BIOTERMAL

BIOTERMAL

Anders Celsius

Materi Perkuliahan

1. Termometrik

2. Skala Temperatur

3. Hukum Dasar Termodinamika

4. Energi

5. Pengaturan Suhu Tubuh

6. Perpindahan Panas

1. TERMOMETRIK

Alat untuk mengukur suhu adalah termometer.

Contoh : termometer air raksa, termometer alkohol.

Termometer menggunakan prinsip pemuaian.

Air raksa memiliki batas muai dan titik uap tertentu.

Pada suhu -40

0

_{C air raksa membeku dan diatas}

PYROMETER OPTIK

Digunakan untuk mengukur suhu tinggi,

misalnya suhu pembakaran.

Pyrometer optik diarahkan langsung ke

dalam sumber panas, kemudian lampu

pada pyrometer dinyalakan dan diatur

sedemikian rupa sehingga sama dengan

nyala sumber panas. Sehingga suhu

sumber dapat diketahui pada skala dalam

pyrometer optik.

2. SKALA TEMPERATUR

• Sebelum tahun 1964, skala temperatur menggunakan dua titik sebagai titik acuan, yaitu titik es dan titik uap.

• Titik es adalah suhu dimana air membeku sehingga membentuk es yang bertekanan 1 atm.

• Titik uap adalah suhu dimana air mendidih pada tekanan 1 atm. • Tahun 1724, Fahrenheit : titik es (320_{F) dan titik uap 212}0_F.

• Tahun 1970-an, digunakan skala Celcius sebagai satuan standar suhu (titik es = 00_{C dan titik uap 100}0_C).

• Satuan suhu yang lain adalah Kelvin (William TB Kelvin), dimana suhu 0K merupakan suhu dimana secara teori energi panas tidak ada.

• Di Inggris, suhu menggunakan skala Reaumur (R), berdasarkan Willian John Rankin.

PERBANDINGAN SKALA SUHU/TEMPERATUR Parameter Celcius (T) Kelvin (T_K) Fahrenheit (T_F) Rankin (T_R) Titik absolut nol -273,15 0 -459,67 0 Titik es (beku air) 0 273.15 32 491.67 Titik uap (didih air) 99,98 (100) 373,13 211,97 (212) 671,64 Beberapa rumus konversi suhu :

67

,

459

T

T

32

T

5

9

T

T

5

9

T

R F F K R











3. HUKUM DASAR TERMODINAMIKA

• Termodinamika berasal dari termal (panas) dan dinamika (gerak). • Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari fenomena energi

yang berubah karena adanya perpindahan panas dan usaha yang dilakukan.

• Ada 4(empat) hukum termodinamika : • Hukum ke-nol termodinamika

• Hukum pertama termodinamika • Hukum kedua termodinamika • Hukum ketiga termodinamika

(a). Hukum ke-nol Termodinamika

• Jika dua sistem termodinamika adalah dalam keadaan kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka ketiga sistem diatas dalam keadaan setimbang termal.

A ~ B dan B ~ C, maka A ~ C

• Jika dua buah sistem kontak satu sama lain, maka akan terjadi perpindahan energi diantara kedua sistem, sehingga mencapai kesetimbangan termal.

• Contoh : ketika seseorang mengalami kedinginan yang sangat, maka jika dipeluk oleh orang yang suhu tubuhnya normal, maka akan terjadi perpindahan panas, sehingga suhu tubuh kedua orang tadi menjadi setimbang (sama).

(b). Hukum pertama Termodinamika

• Dalam setiap proses, maka energi total tetap sama.

• Mudahnya : energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan, namun dapat dikonversikan kedalam bentuk energi yang lain.

• Suatu sistem dapat menyimpan energi menjadi energi dalamnya yang bersifat kekal.

• Panas adalah suatu proses dimana energi ditambahkan ke dalam suatu sistem dari sumber dengan suhu tinggi atau energi yang hilang sehingga suhunya menjadi rendah.

• Perubahan energi dalam sama dengan jumlah energi panas yang ditambahkan dikurangi dengan usaha yang diberikan kepada lingkungannya.

Keadaan (U1) proses Keadaan (U2)

Panas (Q)

Usaha (W)

(c). Hukum kedua Termodinamika

• Entropi suatu sistem yang terisolasi tidak akan setimbang dan akan terus bertambah sepanjang waktu sampai mencapai nilai maksimum dari kesetimbangan.

• Entropi adalah perubahan panas/kalor setiap perubahan suhu

DS = DQ/DT

• Contoh : ketika air diberikan es, maka panas akan terus berubah sepanjang perubahan suhu (entropi akan terus berubah) hingga mencapai titik maksimum kesetimbangan

Beberapa versi dari Hukum kedua

Termodinamika

• Rudolf Clausius : panas tidak dapat mengalir secara spontan dari material suhu rendah ke material suhu tinggi

• Lord Kelvin : tidak mungkin untuk mengkonversi panas seluruhnya menjadi kerja/usaha.

1 2 1 2

T

T

1

Q

Q

1











 adalah efisiensi. Karena itu setiap proses apapun tidak pernah mencapai efisiensi 100 %.

Kelvin Clausius

(d). Hukum ketiga Termodinamika

• Merupakan ungkapan umum statistik dari entropi dan kemustahilan mencapai suatu suhu nol absolut.

• Jika suatu sistem mendekati suhu absolut nol, maka seluruh proses berhenti dan entropi sistem mencapai titik minimum. • Walter Nernst (1906 – 1912) : entropi suatu sistem pada

suhu absolut nol adalah tetap.

• Tidaklah mungkin untuk mengubah suatu sistem ke dalam titik nol absolut dengan berbagai prosedur yang terbatas. Artinya sistem akan tetap pada titik absolut nol (tidak ada perubahan substansi)

PENGATURAN SUHU TUBUH

Suhu tubuh manusia normal adalah 370_{C (di USA adalah 37}0_C

sedangkan di Rusia adalah 36,60_C).

Dalam grafik tampak perubahan suhu tubuh setelah beraktifitas atau bekerja dan ketika istirahat atau tidur.

Pengaturan suhu tubuh merupakan proses yang

kompleks dari suatu proses fisiologis dimana terjadi

kesetimbangan termal antara produksi dan

kehilangan panas, sehingga suhu tubuh diupayakan

konstan walaupun suhu lingkunngan berubah.

Proses menghasilkan panas dan kehilangan panas

diatur oleh syaraf melalui pengaturan metabolisme,

sirkulasi darah, penguapan dan kerja otot.

Beberapa contoh mekanisme pengaturan tubuh

manusia :

1. Aktifitas oleh dingin

Menggigil, lapar (produksi panas)

Kulit mengkerut (kehilangan panas)

2. Aktifitas oleh panas

Pelebaran pembuluh darah kulit, berkeringat,

peningkatan pernafasan (kehilangan panas)

Lesu, nafsu makan kurang (produksi panas)

PERPINDAHAN PANAS

1. Konduksi

2. Konveksi

3. Radiasi

1. KONDUKSI

 Konduksi adalah perpindahan panas dari suatu benda dengan

suhu tinggi ke benda lain dengan suhu lebih rendah melalui kontak langsung.

 Umumnya terjadi kontak antara benda padat (tubuh, logam,

dll)

 Laju perpindahan panas bergantung pada besar perbedaan

suhu dan konduktivitas termal dari bahan.

K = koefisien konduktivitas termal bahan, L = panjang bahan dan DT adalah perbedaan suhu.

 Tanda negatif artinya panas berpindah dari suhu tinggi ke

randah

 Bahan penghantar panas yang baik adalah logam, sedangkan

udara merupakan penghantar panas yang jelek.

]

s

.

cm

/

kalori

[

L

T

K

J

_q





D

2

Perpindahan panas dari kulit ke udara kulit udara

q

J

T_i T₁ T₂ Dx Dx

T_i = suhu di permukaan kulit T₁ = suhu di dalam kulit

Perpindahan panas dari dalam kulit ke permukaan kulit

x

)

T

T

(

K

x

)

T

T

(

K

J

_{qs s} 1 i _s i 1

D





D







Perpindahan panas dari permukaan kulit ke udara

x

)

T

T

(

K

J

_{qa a} i 2

D







Perpindahan panas di permukaan kulit harus kontinu (J_qa = J_qs), sehingga perpindahan panas dari dalam kulit ke udara, menjadi :

x

)

T

T

(

K

K

K

K

J

2 1 a s a s q

D







K_s = koef. Konduktivitas termal kulit K_a = koef. Konduktivitas termal udara

2. KONVEKSI

 Konveksi adalah perpindahan panas dalam fluida.

 Perpindahan panas terjadi karena fluida menerima panas,

sehingga kerapatannya semakin kecil dan kemudian menguap. Akibatnya fluida yang lebih dingin akan menggantikannya.

 Laju perpindahan panas bergantung pada besar laju alir

fluida, dan perbedaan temperatur.

 Contoh : perpindahan panas antara kulit dengan udara

v = laju/kecepatan udara, 8,3 = konstanta dimana seseorang yang berdiri berhadapan dengan angin, T_s = suhu kulit dan T_a = suhu udara.



T

T



[

kalori

/

cm

.

s

]

V

3

,

8

)

konveksi

(

J

_q



0,5 _s



_a 2

3. RADIASI

 Radiasi adalah perpindahan panas melalui pancaran

gelombang elektromagnetik atau foton.

 Foton adalah energi yang dipancarkan berupa cahaya :

E = nhf

n = bilangan bulat, h = konstanta Planck (6,62 x 10-35 _{J/s), f}

= frekuensi foton/cahaya.

 Laju perpindahan panas untuk radiasi :

e = emisivitas permukaan, s = konstanta Boltzmann (5,67 x 10-8 _J/m2_.s.T4_{, T = suhu radiasi}

]

s

.

cm

/

Joule

[

T

e

)

radiasi

(

J

_q



s

4 2

Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik (radiator).

Dalam tubuh manusia, radiasi yang dipancarkan memenuhi persamaan :

A = luas permukaan tubuh (1,8 m2 untuk laki-laki dewasa normal)

r = 0,85 dan T_w adalah suhu dinding atau sekeliling



4



s 4 w q

(

radiasi

)

e

Ar

T

T

J



s



4. EVAPORASI

 Evaporasi adalah perpindahan panas dari cairan menjadi uap.  Dalam tubuh manusia, penguapan terjadi jika :

 Ada perbedaan tekanan uap air antara keringat dan

udara sekitar.

 Suhu lingkungan rendah sehingga keringat terevaporasi

(tubuh menjadi lebih dingin)

 Adanya gerakan udara atau angin  Adanya kelembaban

 Kehilangan panas tubuh akibat evaporasi melalui kulit

dirumuskan oleh :

V = kecepatan angin, P_kulit = tekanan uap air pada kulit dan P_udara = tekanan udara

]

s

.

cm

/

Joule

[

)

P

P

(

V

7

,

13

J

_q





0,5 _kulit



_udara 2

• Jika udara kering, maka evaporasi yang terjadi sebesar :

• Jika udara lembab, evaporasi tidak terjadi.

)

kg

/

J

10

x

245

J

580

)

evaporasi

(

J

_{q H O} 6 2





PENGGUNAAN

ENERGI PANAS

Energi panas sudah sejak lama digunakan dalam bidang kesehatan : • Minyak untuk pijat, Balsem untuk pijat, rematik, encok,

penyinaran (radiasi), bahkan untuk kompres Pengaruh panas :

• Fisik : pemuaian pada benda padat, cair dan gas.

• Kimiawi : reaksi oksidasi yang meningkat dengan meningkatnya suhu

• Biologi : Pelebaran pembuluh darah, radang, peningkatan sirkulasi darah dan peningkatan tekanan kapiler

PENGGUNAAN ENERGI PANAS

DALAM PENGOBATAN

1. Metoda Konduksi

a. Kompres dengan botol panas, handuk panas

b. Mandi uap

c. Mandi lumpur panas

2. Metoda Radiasi

Pemanasan permukaan tubuh baik dengan api

atau dengan cahaya.

Sumber radiasi :

1. Electric fire

2.Infra merah (

l

= 800 nm – 1400 nm)

3. Metoda Elektromagnetik

Ada 2 metoda transfer panas :

1. Shortwave diathermy

Shortwave Diathermy

1. Teknik kondensor : bagian tubuh yang sakit diberikan dua pelat sejajar, seperti elektroda. Pada permukaan elektroda diberikan larutan elektrolit.

Dengan diberikan listrik bolak-balik (AC), maka molekul-molekul di dalam tubuh akan berreaksi, sehingga mengurangi rasa sakit. 2. Induksi : bagian tubuh yang akan diobati, dililitkan kabel yang

kemudian dialiri arus listrik. Aliran listrik mengakibatkan medan magnet sehingga menghasilkan arus Eddy yang akan memanaskan tubuh.

3. Frekuensi 1 MHz cukup untuk memanaskan jaringan dalam tubuh 4. Digunakan untuk mengobati : kram otot, bursitis, neuritis,

osteoarthrosis, rheumatoid arthritis, strains, tendinitis. 5. Kontradiksi : hemorrhage, metal implants, infections,

Microwave Diathermy

Menggunakan gelombang mikro (800 nm – 1400 nm) Energinya terletak antara shortwave dan infra merah Terapi ini digunakan untuk penyakit : patah tulang, abses, infeksi bakteri, tersiram air panas, arthritis.

Hati-hati : jangan digunakan untuk mengobati kanker, diabetes, setelah di sinar-x dan TBC.

Keuntungan : infeksi cepat sembuh, membantu relaksasi. Kerugian : terbakar, luka pada mata.

• Digunakan untuk mengetahui distribusi suhu pada suatu benda, tubuh manusia atau hewan.

• Menggunakan deteksi gelombang infra merah (900 nm – 1400 nm) yang dipancarkan oleh benda, tubuh dan hewan.

Diagnosis dengan termografi

1. Kanker mamma

2. Penyakit pembuluh darah

3. Follow up pasca operasi karena diabetes

4. Nyeri persendian

Skema Termografi

P A S I E N CAMERA INFREMERAH A M P L I F I E R MONITOR