Frekuensi radio.

Getaran

Getaran (English-vibration) boleh diertikan sebagai pergerakan berulang alik suatu jasad, bermula dari satu kedudukan, kemudian beranjak dari kedudukan tersebut pada suatu jarak, dan kembali semula ke kedudukan asalnya. Jika ia bergetar namun tidak kembali kepada kedudukan asalnya, maka ia hanya bergetar secara biasa. Akan tetapi jika ia bergetar dan kembali kepada kedudukan asalnya, maka ia melakukan satu getaran lengkap.


sumber: http://www.education.com/science-fair/article/sound-longitudinal-waves/

Katakan kita mengapit pembaris kenyal (English-elastic ruler) pada permukaan sebuah meja, dengan sebahagian darinya mengunjur keluar dari meja tersebut (sepertimana dalam gambar di atas). Kita tarik hujung pembaris yang mengunjur keluar itu ke bawah, kemudian melepaskannya. Pembaris akan bergetar ke atas dan ke bawah, dan seterusnya menghasilkan bunyi. Jika kedudukan asal pembaris ialah aras permukaan meja, maka apabila ia bergerak ke bawah, kemudian ke atas dan kembali semula ke kedudukan asalnya iaitu pada aras permukaan meja, maka pembaris dikatakan telah selesai melakukan SATU getaran lengkap.

Getaran lengkap sebuah pembaris boleh dipersembahkan dalam bentuk graf, di mana paksi Y mencatatkan jarak anjakan pembaris dari kedudukan asalnya pada aras meja, dan paksi X ialah masa di mana pembaris berada pada satu-satu jarak pada paksi Y. Jika nilai pada paksi Y ialah negatif, maka pembaris berada di bawah aras meja, dan jika ia positif, maka pembaris sedang berada di kedudukan yang lebih tinggi dari aras meja. Getaran pembaris mengikut bentuk graf sinus seperti di bawah:


sumber: http://www.intmath.com/trigonometric-graphs/1-graphs-sine-cosine-amplitude.php


Frekuensi

Frekuensi atau kekerapan (English-frequency) ialah ukuran berapa banyakkah getaran lengkap yang boleh dilakukan suatu objek atau sistem dalam tempoh satu saat. Dengan kata lain, ia adalah ukuran berapa kerapkah objek atau sistem tersebut bergetar secara lengkap dalam tempoh satu saat.

Frekuensi diukur dalam unit Hertz atau ringkasnya Hz. Sebagai contoh, jika suatu objek bergetar dengan 20Hz, bererti ia melakukan 20 kali getaran lengkap dalam masa satu saat.

Manusia hanya boleh mendengar getaran yang berlaku di antara 20Hz hingga 20000Hz sahaja. Oleh itu, bunyi yang dihasilkan oleh objek yang bergetar dalam julat ini akan dapat didengari oleh manusia. Jika suatu objek itu bergetar pada frekuensi yang lebih dari 20000Hz, maka ia digelar objek lampau bunyi (English-ultrasonic object) dan tidak dapat didengari manusia. Objek yang dapat menghasilkan bunyi lampau digunakan dalam perubatan, di mana ia dimanfaatkan dalam mesin pengimbas bunyi lampau (English- ultrasound scanner) untuk mengesan pergerakan dan perkembangan janin dalam kandungan ibu.

Getaran arus elektrik

Arus elektrik 'bergetar' dengan cara menukar arah pengalirannya. (lihat rajah di bawah)

Satu getaran arus elektrik disimpulkan sebagai pergerakan arus elektrik dari sumber (English-source) menuju ke beban (English-load) dan kembali ke sumber, kemudian dari sumber, pada arah yang berlawanan, menuju ke beban dan kembali semula ke sumber. Ini ialah satu getaran lengkap arus elektrik.


Beza antara arus ulang-alik (English-alternating current) dan arus terus (English-direct current). Dalam rajah di atas, sumber ialah bulatan sementara beban ialah simbol bergerigi.
sumber: http://www.cybermike.net/reference/liec_book/AC/AC_1.html

Jika arus elektrik melakukan 50 kali getaran lengkap seperti yang diterangkan di atas, maka arus elektrik dikatakan 'bergetar' dengan frekuensi 50Hz ( atau 100 kali bertukar arah dalam masa sesaat). Ini ialah frekuensi yang digunakan di Malaysia dalam sistem pembekalan tenaga elektrik pada soket-soket bangunan dan rumah-rumah.

Para pembaca yang bijak akan mula mempersoalkan, adakah wayar penyalur elektrik mampu bertahan dalam sistem bergetar yang sangat tinggi ini? Tidakkah mereka terdedah kepada kerosakan, kerana sifat arus yang sentiasa berubah-ubah arah? Ini kerana getaran berulang-ulang boleh dianalogikan sebagai melakukan pergerakan yang sama ( contohnya berlari) menggunakan kasut sukan yang sama. Apabila kerap berlari, maka tapak kasut sukan akan makin haus akibat geseran dengan permukaan bumi. Begitu juga wayar elektrik.

Untuk mengatasi hal ini dan bagi membolehkan wayar penghantar salur elektrik mampu membawa arus berfrekuensi tinggi, ia diperbuat daripada tembaga (English-copper) yang memiliki rintangan elektrik yang amat rendah. Langkah ini boleh dianalogikan sebagai menggunakan kasut sukan yang lebih kuat (English-robust) daya cengkaman (English-grip force) dan tapaknya bagi mengurangkan kesan geseran (rintangan) dengan permukaan jalanraya atau permukaan tanah.

Antara elektrik dan kemagnetan

Sebelum pergi dengan lebih jauh, pembaca semua diminta mengamati terlebih dahulu rajah juzuk gelombang elektromagnet (English: electromagnetic waves spectra diagram) di bawah:


sumber: http://mynasadata.larc.nasa.gov/ElectroMag.html

Perhatikan frekuensi dari yang paling rendah sehingga ke yang paling tinggi. Frekuensi paling rendah (10 kuasa 4 atau 10000 atau 10kHz) ialah frekuensi gelombang radio, dan lebih tinggi sedikit (10 kuasa 8 atau 100000000 atau 100MHz) ialah frekuensi gelombang mikro. Ketika frekuensi gelombang elektromagnet ditingkatkan lagi ke 10 kuasa 15, maka cahaya nampak akan terhasil. Frekuensi tertinggi dicatatkan oleh gelombang dari reputan radioaktif, iaitu sinar gamma. (English-gamma ray). Menurut James Clerk Maxwell, kesemua gelombang elektromagnet dalam alam ini (termasuk cahaya biasa) bergerak pada laju cahaya, c = 300000000 meter per saat.

James Clerk Maxwell juga, setelah melakukan analisa ke atas Hukum Faraday dan Hukum Lenz, beliau menemui perkaitan antara medan elektrik dan medan magnet. Menggunakan himpunan persamaan-persamaan elektromagnetik yang dinamakan sekarang sebagai Persamaan Maxwell (English- Maxwell equations), beliau merumuskan dua fakta paling penting yang menjadi asas kepada pembangunan bidang elektromagnetik iaitu:

"Perubahan arah arus elektrik akan menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah pada sudut tegak dari arah pengaliran tersebut"

"Perubahan medan magnetik akan menghasilkan medan elektrik (atau arus elektrik jika ia melalui bahan pengalir arus) yang berubah-ubah arah dan pada sudut tegak dari arah medan magnetik"

Dengan menggabungkan kedua-dua fakta di atas, apakah yang dapat kita simpulkan?

Jawapannya cukup mudah: sebuah sistem yang memiliki medan magnetik dan medan elektrik yang saling berubah-ubah arah akan terhasil.

Bagaimana sistem ini boleh muncul? Medan magnetik yang berubah-ubah akan menghasilkan medan elektrik yang berubah-ubah, yang mana medan elektrik ini yang juga berubah-ubah akan menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah. Proses ini berulang-ulang dan membentuk apa yang dikenali sebagai gelombang elektromagnet (English-elektromagnetic wave).


sumber: http://taksreview.wikispaces.com/
Medan magnetik dan medan elektrik saling berubah-ubah dalam gelombang elektromagnet.

Gelombang elektromagnetik muncul dalam bentuk yang berlainan dalam alam ini, namun kesemuanya memiliki ciri yang sama; bergerak pada laju cahaya, c = 300000000 meter per saat, dan memiliki medan elektrik dan medan magnet yang saling berubah-ubah dan bertukar arah. Jenis gelombang elektromagnet dipengaruhi oleh frekuensi atau kekerapannya mengubah bentuk medan ( dari medan elektrik ke medan magnet dan sebaliknya) dalam masa sesaat). Gelombang radio, gelombang cahaya biasa, gelombang mikro (English-microwave) yang digunakan dalam ketuhar gelombang mikro, gelombang sinar X dan sinar gamma, kesemuanya merupakan gelombang elektromagnet yang diasingkan mengikut frekuensi getaran yang berbeza-beza, dan dihimpunkan di dalam sebuah rajah yang dikenali sebagai rajah juzuk gelombang elektromagnet sepertimana yang telah penulis utarakan kepada para pembaca pada awal bahagian ini.

Getaran arus elektrik pada frekuensi tinggi.

Adakah mustahil untuk kita meningkatkan lagi getaran arus elektrik kepada frekuensi yang lebih tinggi dari 50Hz? Tidak. Bahkan ia diaplikasikan secara meluas dalam kehidupan kita. Buat pengetahuan pembaca, dengan getaran yang lebih tinggi inilah, maka teknologi radio dan teknologi perhubungan tanpa wayar dapat dilakukan!

Sebelum ini kita telahpun membincangkan mengenai arus elektrik yang bergetar pada frekuensi 50Hz. Apakah yang akan berlaku jika kita tingkatkan lagi frekuensi ini, sebagai contoh, kepada 1000Hz atau 1kHz (atau 1000 kali getaran lengkap sesaat, atau juga 2000 kali bertukar arah sesaat!)?

Seorang saintis Inggeris bernama Oliver Heaviside yang mengkaji sifat arus ulang alik telah menjelaskan dalam kertas kerjanya bahawa arus elektrik yang ditingkatkan frekuensinya ini akan mengalir PADA PERMUKAAN BAHAN PENGALIR. Beliau menjelaskan bahawa semakin tinggi frekuensi arus elektrik (semakin kerap arus elektrik mengubah arah pengaliran dalam masa sesaat), semakin banyak arus akan mengalir PADA PERMUKAAN LUAR BAHAN PENGALIR. Fenomena ini dikenali sebagai Kesan Permukaan (English- skin effect)


sumber: http://www.audiosold.com/theorydesign.htm
Dua gambar dalam rajah di atas menerangkan fenomena kesan permukaan pada wayar penghantar arus.
(terjemahan)
Rajah 1 (atas): keratan rentas selembar wayar yang menunjukkan bahawa isyarat audio (arus elektrik) berfrekuensi rendah berkecenderungan untuk mengalir pada bahagian tengah wayar (kawasan yang digelapkan ialah kawasan di mana arus sedang mengalir) sebagaimana arus elektrik biasa.
Rajah 2 (bawah): keratan rentas wayar yang sama yang menunjukkan bahawa isyarat audio ( arus elektrik ) berfrekuensi tinggi berkecenderungan untuk mengalir menjauhi bahagian tengah ( atau berkecenderungan mengalir pada permukaan luar) wayar. Juga kawasan yang digelapkan ialah kawasan di mana arus sedang mengalir.

Ini bermakna, ruang di dalam wayar tembaga tidak digunakan sepenuhnya oleh arus elektrik ketika ia mengalir pada frekuensi yang amat tinggi. Para pembaca sekalian boleh menggunakan sebuah analogi bagi memahami fenomena ini: apabila semakin kerap arus terpaksa berulang-alik atau bertukar arah, maka semakin cenderung ia untuk keluar daripada bahan pengalir atau wayar tembaga, dengan harapan untuk mencari sebuah jalan pintas agar ia dapat mengalir dengan lancar. Ia sama seperti sifat manusia yang gemar menghindari kawasan sibuk dan hiruk pikuk (diterjemah pada wayar elektrik sebagai kawasan di mana arus berubah-ubah arah) untuk sampai ke destinasinya, dengan menggunakan jalan pintas.

Apabila ditingkatkan lagi frekuensi arus elektrik SEHINGGA SAMA DENGAN FREKUENSI RADIO (rujuk rajah juzuk gelombang elektromagnet di atas) iaitu 10kHz atau 10000Hz, maka arus tidak lagi mengalir dalam wayar elektrik. Ia keluar dari wayar sebagai apa yang kita kenali sebagai GELOMBANG RADIO.

Ini kerana pada tahap frekuensi yang amat tinggi ini, medan elektrik yang berubah-ubah (dari arus yang berubah-ubah arah) memiliki TENAGA YANG CUKUP untuk menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah yang tidak lenyap begitu sahaja atau pegun ( tidak bergerak), sebaliknya medan magnet yang memiliki tenaga yang cukup untuk menghasilkan kembali medan elektrik dan seterusnya medan magnetik yang berubah-ubah. Atau dengan kata lain, pada frekuensi yang amat tinggi ini, proses penghasilan gelombang elektromagnet dapat dimulakan dan diteruskan. Semakin tinggi arus yang dibekalkan, semakin lama medan elektrik dan medan magnet dapat saling dihasilkan oleh satu sama lain dan bertahan dalam proses tersebut tanpa terhenti atau mati (English-die away) dan semakin jauh gelombang elektromagnet dapat bergerak meninggalkan wayar pembawa arus, merentasi ruang udara, sehingga sampai kepada sistem penerima (English-receiver).

Ini ialah prinsip asas kepada penghasilan gelombang radio. Arus ulang alik pada frekuensi radio atau kependekannya RF (English-radio frequency) dialirkan kepada bahan pengalir yang dikenali sebagai antena (English-antenna). Proses penukaran arus ini kepada gelombang radio berlaku dengan berkesan dalam antena dan dipancarkan ke udara untuk ke sistem penerima radio.

Gelombang radio membolehkan komunikasi tanpa wayar dilakukan, dengan cara mengubah bentuk gelombang tersebut mengikut isyarat bunyi dan gambar yang ingin dihantar menerusi sistem tanpa wayar menggunakan kaedah yang dikenali sebagai modulasi (English-modulation) atau 'pengubahsuaian'.

Teknologi dan termodinamik.

Teknologi diertikan sebagai kaedah atau peralatan khas yang diciptakan menggunakan pengetahuan berkenaan bagaimana alam bekerja, bagi memudahkan manusia menyelesaikan satu-satu tugasan atau kerja.

Teknologi dicipta bagi membolehkan manusia melakukan kerja yang tidak mampu dilakukan oleh mereka menggunakan pancaindera dan keupayaan fizikalnya yang terhad. Sebagai contoh, penglihatan manusia tidak mampu untuk memerhatikan kuman, virus, serta zarah, maka teknologi mikroskop dicipta bagi membolehkan manusia melakukannya. Manusia juga tidak mampu bergerak dari satu tempat ke tempat lain dalam masa yang singkat, sebagai contoh, melalui jarak 200 km dalam masa 2 jam. Maka, teknologi pengangkutan seperti kereta dan kapal terbang dicipta bagi mengangkut manusia melalui jarak dan tempoh masa tersebut.

Dari kebolehan-kebolehan teknologi ini, dengan sekali pandang kita akan membina tanggapan bahawa teknologi mampu MEMBESARKAN TENAGA yang diperolehinya. Ini kerana teknologi mampu melakukan perkara yang tidak mampu kita lakukan, maka sudah pasti teknologi berperanan membesarkan tenaga yang dibekalkan kepadanya.

Namun, tanggapan ini sama sekali bertentangan dengan prinsip keabadian tenaga yang menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan, tetapi tenaga boleh diubah dari satu bentuk ke satu bentuk yang lain. Jika kita cuba mengatakan bahawa teknologi membesarkan tenaga, maka menurut prinsip keabadian tenaga sudah pasti terdapat tenaga yang dicipta oleh teknologi (lihat rajah di bawah).


Rajah 1

Sebenarnya, teknologi TIDAK mencipta sebarang tenagapun. Tanggapan di atas adalah SALAH dan bertentangan dengan prinsip keabadian tenaga. Peranan teknologi hanyalah MENUKARKAN TENAGA dari satu bentuk ke bentuk yang lain; atau dengan kata lain, dari satu bentuk tenaga yang tidak bermanfaat kepada manusia kepada bentuk tenaga yang memberikan manfaat.

Sebagai contoh, teknologi laser. Laser terdiri daripada pembekal tenaga iaitu cahaya dari lampu pendafluor, pam laser yang terdiri daripada hablur khusus untuk laser seperti hablur Yitrium-alumina. Rajah mudah mengenai laser ditunjukkan di bawah:


Rajah 2

Hablur laser atau pam laser dalam rajah di atas bukan pembesar tenaga, tetapi ia berperanan menukarkan tenaga cahaya dari lampu pendafluor kepada cahaya laser. Sekali pandang, sifat tenaga cahaya laser yang lebih kuat berbanding cahaya dari lampu pendafluor menyebabkan kita bertanggapan bahawa berlaku pembesaran tenaga cahaya di dalam hablur laser.

Sebenarnya TIDAK. Apa yang berlaku ialah tenaga cahaya dari lampu pendafluor DITUKAR BENTUK kepada cahaya yang lebih kuat, lurus dan tidak mencapah menggunakan hablur laser. Dengan kata lain, cahaya yang lemah dari lampu pendafluor DITUMPUKAN menjadi cahaya yang kuat iaitu laser. Jika pembaca inginkan bayangan, ia seolah-olah sama seperti menumpukan cahaya matahari menggunakan kanta pembesar agar ia boleh membakar kertas, dan kanta pembesar bertindak seolah-olah seperti hablur laser dalam contoh di atas.


Rajah 3
sumber: http://www.upscale.utoronto.ca/IYearLab/Intros/LensOptics/LensOptics.html

Oleh itu, dengan mematuhi prinsip keabadian tenaga, maka tenaga yang dibekalkan dari lampu pendafluor mestilah SAMA JUMLAHNYA dengan tenaga yang dibebaskan keluar dalam bentuk cahaya laser. Bagaimana cahaya laser boleh menjadi lebih kuat dari cahaya lampu pendafluor dengan tenaga yang sama ialah akibat daripada PERUBAHAN BENTUK TENAGA, bukannya PERTAMBAHAN JUMLAH TENAGA. Cahaya laser yang kuat dihasilkan dengan ‘menumpukan’ cahaya lampu pendafluor yang lemah, oleh tindak balas antara atom-atom dalam hablur laser.

Dari itu, teknologi secara umumnya dimaksudkan sebagai ‘penukar bentuk tenaga’, di mana ia berperanan menukarkan bentuk tenaga dari bentuk yang tidak boleh dimanfaatkan kepada bentuk yang dimahukan dan boleh dimanfaatkan oleh manusia.

Secara kesimpulannya, bukan sahaja teknologi laser, malah untuk semua teknologi, prinsip keabadian tenaga di bawah mesti dipatuhi:
Jumlah keseluruhan tenaga yang dibekalkan kepada teknologi = jumlah tenaga yang dihasilkan oleh teknologi

Prinsip keabadian tenaga di atas juga dikenali sebagai hukum termodinamik pertama (English-first law of thermodynamics)

Hukum termodinamik kedua dan tenaga maksimum yang terhasil dari teknologi

Hukum termodinamik kedua (English-second law of thermodynamics) menjelaskan bahawa dalam dunia sebenar tenaga yang dibekalkan kepada teknologi atau sebarang alatan penukar tenaga MESTI terbahagi dua selepas ia dikeluarkan dari teknologi tersebut; satu kepada TENAGA YANG BERMANFAAT dan satu lagi TENAGA YANG TIDAK BERMANFAAT.


Rajah 4

Tenaga yang bermanfaat ialah tenaga yang menjadi tujuan utama mengapa teknologi tersebut diciptakan. Sebagai contoh tujuan utama kita mencipta kereta ialah untuk mengangkut kita ke mana-mana tempat, maka tenaga yang dihasilkan kereta untuk tujuan utama tersebut ialah tenaga bermanfaat yang dihasilkannya.

Tenaga yang tidak bermanfaat pula ialah tenaga yang bukan merupakan tujuan utama mengapa satu-satu teknologi diciptakan, Tenaga tidak bermanfaat boleh wujud dalam lebih dari satu bentuk tenaga untuk satu-satu teknologi. Menggunakan contoh kereta di atas, maka tenaga yang tidak bermanfaat ialah tenaga yang hilang akibat geseran tayar dengan permukaan jalan, dan tenaga haba akibat geseran dalam silinder bongkah enjin.

Semakin besar tenaga bermanfaat yang dihasilkan sesuatu teknologi, semakin tinggi keberkesanan teknologi tersebut. Semakin tinggi keberkesanannya, maka peratusan tenaga yang dibekalkan kepadanya yang berjaya ditukarkan kepada tenaga bermanfaat akan meningkat, seterusnya mengurangkan pembaziran tenaga dan menjimatkan kos tenaga umpamanya bahan api galian dan sel basah.

Kesemua usaha penambahbaikan (English-improvement) mana-mana teknologi adalah berkisar mengenai isu ini, iaitu bagaimana mengubah seberapa banyak yang mungkin dari tenaga yang tidak bermanfaat ini kepada tenaga yang bermanfaat. Teknologi ramuan (English-formulation) minyak pelincir yang unik dan kompleks telah dihasilkan oleh banyak syarikat petroleum di seluruh dunia bagi mengurangkan pembentukan tenaga tidak bermanfaat disebabkan oleh geseran dalam silinder bongkah enjin. Selain itu, kereta hidrogen yang menggunakan sel bahan api hidrogen (English-hydrogen fuel cell) juga telah dihasilkan kerana didapati sel bahan api hidrogen mampu menghasilkan jumlah tenaga bermanfaat yang lebih tinggi berbanding bahan api galian biasa.

Jika kita berbalik kepada contoh laser yang digunakan sebelum ini, tenaga tidak bermanfaat yang terhasil pada teknologi ini ialah tenaga haba. Sebahagian dari tenaga cahaya lampu pendafluor yang dibekalkan akan ditukarkan kepada tenaga haba oleh hablur laser, dan akan disingkirkan menggunakan kemudahan penyejuk seperti pemeluwap Liebig (English-Liebig condenser) dan sebagainya.


Rajah 5

Dari gabungan pemahaman mengenai hukum pertama dan kedua termodinamik ini, kita dapat menyimpulkan bahawa untuk setiap teknologi atau alatan penukar tenaga, tenaga bermanfaat yang terhasil adalah sentiasa TIDAK MELEBIHI DARI dan TIDAK SAMA DENGAN tenaga yang dibekalkan kepadanya dan ia akan SENTIASA KURANG dari tenaga yang dibekalkan. Dari itu menurut hukum termodinamik kedua secara khususnya, tidak ada sebarang teknologi atau alatan penukar tenaga yang benar-benar sempurna, iaitu teknologi yang mampu menukarkan 100 peratus tenaga yang dibekalkan kepada tenaga bermanfaat.

Oleh itu, semua teknologi dan alatan penukar haba yang diciptakan manusia sentiasa berfungsi dengan tenaga yang KURANG dari tenaga yang dibekalkan. Semakin hampir nilai tenaga ini dengan tenaga yang dibekalkan, maka semakin tinggilah keberkesanan teknologi tersebut dan semakin tinggi kos yang diperlukan untuk menghasilkannya.

Hukum termodinamik kedua adalah BENAR dan tidak dapat dielakkan dalam dunia sebenar disebabkan wujudnya geseran dan ketidaksempurnaan dalam setiap teknologi yang diciptakan manusia. Jika hukum termodinamik kedua ini tidak dipatuhi, maka akan wujudlah teknologi yang mampu menukarkan KESELURUHAN tenaga yang dibekalkan kepadanya kepada tenaga bermanfaat tanpa sebarang kehilangan tenaga, dan juga mampu MEMBESARKAN tenaga tersebut. Teknologi ini dinamakan teknologi sempurna (English-perfect technology).

Jika sebuah jentera (English-machine) bertindak seperti sebuah teknologi sempurna, maka sejurus dibekalkan dengan tenaga, jentera ini akan bergerak buat selama-lamanya. Jentera sebegini dinamakan jentera pergerakan kekal (English-perpetual motion machine).


Rajah 6.1
Sumber-http://www.rlt.com/14100


Rajah 6.2
Sumber-http://newenergyalternative.com/future-energy/advantages-perpetual-motion-machine-perpetual-generator

Dengan hukum termodinamik kedua, maka tanggapan yang mengatakan bahawa wujud jentera pergerakan kekal (English-perpetual motion machine) tidak sahih dan sewajarnya ditolak.

Namun usaha menghasilkan jentera pergerakan kekal giat dilakukan sejak zaman dahulu lagi. Pada kurun ke 12, seorang perekacipta Barat bernama Peter Peregrinus mencipta jentera berkuasa magnet yang ‘kononnya’ mampu bergerak buat selama-lamanya, namun telah dibuktikan tidak oleh saintis terkemudian. Ramai juga antara saintis barat yang masih berdegil dan tidak berputus asa dalam menghasilkan jentera pergerakan sempurna sebegini.

Pada masa kini pula, muncul seorang perekacipta dari Australia yang mengaku telah berjaya mencipta jentera pergerakan kekal yang mampu menjana tenaga elektrik dalam masa bertahun-tahun selepas ia diputarkan oleh sedikit PUTARAN TANGAN. Jika ditonton temubual dengannya di Youtube, didapati memang jentera ciptaannya itu mampu bergerak tanpa henti setelah menerima tenaga putaran dari tangan, namun ia akan tetap berhenti juga selepas beberapa tempoh masa, disebabkan kehilangan tenaga akibat geseran dalam ciptaan tersebut.

Laman video: http://www.youtube.com/watch?v=5PGUh3SwLrc

Apa yang menarik perhatian ramai ialah, beliau berani mendakwa bahawa ciptaannya ini boleh menjana arus elektrik yang cukup untuk sebuah rumah, dan mampu MEMBESARKAN TENAGA putaran tangan yang dibekalkan kepadanya. Jika difikirkan secara logik, bolehkah tenaga sekecil putaran tangan ditukarkan kepada tenaga elektrik sebesar itu?

Menurut hukum termodinamik pertama, tenaga elektrik yang terhasil sudah tentu kecil dan sama dengan tenaga dari putaran tangan. Tambahan pula, menurut hukum termodinamik kedua, sebahagian dari tenaga putaran tangan akan ditukarkan kepada geseran dan haba oleh rintangan terhadap kipas turbin dan rintangan dalam alatan-alatan sepanjang proses penghantaran ke soket-soket. Diramalkan oleh penulis, sebelum sampai ke soket-soket, tenaga tersebut sudah ‘lenyap’.

Oleh itu, penulis tidak percaya sekiranya ciptaan ini dikatakan mampu MEMBESARKAN TENAGA yang diperolehinya, akan tetapi jika perekacipta tersebut mendakwa bahawa ciptaannya ini mampu menghasilkan tenaga bermanfaat yang HAMPIR sama dengan tenaga putaran tangan yang dibekalkan, atau dengan kata lain, dengan keberkesanan tenaga yang lebih tinggi dari kebanyakan teknologi yang ada setakat ini (katakan 96% daripada sumber tenaga putaran tangan) maka penulis dapat menerimanya. Ini kerana perkataan MEMBESARKAN TENAGA sudah cukup untuk menyahsahih kedua-dua hukum termodinamik. Einstein pun tidak sanggup menyanggah hukum fizik yang dua ini!

Teknologi penyejukan.

Teknologi penyejukan (English-cooling technology)juga dikenali sebagai teknologi suhu rendah (English-low temperature technology) ialah sebarang ciptaan yang bertujuan memberikan kesan penyejukan dengan cara memindahkan haba dari suatu objek yang ingin disejukkan ke kawasan lain.

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 Iran
sumber: 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 Sina
sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:IbnSina-Dushanbe.jpg

Gegelung penyejuk
sumber: http://www.trademe.co.nz/Business-farming-industry/Industrial/Other/auction-363929267.htm

Gegelung penyejuk digunakan dalam pemeluwap Liebeg
sumber: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 Peltier
sumber: 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 USB
sumber:http://www.shed-world-cup.co.uk/2010/05/usb-mini-fridge-for-your-shed.html

Jenis lain penyejuk USB
http://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.