Kepentingan teknologi ini muncul sejak zaman kuno lagi, di mana ia digunakan secara meluas dalam penyimpanan makanan basah yang mudah rosak seperti sayur-sayuran dan daging. Selain itu, ia turut digunakan dalam sistem pengudaraan rumah ketika musim panas.
Sebelum kemunculan teknologi pemampatan gas (English-gas compression technology), penyejukan dilakukan dengan menggunakan ais yang dikumpul pada setiap musim sejuk. Teknologi ini bermula di Parsi dan kemudiannya digunakan secara meluas di serata dunia. Ais yang dikumpulkan akan disimpan di dalam sebuah bekas bertebat (English-insulated container) dan ais ini mampu kekal beku sehingga pada musim sejuk yang seterusnya.
Rumah ais di Iransumber: http://architecture.tumblr.com/post/1004893765/ice-house-yazd-iran-this-picture-is-of-an
Ibnu Sina merupakan antara saintis pertama yang memberikan sumbangan dalam teknologi ini dengan mencipta gegelung penyejukan bagi memeluwapkan (English-condensing) wap dari sebatian aromatik (English-aromatic compound vapour). Unsur penyejuk yang digunakan ialah air. Beliau juga menggunakan gegelung sama bagi menyuling (English-distill) campuran sebatian organik dalam proses bertentangan, di mana air digantikan dengan wap air mendidih.
tugu Ibnu Sinasumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:IbnSina-Dushanbe.jpg
Gegelung penyejuksumber: http://www.trademe.co.nz/Business-farming-industry/Industrial/Other/auction-363929267.htm
Gegelung penyejuk digunakan dalam pemeluwap Liebegsumber:http://www.artisan-distiller.net/phpBB3/viewtopic.php?f=60&t=400&start=15
Selepas abad ke-19, muncul dua jenis teknologi penyejukan yang paling utama, iaitu teknologi pemampatan gas, dan teknologi kesan Peltier (English-Peltier effect technology). Teknologi pemampatan gas memanfaatkan sifat kebolehmampatan gas (English-gas compressibility) dan hukum kebergantungan tekanan-suhu atau hukum Charles (English- pressure-temperature dependency law or Charles’s Law). Teknologi ini paling meluas digunakan berbanding teknologi kesan Peltier, dan banyak dimanfaatkan dalam sistem penyejukan peti ais dan pendingin hawa kereta.
Sementara teknologi kesan Peltier menggunakan bahan-bahan termoelektrik (English-thermoelectric substances) yang kebanyakannya dihasilkan dari bahan-bahan semikonduktor. Usaha penyelidikan bagi menghasilkan bahan ini yang mempunyai keberkesanan kuasa (English-power efficiency) yang lebih tinggi masih diteruskan. Bahan ini (dikenali selepas ini sebagai ‘bahan Peltier’) memiliki kebolehan menukarkan beza keupayaan (English-voltage) bekalan tenaga elektrik yang merentasinya kepada perubahan suhu.
Terdapat juga kaedah moden lain yang masih baru (English-novel) dan belum dikomersialkan lagi, umpamanya kaedah penyejukan magnetik yang menggunakan bahan peka medan magnetik, dan kaedah penyejukan menggunakan bunyi yang menggunakan bahan peka gelombang bunyi. Kaedah-kaedah ini mirip teknologi kesan Peltier dari segi ketiadaan bahagian-bahagian yang bergerak sebagaimana yang wujud pada teknologi pemampatan gas. Kaedah penyejukan magnetik, bunyi, rangsangan laser dan selain dari Peltier semuanya masih di peringkat awal penyelidikan dan ada yang telah dimanfaatkan pada tahap makmal sahaja, umpamanya dalam menyediakan sebuah keadaan lampau sejuk (English-cryogenic condition) bagi memeluwapkan gas helium dan nitrogen, juga bagi menghasilkan kesan super-kepengaliran (English-superconductivity) pada bahan pengalir arus.
Dalam rencana ini penulis akan menjelaskan bagaimana dua sistem penyejukan utama; iaitu teknologi pemampatan gas dan teknologi kesan Peltier dilaksanakan (English-being implemented).
Kaedah pemampatan gas
Penulis akan menerangkan seperti seolah-olah para pembaca akan membina sebuah sistem penyejukan pemampatan gas, iaitu dengan menimbulkan persoalan demi persoalan sehingga para pembaca sekurang-kurangnya akan ‘mampu membina sebuah peti ais di dalam fikiran pembaca’.
Sebelum itu, penulis ingin mengingatkan bahawa pembaca mestilah terlebih dahulu faham apa ia hukum Charles dan hukum Boyle, serta hubungkait antara tekanan, isipadu dan suhu suatu gas. Atau dengan kata lain, sekurang-kurangnya para pembaca mesti memiliki pengetahuan Fizik peringkat SPM.
Idea penyejukan menggunakan kaedah pemampatan gas timbul dari pemerhatian bahawa sebarang cecair yang menyejat (English-evaporate) menghasilkan kesan penyejukan. Ini kerana cecair yang menyejat menyerap tenaga haba dari persekitarannya semasa bertukar kepada wap.
Idea ini turut dipacu oleh penemuan bahawa penyejukan dari proses penyejatan (English-cooling by evaporation) mampu menghasilkan suhu yang lebih rendah dan mampu membuang lebih banyak haba dari bahan yang ingin disejukkan berbanding penyejukan dari perpindahan haba tentu (English-cooling by specific heat transfer).
Persoalan pertama yang penulis ingin timbulkan ialah bagaimanakah menghasilkan proses penyejatan secara berterusan bagi menghasilkan kesan penyejukan yang berterusan? Kita sudah pasti memerlukan sejenis bahan cecair penyejuk yang mudah bertukar menjadi wap sejurus menerima haba dari objek yang ingin disejukkan. Selain itu, bagi menjadikan teknologi penyejuk yang akan dihasilkan mudah alih, cecair penyejuk mestilah dikekalkan dalam alat tersebut tanpa dikeluarkan ke mana-mana. Maka cecair tersebut mestilah boleh ditukarkan kembali kepada cecair selepas disejatkan kepada wap, untuk digunakan semula sebagai cecair penyejuk.
Untuk itu kita menggunakan udara bagi menyingkirkan haba dari wap cecair ini supaya ia kembali memeluwap kepada cecair dan seterusnya dapat dikitar kembali ke bahagian penyejatan untuk menyejukkan bahan.
Namun, satu lagi masalah timbul. Selepas cecair ini disejatkan kepada wap, sudah pasti suhunya meningkat. Dari itu, aliran udara bagi menyejukkan wap ini adalah tidak mencukupi untuk mengembalikan keadaan fizikalnya semula kepada cecair meskipun ia berjaya menurunkan suhu wap tersebut. Tambahan pula, jika sekiranya kita menggunakan motor bagi meningkatkan laju udara ke tahap tertinggi, belum tentu udara tersebut mampu memeluwapkan wap tersebut kerana untuk pemeluwapan berlaku, jumlah haba yang tinggi yang dikenali sebagai haba perlakuran (English-heat of fusion) perlu dibebaskan oleh aliran udara. Oleh itu bukan sahaja penggunaan motor tidak mampu memeluwapkan wap, malah meningkatkan lagi kos bekalan kuasa yang diperlukan.
Maka, di sinilah munculnya konsep yang dinamakan ‘wap bertekanan’ (English-pressurized vapour) dan pemampat gas (English-gas compressor). Sejurus wap penyejuk meninggalkan bahagian penyejatan dan sebelum ia disejukkan oleh aliran udara, maka ia akan dimampatkan menggunakan pemampat gas terlebih dahulu.
Apabila wap penyejuk dimampatkan, isipadunya berkurang dan tekanannya meningkat (rujuk hukum Boyle atau hukum kebergantungan isipadu-tekanan). Menurut hukum Charles, apabila tekanan meningkat, maka suhu akan meningkat. Oleh itu, selepas dimampatkan, wap penyejuk bertukar kepada wap bertekanan yang dikenali sebagai wap tepu(English-saturated vapour) di mana pada keadaan ini, wap penyejuk berada pada tekanan dan suhu yang tinggi.
Pada keadaan tersebut, aliran udara yang sedikit sahaja mampu menukarkan wap penyejuk tersebut kembali kepada cecair, namun masih kekal pada tekanan dan suhu yang tinggi. Alasan terperinci mengenai fenomena ini berkait rapat dengan konsep entropi (English-entropy) dalam disiplin fizik termodinamik (English-thermodynamics), di mana penulis tidak akan menerangkan mengenainya di sini.
Menggunakan konsep yang sama secara songsang, maka kita akan dapat menyelesaikan masalah mengenai cecair penyejuk yang boleh menyejat sejurus menerima haba dari bahan yang ingin disejukkan, iaitu masalah pertama yang telah dikemukakan sebelum ini. Bagaimanakah caranya?
Cecair penyejuk yang meninggalkan bahagian aliran udara penyejuk adalah cecair penyejuk pada tekanan dan suhu tinggi. Untuk mengitar semula cecair ini kembali ke bahagian penyejatan maka suhunya mestilah diturunkan terlebih dahulu bagi membolehkannya menyerap haba dari luar seterusnya bertukar kepada wap sekali lagi (untuk mengulangi proses yang sama).
Sekali lagi menurut hukum Charles (pada pengertian songsang), apabila tekanan dikurangkan, maka suhu berkurang. Maka sebuah injap pengembangan (English-expansion valve) dipasangkan bagi mengurangkan tekanan cecair tersebut. Cecair yang telah dikurangkan tekanan (dan juga suhu; menurut hukum Charles) dikembalikan semula ke bahagian penyejatan untuk menyerap haba dari bahan yang ingin disejukkan, dan mengulangi kitaran yang sama.
Pada keadaan tersebut, aliran haba yang sedikit sahaja daripada bahan yang ingin disejukkan mampu menyejatkan cecair penyejuk bertekanan dan bersuhu rendah tersebut yang juga dikenali sebagai cecair tepu (English-saturated liquid)kepada wap, namun masih kekal pada tekanan dan suhu yang rendah. Sekali lagi seperti sebelumnya, alasan terperinci mengenai fenomena ini berkait rapat dengan konsep entropi (English-entropy) dalam disiplin fizik termodinamik (English-thermodynamics), di mana penulis tidak akan menerangkan mengenainya di sini.
Pemilihan cecair penyejuk yang tepat adalah penting bagi menghasilkan kesan penyejatan. Jika tekanan wap tepu** (English-saturated vapour pressure) cecair penyejuk kurang atau sama dengan tekanan rendah ketika ia memasuki bahagian penyejatan, maka ia tidak akan tersejat kepada gas dan akhirnya menyebabkan penyejukan tidak dapat dilakukan. Begitu juga, jika tekanan wap tepu cecair penyejuk lebih rendah berbanding tekanan tinggi yang diperolehi selepas ia dimampatkan oleh pemampat gas, maka ia tidak akan terpeluwap kepada cecair. Maka, cecair penyejuk yang sesuai digunakan mestilah memiliki nilai tekanan wap tepu di antara nilai tekanan yang dihasilkan oleh pemampat gas dan nilai tekanan yang dihasilkan oleh injap pengembangan. Selain itu, injap pengembangan dan pemampat gas yang sesuai juga diperlukan agar kawalan terhadap tekanan cecair penyejuk dapat dicapai dengan berkesan. Mengenai tekanan wap tepu, ia akan dijelaskan pada bahagian akhir rencana ini.
Kini, semua masalah yang dikemukakan telah berjaya diselesaikan, dan keseluruhan konsep penting mengenai teknologi pemampatan gas diringkaskan dalan rajah di bawah;
Kepelbagaian rekacipta dan jenama berkaitan teknologi ini bergantung kepada bilangan sistem penyejukan yang digunakan dalam satu unit produk, jenis cecair penyejuk yang digunakan, jenis injap dan pam dan inovasi tambahan yang lain. Namun, prinsip asas yang dimanfaatkan adalah sepertimana yang telah dijelaskan di atas.
Dalam memilih cecair penyejuk yang sesuai, selain mengambil kira faktor tekanan wap tepu (English-vapour pressure) cecair penyejuk tersebut dan jenis pam dan injap, faktor lain yang perlu diambil kira juga ialah tahap keracunannya, dan kesannya kepada alam sekitar. CFC (chlorofluorocarbon atau nama komersil Freon) pernah digunakan sebagai cecair penyejuk, namun selepas diketahui bahawa ia bertindak balas dengan lapisan ozon dan menipiskannya, maka bahan ini telah diharamkan penggunaannya bermula pada tahun 1970-an dan digantikan dengan haloalkana yang lain.
Kaedah kesan Peltier
Kaedah kesan Peltier cukup mudah untuk dijelaskan. Kesan Peltier berlaku apabila suatu bahan (bahan Peltier) menerima tenaga elektrik, di mana tenaga elektrik yang dibekalkan akan ditukarkan kepada beza suhu di antara dua hujung bahan Peltier. Kesan Peltier adalah songsangan dari kesan termoelektrik, di mana beza suhu di antara dua hujung pada suatu bahan mampu menghasilkan arus elektrik. Kesan termoelektrik banyak digunakan dalam penghasilkan termometer atau penyukat suhu.
Struktur binaan kepingan Peltiersumber: http://www.advrider.com/forums/showthread.php?t=369600
Kelebihan utama penyejukan menggunakan kesan Peltier ialah tiada bahagian bergerak seperti motor pemampat gas, cecair penyejuk dan sebagainya, maka ia ringan dan mudah dibawa ke mana-mana dan oleh itu, kerapkali digunakan dalam alatan penyejuk mudah alih untuk tujuan perkhemahan dan kembara. Sistem penyejukan ini pegun dan hanya memerlukan bahan Peltier serta tenaga elektrik dengan arus yang kecil seperti dari sel kering atau sel suria (English-solar cell). Kekurangan utama sistem ini ialah kurangnya keberkesanan kuasa berbanding sistem pemampat gas di mana kuasa yang lebih banyak diperlukan bagi menyejukkan satu-satu objek.
Apabila satu bahan Peltier dialirkan arus elektrik merentasinya, satu hujungnya akan menyejuk, manakala satu lagi akan memanas, bergantung kepada nilai beza keupayaan arus yang dibekalkan. Semakin besar beza keupayaan maka semakin besar beza suhu di antara kedua-dua hujung bahan ini.
Nilai arus yang dibekalkan pula akan mempengaruhi suhu pada setiap hujung bahan ini. Semakin tinggi arus maka semakin tinggi suhu pada setiap hujungnya.
Perlu diketahui bahawa kesan Peltier berbeza dengan unsur pemanas sebagaimana yang digunakan dalam alat pemanas seperti seterika, cerek elektrik, plat pemanas dan sebagainya. Dalam unsur pemanas, hanya satu hujung dipanaskan sementara satu lagi hujung dibiarkan pada suhu asalnya.
Rajah di bawah menunjukkan secara ringkas bagaimana teknologi kesan Peltier berfungsi;
sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Peltierelement.png
Teknologi kesan Peltier ialah rahsia utama bagaimana peti ais kecil yang hanya dibekalkan kuasa dari salur kuasa USB untuk menyejukkan minuman dalam tin boleh dihasilkan.
Penyejuk minuman dengan salur kuasa USBsumber:http://www.shed-world-cup.co.uk/2010/05/usb-mini-fridge-for-your-shed.html
Jenis lain penyejuk USBhttp://wapedia.mobi/thumb/7ef4502/en/fixed/470/347/USB_Beverage_Cooler.jpg?format=jpg
**Nota khas mengenai tekanan wap tepu:
Tekanan wap tepu (English-saturated vapour pressure) ialah tekanan yang dihasilkan oleh wap suatu cecair apabila ia berada di dalam keadaan keseimbangan dengan cecair dari jenis bahan yang sama dalam sebuah sistem tertutup (tiada perpindahan jisim keluar dan masuk), pada suatu nilai suhu yang tetap. Rajah berikut menunjukkan cecair yang berada pada keadaan keseimbangan dengan wapnya di dalam sebuah bekas tertutup;
Tekanan yang dikenakan oleh wap ke atas cecair pada rajah di atas ialah tekanan wap tepu pada suhu tersebut. Ia dinamakan ‘wap tepu’ kerana kandungan wap dalam bekas tersebut ialah pada tahap yang paling tinggi (tepu) pada suhu yang sedang dicapai oleh bekas tersebut. Sementara cecair yang sedang berada dalam keseimbangan tersebut pula dinamakan cecair tepu.
Nilai tekanan wap tepu suatu bahan kimia pada suatu nilai suhu adalah unik dan tersendiri. Jika suhu di dalam sebuah bekas tertutup yang mengandungi hanya bahan kimia tersebut diubah, maka tekanan wap tepu juga berubah.
Bayangkan alam ini ialah suatu bekas tertutup. Pada suhu 100 darjah Celsius, tekanan wap tepu air ialah tekanan atmosfera. Maka, wap dan cecair air mesti berada pada keadaan seimbang antara satu sama lain pada suhu 100 darjah Celsius dan tekanan atmosfera. Disebabkan tekanan di atas daratan pada aras laut ialah tekanan atmosfera, maka pada suhu 100 darjah Celsius, air akan mendidih. Ini kerana wap air sedang mencapai keseimbangan dengan cecair air dan dikatakan sedang berada dalam keadaan ‘tepu’.
Jika berada di puncak gunung, tekanan udara adalah kurang dari tekanan atmosfera. Oleh itu, jika diandaikan kita membawa air yang sedang mendidih di kaki gunung ke puncak gunung dengan sekelip mata, air tersebut akan mendidih dengan lebih cepat dan lebih banyak cecair air akan bertukar kepada wap air. Ini kerana tekanan wap tepu air pada suhu 100 darjah Celsius (sama dengan tekanan atmosfera) lebih tinggi dari tekanan udara di gunung.
Air yang bertukar kepada wap akibat dari tekanan yang berkurang ini djnamakan wap tepu (English-saturated steam/vapour).
Jika berada di dasar lautan pula, tekanan udara dan tekanan air adalah lebih tinggi dari tekanan atmosfera. Oleh itu, jika diandaikan kita membawa air yang sedang mendidih di aras laut ke dasar lautan (tanpa bercampur dengan air laut) dengan sekelip mata, air tersebut akan berhenti mendidih dan terpeluwap kepada cecair air. Ini kerana tekanan wap tepu air pada suhu 100 darjah Celsius (sama dengan tekanan atmosfera) kurang dari tekanan udara dan air laut di dasar lautan.
Wap air yang bertukar kepada cecair akibat dari tekanan yang meningkat ke atasnya ini dinamakan cecair tepu (English-saturated liquid)
Dari sinilah munculnya idea bagaimana mengubah kadar pendidihan air dengan mengubah tekanan tanpa mengubah suhunya, yang mana idea ini diaplikasikan dalam sistem penyejukan pemampatan gas.
No comments:
Post a Comment
Kini, Anon dan Anonimah pun boleh mengomen...