PERGERAKAN MASSA UDARA

 

Teori Dasar

 Dalam percobaan ini, kami akan memperagakan cara membuat arus pergerakan massa udara dengan menggunakan perbedaan temperatur. Lalu kami akan membuktikan perbedaan kecepatan gerak untuk 2 massa udara yang dihasilkan dari perbedaan temperatur yang berbeda-beda.

 Percobaan ini didasarkan pada salah satu gaya dasar gerak atmosfer, yaitu gaya gradien tekanan. Tinjau sebuah unsur volume differenesial udara yang berpusat di titik (Xo,Yo,Zo), δV = δX δY δZ

Komponen x gaya gradien tekanan yang bekerja pada sebuah unsur zat alir (fluida). Karena gerak molekular acak, maka momentum secara terus menerus diberikan pada dinding unsur volume oleh udara lingkungan. Jika tekanan pada pusat unsur volume dinyatakan dengan Po, maka tekanan pada dinding A dapat dinyatakan dalam deret ekspansi Taylor

 

Dengan mengabaikan suku orde tinggi maka gaya tekanan yang bekerja pada dinding A adalah :

 

Dengan cara yang sama, diperoleh gaya yang bekerja pada dinding B, yaitu :

 

Jadi komponen X gaya tekanan netto yang bekerja pada unsur volume adalah :

 

Massa unsur volume differensial adalah

 m = ρ δX δY δZ

 Karena itu, komponen x gaya grtadien tekanan per satuan massa adalah :

 

Kecepatan gerak massa udara :

Percobaan

Alat-alat yang dibutuhkan

1.    Sepotong obat nyamuk bakar sepanjang 5 cm beserta alat penyangganya

2.    Korek api

3.    Dua stoples kaca 1 liter dengan lebar mulut yang sama

4.    Kartu indeks berukuran 7,5 x 12,5 cm

5.    Lampu duduk

6.    Lembaran kertas hitam berukuran 22,5 x 30 cm

7.    Pita isolasi

8.    Stopwatch

Catatan : Dalam Percobaan ini diperlukan sebuah lemari es dan dilakukan di atas sebuah meja di luar ruangan.

 

Langkah kerja

1.      Ikuti petunjuk bagaimana memasang obat nyamuk bakar pada alat penyangganya dan cara menyalakan obat nyamuk bakar tersebut.

2.      Baliklah salah satu stoples dan letakkan stoples tersebut diatas obat nyamuk yang menyala sampai stoples dipenuhi dengan asap.

3.      Angkat stoples dan tutup mulutnya dengan kartu indeks.

4.      Letakkan di atas meja dan dekatkan ke lampu duduk.

5.      Letakkan stoples kosong yang kedua di lemari es

6.      Ambil stoples dari lemari es. Letakkan kedua stoples di atas meja dengan posisi horizontal  sehingga mulut stoples saling berhadapan. Letakkan kartu indeks di antara kedua mulut stoples.

7.      Berdirikan selembar kertas hitam di belakang kedua stoples dengan merekatkan pada dasar stoples dengan menggunakan isolasi.

8.      Perlahan angkat sedikit tarik kartu indeksnya dan satukan kembali mulut stoples. Lakukan ini dengan hati-hati jangan sampai menggerakan salah satu stoples.

9.      Siapkan stopwatch untuk menghitung waktu yang dibutuhkan massa udara panas tersebut untuk memenuhi stoples yang berisi massa udara dingin.

10. Aturlah letak lampu sehingga asap kelihatan sejelas mungkin.

11. Amati isi kedua stoples.

 

Percobaan

Percobaan ini dilakukan sebanyak 4 kali, dengan lama pendinginan stoples berbeda-beda. Hal ini dilakukan dengan tujuan agar kita memperoleh temperatur yang berbeda-beda untuk stoples yang berisi parsel udara dingin sedangkan stoples yang berisi parsel udara panas diisi asap obat nyamuk dengan waktu yang sama untuk masing-masing percobaan. Dengan perbedaan lamanya pendinginan untuk stoples berisi parsel udara dingin ini, kita peroleh perbedaan temperatur antara kedua stoples. Jadi untuk stoples yang didinginkan lebih lama akan memiliki perbedaan temperatur yang lebih besar dengan stoples dengan massa udara panas.

Percobaan I

Stoples 1 diisi parsel udara panas dari asap obat nyamuk selama 10 menit

Stoples 2 diisi parsel udara dingin yang disimpan di lemasi es selama 10 menit

Hasilnya : Parsel udara panas bergerak hingga mencapai ujung stoples yang berisi udara dingin dalam waktu 8.7 detik

Percobaan II

Stoples 1 diisi parsel udara panas dari asap obat nyamuk selama 10 menit

Stoples 2 diisi parsel udara dingin yang disimpan di lemasi es selama 20 menit

Hasilnya : Parsel udara panas bergerak hingga mencapai ujung stoples yang berisi udara dingin dalam waktu 8.2 detik

Percobaan III

Stoples 1 diisi parsel udara panas dari asap obat nyamuk selama 10 menit

Stoples 2 diisi parsel udara dingin yang disimpan di lemasi es selama 30 menit

Hasilnya : Parsel udara panas bergerak hingga mencapai ujung stoples yang berisi udara dingin dalam waktu 7.9 detik

Percobaan IV

Stoples 1 diisi parsel udara panas dari asap obat nyamuk selama 10 menit

Stoples 2 diisi parsel udara dingin yang disimpan di lemasi es selama 40 menit

Hasilnya : Parsel udara panas bergerak hingga mencapai ujung stoples yang berisi udara dingin dalam waktu 6.6 detik

  Untuk lebih jelasnya, percobaan di atas dapat kita lihat melalui tabel dan grafik berikut:

 

Lamanya Pendinginan Stoples 1 (menit)	Lamanya Pendinginan Stoples 2 (menit)	∆t	waktu tempuh (sekon)
10	10	0	8,7
10	20	10	8,2
10	30	20	7,9
10	40	30	6,6

 

Seperti yang telah dijelaskan pada teori dasar bahwa tekanan berbanding terbalik dengan waktu. Sedangkan tekanan berbanding lurus dengan temperatur. Artinya, perbedaan temperatur sebanding dengan perubahan tekanan. Sehingga, perbedaan temperatur inilah yang menjadi acuan kita sebagai parameter dari gaya gradien tekanan.

Lamanya sebuah stoples didinginkan di dalam lemari es berpengaruh terhadap temperatur stoples. Semakin lama stoples didinginkan, maka semakin rendah temperatur yang didapatkan, begitu juga sebaliknya. Semakin singkat waktu pendinginan sebuah stoples, maka semakin tinggi temperatur stoples. Karena temperatur stoples berada di bawah nol, maka beda temperatur untuk stoples yang semakin lama didinginkan dengan stoples yang dihangatkan dengan obat nyamuk akan semakin besar. Maka semakin besar pula gradien tekanan dari kedua stoples. Sebaliknya beda temperatur antara stoples yang hanya didinginkan sebentar dengan stoples yang diasapi obat nyamuk akan semakin kecil. Sehingga beda tekanan antara kedua stoples ini semakin kecil. Dan dari perbedaan temperatur inilah didapatkan waktu tempuh asap obat nyamuk dari stoples 1 ke stoples 2.

 Dari hasil percobaan yang digambarkan melalui tabel dan grafik di atas terbukti bahwa dengan perbedaan temperatur yang semakin besar antara kedua stoples menyebabkan waktu yang diperlukan untuk massa udara panas bergerak semakin kecil, dengan demikian kecepatan gerak parsel massa udara panas semakin besar. Sebaliknya semakin kecil perbedaan temperatur antara kedua stoples menyebabkan waktu yang diperlukan untuk massa udara panas bergerak semakin besar, dengan demikian kecepatan gerak parsel massa udara panas semakin kecil.

Jika V_o = 0

 Maka kecepatan pada t tertentu menjadi :

 

bisa kita lihat bahwa perubahan tekanan berbanding terbalik dengan waktu :

 

Jadi semakin besar tekanan yang bekerja pada parsel udara maka semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk bergerak. Kita ketahui pula bahwa kenaikan tekanan berbanding lurus dengan bertambahnya temperatur. Jadi semakin besar perbedaan temperature antara kedua toples maka kecepatan gerak udara panas lebih besar.