen sampai merah tua apabila kekurangan oksigen. Warna merah pada darah disebabkan oleh hemoglobin, protein pernapasan (respiratory protein) yang mengandung besi dalam bentuk heme, yang merupakan tempat terikatnya molekul-molekul oksigen Trombosit Trombosit (Gambar 2.11) itu merupakan salah satu jenis sel darah yang berfungsi untuk pembekuan darah agar tidak terjadi pendarahan yang berkepanjangan apabila kita mengalami luka. Nama lain trombosit adalah platelet atau bahasa Indonesianya keping darah. Apabila jumlahnya menurun maka akan terjadi pendarahan pada tubuh kita, misalnya pada orang demam berdarah. Pendarahan tersebut terlihat di kulit Politeknik Negeri Bandung 14

11 seperti bintik-bintik merah kecil dibawah kulit. Nilai normal trombosit adalah / mikro liter. Gambar 2.11 Trombosit 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 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. 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 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. Politeknik Negeri Bandung 15

12 1. Seleksi Donor Seleksi donor darah bertujuan untuk menjamin kesehatan dan keselamatan donor (pemberi), resipien (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 tahun Suhu tubuh : Suhu tubuh tidak melebihi 37 o C Nadi : Denyut nadi berkisar antara kali per menit. Tekanan darah : Tekanan darah antara 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 o C, kecuali darah yang akan diolah menjadi trombosit pekat harus disimpan dengan suhu antara o C. 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. Politeknik Negeri Bandung 16

13 3. Pengolahan Komponen Darah Pengolahan komponen darah adalah tindakan memisahkan komponen darah donor dengan prosedur tertentu menjadi komponen darah yang siap dipakai. Dalam proses tersebut aspek kualitas dan keamanan harus terjamin untuk mendapatkan produk akhir yang diharapkan. 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 menjadi trombosit harus disimpan pada suhu o C. 4. Penyimpanan Darah Darah terbagi menjadi 4 jenis komponen yaitu whole blood (darah campuran), PRC (pure red cell) atau sel darah merah murni, sel darah putih dan trombosit yang masing-masing memiliki temperatur penyimpanan yang berbeda-beda. Untuk menyimpan darah berupa whole blood dan sel darah merah dipakai blood refrigerator yang bersuhu 1-6 o C. Sedangkan untuk menyimpan trombosit pekat dibutuhkan suhu antara o C. 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. b. Volume plasma : Plasma berguna sebagai media hidup trombosit sehingga proporsi yang tepat akan memperlama usia trombositnya. Politeknik Negeri Bandung 17

14 c. Suhu simpan : Dulu penyimpanan trombosit mengikuti suhu simpan darah lengkap saat ini diketahui bahwa suhu ideal untuk penyimpanan trombosit pekat adalah berkisar antara derajat celcius. 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 mempengaruhi 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 menyebabkan hemolisis dan menimbulkan reaksi transfusi hebat. 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. Politeknik Negeri Bandung 18