## RANCANG BANGUN ALAT PRAKTIKUM KALORIMETER COFFEE-CUP PENGUKUR KALOR JENIS BERBANTUAN ARDUINO UNO
1) Nur Aisyah, 1) Alex Harijanto, 1) Lailatul Nuraini
1) Program Studi Pendidikan Fisika FKIP Universitas Jember Email: nuraissy9@gmail.com

## Abstract
Practical  activities  are  a  series  of  activities  carried  out  to  apply  skills  or  practice something  that  requires  practical  tools  in  its  implementation.  The  purpose  of  using practical tools is to meet the needs of practitioners in carrying out a process. One of the physics  concepts  that  can  be  explained  through  practical  activities  is  calorimetry. Specific heat is one of the observations made during the practicum using a calorimeter. The  specific  heat  of  the  material  is  usually  measured  using  a  coffee-cup  calorimeter manually.  The  obstacle  faced  by  the  practitioner  during  the  calorimetry  practicum  is that the measurement of the dependent variables takes up the time and attention of the practitioner in the implementation of the practicum. The objectives of this research are (1)  to  design  an Arduino  Uno-based  calorimeter  practicum  tool;  (2)  explain  the  work system of the Arduino Uno-based calorimeter practicum tool. This study uses a type of research  and  development  (Research  and  Development)  with  a  Nieveen  design conducted  in  the  Laboratory  of  Physics  Education  Study  FKIP  Jember  University. Nieveen's design research procedures include Preliminary Research, Prototyping Stage, and  Assessment  Stage  (summative  evaluation).  Based  on  the  results  of  data  analysis, there is a very strong relationship between the data from the measurement results of the design of the tool and the data from the results of the measuring instruments that have been  standardized.  The  results  of  the  measurement  of  the  specific  heat  of  the  material using the design of the tool indicate a conformity with the previous theoretical study.
Key  word:  calorimetry,  calorimeter  coffee-cup,  sensor  loadcell,  sensor  DHT22, arduino-based.

## PENDAHULUAN
Pertukaran  energi  adalah  dasar  untuk sebuah teknik yang dikenal sebagai
kalorimetri.  Kalorimetri  merupakan  proses pengukuran  panas  yang  bertukar  secara kuantitatif  menggunakan  alat  yang  disebut dengan kalorimeter, (Giancoli, 2001). Bagian–bagian  kalorimeter terdiri  dari termometer, pengaduk,
penutup,
kalorimeter,  dan  bejana  luar  seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 1 berikut:
Gambar 1. Kalorimeter
(sumber : Giancoli, 2001)
Kalorimeter ialah alat yang digunakan  untuk  mengukur  jumlah  kalor yang  dipindahkan  ke  atau  dari  suatu  benda. Salah satu penggunaan penting dari kalorimeter  adalah  dalam  penentuan  kalor jenis  zat  tertentu.  Teknik  umum  yang dikenal  sebagai  "metode  campuran"  yaitu sampel  suatu  zat  dipanaskan  hingga  suhu tinggi  lalu  diukur  secara  akurat  dan  dengan cepat  di  tempatkan  pada  air  dingin  dalam kalorimeter.  Inti  dari  kalorimetri  adalah untuk  "menjebak"  panas  yang  masuk  atau keluar  dari  sistem  dan  mendapatkan  ukuran kuantitatifnya, dalam satuan Joule. Kalorimeter  (air  dan  wadah)  akan  memiliki kapasitas  kalor  tertentu  (Kkal)  yang  akan memiliki  satuan  J/˚C  atau  kJ/K,  (Giancoli,
2001).  Sesuai  dengan  tulisan  McCord (2007:2) yang menyatakan bahwa kalorimeter  diklasifikasikan  menjadi  dua jenis, yaitu kalorimeter bom dan kalorimeter coffee-cup .
a. Kalorimeter Bom
Proses pengukuran kalor yang
menggunakan  kalorimeter  bom  dilakukan dalam  kondisi  volume  konstan  (isokhorik).
Hal  ini  ditunjukkan  secara  eksplisit  dengan menulis 𝑞 𝑣 untuk istilah panas, 𝑣 menunjukkan  bahwa  proses  pengukuran dilakukan  pada  volume  konstan.  Volume dipertahankan  konstan  dan  V  dipaksa menjadi  nol,  sehingga  tidak  ada  ekspansi yang  dapat  dilakukan  selama  proses  ( 𝑤 = 0 ). Ini berarti bahwa semua aliran panas ( 𝑞 𝑣 ) sama  dengan  perubahan  energi  internal  ( 𝑈 ), (McCord, 2007:2).
b. Kalorimeter coffee-cup Kalorimetri coffee-cup dilakukan  di bawah  kondisi  tekanan  konstan  (isobarik), sehingga  aliran  panas  ( 𝑞𝑝 )  sama  dengan perubahan  entalpi  ( 𝐻 ).  Seperti  semua kalorimetri, (𝑞𝑘𝑎𝑙  =  𝐾𝑘𝑎𝑙 .  ∆𝑇) Kkal adalah  kapasitas  panas  seluruh  kalorimeter (baik  air  dan  perangkat  keras).  Namun, karena "perangkat keras" kalorimeter coffee- cup sebenarnya  hanyalah  cangkir,  maka
kapasitas  panas  perangkat  keras  dianggap nol  dan  hanya  mempertimbangkan  air. Hanya  dengan  menggunakan  kalor  jenis  air dan massa air, didapatkan 𝑞 𝑘𝑎𝑙 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟 . 𝐶𝑠 𝑎𝑖𝑟 . 𝑇 .  Cangkir  itu  sendiri diasumsikan tidak berkontribusi pada penyerapan panas secara keseluruhan, karena dinding cangkir diperlakukan sebagai dinding adiabatik sempurna. Proses adiabatik  adalah  proses  dimana 𝑞 = 0 karena  dinding  adiabatik  adalah  isolator yang  sempurna.  Kalorimetri coffee-cup dilakukan  dengan  melarutkan  sistem  dalam air,  sehingga  keduanya  menempati  ruang yang  sama  persis.  Hal  ini  menjadi  penting untuk termodinamika karena terkadang batas untuk  sistem  /  lingkungan  bisa  sangat abstrak, (McCord, 2007:2).
Alat  praktikum  kalorimeter  yang kurang  memadai  menyebabkan  kegiatan praktikum  yang  dilakukan  didalam  kelas yang  menyebabkan  situasi  kurang  kondusif, (Rahman  dkk.,  2015).  Terbatasnya  waktu menjadi  salah  satu  faktor  terkendalanya pengambilan data hasil praktikum menggunakan  kalorimeter,  (Nurdiana  dkk, 2019:51). Alat praktikum kalorimeter coffee- cup memerlukan  atensi  praktikan  pada prosedur pengoperasian alat karena praktikan  cenderung  lebih  memperhatikan termometer untuk pengukuran suhu, (Alamsyah,  2016:64).  Oleh karena  itu,  studi pendahuluan  dilakukan  agar  memudahkan peneliti dalam membuat alat praktikum yang inovatif,  mudah  dioperasikan  namun  tidak kehilangan  fungsi  sebagai  pengukur  kalor jenis bahan.
Berbeda  dari  penelitian  sebelumnya, peneliti  menampilkan  pilihan  menu  untuk pengukuran  dengan  suhu  materi  tertentu serta  tampilan  hasil  perhitungan  massa campuran,  suhu  campuran,  dan  kalor  jenis pada LCD. Sensor suhu DHT22 ditempelkan pada tutup kalorimeter yang berfungsi untuk mengukur  nilai  dari  suhu  campuran  setelah bahan  dipanaskan  pada  suhu  tertentu  dan
dicampurkan  dengan  air  yang  ada  di  dalam kalorimeter.  Sensor loadcell dipasang  pada statif  dengan  menempelkan  salah  satu ujungnya dengan penampang yang berfungsi untuk  mengukur  massa  bahan  tertentu. Sketsa program yang telah di run pada board Arduino Uno dan kedua sensor tersebut akan melakukan  pengukuran  secara  serempak. Hasil  pengukuran  oleh  sensor  suhu  DHT22 dan sensor loadcell akan ditampilkan secara bersamaan  pada  LCD  berupa  nilai  suhu campuran,  massa  bahan,  dan  kalor  jenis bahan.
Sensor DHT22 adalah output digital yang  telah  terkalibrasi.  Stabilitasnya  yang jangka  panjang  membuat  sensor  DHT22 digunakan  untuk  berbagai  keperluan  mulai dari  peralatan  rumah  tangga,  produk konsumen,  hingga  deteksi  kelembapan  pada unit  medis.  Ukurannya  yang  kecil  dan konsumsi  energi  yang  rendah  membuat sensor  ini  cocok  untuk  aplikasi  yang  berat, (Circuit  School,  2020).  Sensor loadcell digunakan karena perubahan sinyal keluaran sensor ini tidak berubah selama pembebanan dan  akibat  lingkungan  sekitar.  Tidak  ada perubahan pengukuran saat sensor diberikan beban  dan  setelah  beban  dihilangkan.  Nilai pengukuran  saat  sensor  diberikan  beban selalu  konstan,  (Jost  D.,  2019).  Kedua sensor  ini  sangat  digemari  karena  harganya murah, pengoperasiannya sederhana, namun memiliki performa yang bagus. Berdasarkan penjelasan tersebut, maka penelitian ini akan membahas  tentang  Rancang  Bangun  Alat Praktikum Kalorimeter Coffee-cup Pengukur Kalor Jenis berbantuan Arduino Uno.

## METODE
Jenis  penelitian  yang  akan  digunakan dalam  penelitian  ini  adalah  jenis  penelitian research  and  development dengan  desain
penelitian  adalah  desain  Nieveen  dengan tahapan-tahapan sebagai berikut: (1) Preliminary research , (2) Prototyping stage , dan  (3) Assessment  stage ( summative evaluation ),  (Nieveen  dkk.,  2017:233-234). Penelitian  dilakukan  dengan  tujuan  untuk menjelaskan  pembuatan  dan  sistem  kerja alat  serta  menampilkan  hasil  ukur  dari  nilai kalor  jenis  suatu  bahan  menggunakan kalorimeter berbasis Arduino Uno berbantuan  sensor loadcell dan  sensor  suhu DHT22.  Perancangan  kalorimeter  coffee- cup  berbantuan  Arduino  Uno  dilakukan dengan  memasang  sensor loadcell pada statif dan menempelkan sensor suhu DHT22 pada  tutup  kalorimeter.  Sensor loadcell digunakan  untuk  mengukur  massa  bahan sedangkan  sensor  DHT22  digunakan  untuk mengukur  suhu  akhir  campuran.  Kedua sensor  ini  telah  dirangkai  dengan push button dan  LCD  ukuran  20  ×  4  kemudian disimpan di dalam box kecil. Sensor loadcell bersifat
analog sehigga untuk menggunakanya  harus  dilakukan  kalibrasi, sedangkan  sensor  DHT22  telah  memiliki sistem  kalibrasi  otomatis.  Desain  rancangan alat praktikum pengukur kalor jenis berbantuan  Arduino  UNO  diterangkan dalam Gambar 2:
Gambar 2. Desain akhir alat praktikum
Tahap assesment  stage atau  uji  coba lapang  dilakukan  untuk  memanfaatkan fungsi alat praktikum kalorimeter coffee-cup pengukur  kalor  jenis  yaitu  mengukur  kalor jenis  bahan.  Bahan  yang  digunakan  pada
penelitian  ini  adalah  kubus  bahan  besi, tembaga,  dan  bahan.  Uji  coba  lapang bersifat  terbatas  berskala  laboratorium dilakukan  di  Laboratorium  Elektronika Dasar  Program  Studi  Pendidikan  Fisika Universitas Jember. Pengambilan  data dilakukan  secara  berulang  sebanyak  5  kali. Setiap  balok  bahan  dilakukan  percobaan sebanyak  15  kali  dengan  tiga  tetapan  suhu yaitu pada 60°C, 70°C, dan 80°C.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian research  and  development rancang  bangun  alat  praktikum  pengukur kalor  jenis  ini  dilakukan  dengan  tujuan untuk  membuat  alat  praktikum  pengukur kalor  jenis  bahan,  massa  serta  suhu  akhir campuran  sebagai  hasil  akhir  praktikum pengukur  kalor  jenis  bahan.  Penelitian  ini dimulai dari tahap premilinary research atau studi pendahuluan untuk memperoleh gambaran  awal  terkait  rancang  bangun  alat praktikum  pengukur  kalor  jenis  bahan. Berbeda  dari  penelitian  yang  telah  ada,  alat praktikum  yang  dibuat  dalam  penelitian  ini telah berinovasi dengan menambahkan LCD 20×4  untuk  menampilkan  hasil  pengukuran dan  memasukkan  persamaan  kalor  jenis bahan  pada coding di  Arduino  Uno  untuk mempermudah pengambilan data ukur kalor jenis  bahan.  Selain  itu,  variasi  menu  suhu bahan  juga  ditambahkan  pada  tampilan LCD,
sehingga praktikan dapat memanfaatkan alat sesuai kebutuhan dengan bantuan  tombol push  button yang  terpasang di permukaan box .
Tahap prototyping stage atau perancangan alat diawali dengan pembuatan rancangan  alat  praktikum  pengukur  kalor jenis  dibuat  peneliti  menggunakan software fritzing .  Pemilihan  Arduino  Uno  sebagai mikrokontroler atau sistem kendali dikarenakan  kebutuhan  yang  digunakan pada  rancang  bangun  alat  praktikum  ini cukup  menggunakan  Arduino  Uno  dan dioperasikan menggunakan bahasa pemrograman melalui Arduino IDE.
Arduino  Uno  difungsikan  sebagai  sistem kendali  sensor loadcell, sensor  DHT22  dan LCD.  Sensor loadcell digunakan  untuk mengukur  massa  bahan  setelah  bahan  yang telah  dipanaskan  pada  suhu  tertentu, dicampurkan dengan air di dalam kalorimeter  dan  diletakkan  pada  alas penampang.  Sensor  DHT22  digunakan untuk  mengukur  suhu  akhir  campuran setelah  bahan  yang  dipanaskan  pada  suhu tertentu  dicampurkan  dengan  air  di  dalam kalorimeter.  Sensor loadcell dan  sensor DHT22  dipilih  dengan  mempertimbangkan beberapa faktor, salah satunya adalah karena kedua  sensor  tersebut  memiliki  harga  yang ekonomis  namun  tetap  memiliki  performa yang bagus. Sensor DHT22 dapat mengirimkan  sinyal  hingga  2  meter  dan memiliki  kemampuan  anti  gangguan,  serta output  digital  yang  telah  terkalibrasi. Stabilitas  jangka  panjang,  ukurannya  yang kecil  dan  konsumsi  energi  yang  rendah membuat  sensor  ini  cocok  untuk  aplikasi yang  berat,  (Circuit  School,  2020).  Sensor loadcell banyak digunakan karena perubahan  sinyal  keluaran  sensor  ini  tidak berubah  selama  pembebanan  dan  akibat lingkungan  sekitar.  Tidak  ada  perubahan pengukuran saat sensor diberikan beban dan setelah  beban  dihilangkan,  serta  nilai pengukuran  saat  sensor  diberikan  beban selalu konstan, (Jost. D., 2019).
Kubus  bahan  yang digunakan  sebagai variabel  bebas  pada  penelitian  ini  adalah kubus  bahan  besi,  tembaga,  dan  bahan, sedangkan  suhu  bahan  yang  ditetapkan untuk  menjadi  variabel  bebas  adalah  suhu bahan  pada  60°C,  70°C,  80°C.    Sesuai dengan  spesifikasinya,  sensor  DHT22  dapat bekerja  dengan  baik  pada  suhu  -40°C sampai  125°C,  sehingga  peneliti  memilih suhu 60°C, 70°C, dan 80°C sebagai variabel bebas  tetapan  suhu  bahan  yang  dipanaskan agar  sensor  DHT22  dapat  memaksimalkan fungsinya  dalam  mengukur  suhu  akhir campuran.

## SIMPULAN DAN SARAN
Rancang  bangun alat praktikum pengukur  kalor  jenis  bahan  telah  berhasil dibuat  dengan  pedoman  desain  penelitian Nieveen melalui 3 tahapan yaitu premilinary research atau  studi  pendahuluan  untuk memperoleh  rancangan  awal  desain  alat praktikum,  kemudian  dilanjutkan  ke  tahap prototyping stage . Proses pembuatan rancang  bangun  alat  praktikum  ini  meliputi penyediaan  alat  dan bahan,  serta  pembuatan desain  produk.   Tahap  terakhir  adalah  tahap uji  coba  terbatas  alat  praktikum  melalui kalibrasi,  perbaikan  alat  dan  menghasilkan rancang bangun alat yang sudah terkalibrasi.
Sistem  kerja  alat  praktikum  kalorimeter berbantuan Arduino Uno adalah mengkonversi  perubahan  resistansi  oleh sensor  DHT22  sehingga  menghasilkan  nilai kelembapan dan suhu lingkungan yang dapat dibaca mikrokontroller. Sensor loadcell akan menampilkan  hasil  ukur  massa  setelah kalorimeter  yang berisi  air  dan  kubus bahan diletakkan  diatas  alas  penampang.  Sesuai dengan  prinsip  kerjanya,  beban  yang diletakkan diatas
sensor loadcell
mengakibatkan  perubahan  bentuk  secara elastis  dari  reaksi  logam.  Gaya  yang ditimbulkan oleh regangan tersebut kemudian  dikonversikan  ke  dalam  sinyal listrik  oleh  strain  gauge,  sehingga  LCD dapat menampilkan nilai ukur massa bahan. Berdasarkan kesimpulan yang
didapatkan,  terdapat  beberapa  saran  yaitu:
(1)  bagi  siswa  dan  mahasiswa,  rancang bangun  alat  praktikum  ini  dapat  membantu dalam  pengukuran  kalor  jenis  bahan;  (2) bagi  peneliti  selanjutnya,  mengganti  sensor loadcell sebagai  alat  ukur  massa  karena sifatnya yang sensitif terhadap tegangan dan regangan  serta  tidak  terkalibrasi  secara otomatis; dan (3) bagi guru dapat diujicobakan kepada
siswa agar kegunaannya bermanfaat lebih luas.

## DAFTAR PUSTAKA
Alamsyah,  W.  N.  2016.  Pengembangan Lembar  Kerja  Siswa  (LKS)  berbasis Discovery Learning
untuk
Meningkatakan Life  Skill Siswa  SMA pada Pokok Bahasan Suhu dan Kalor. Skripsi . Semarang : Fakultas
Matematika  dan  Ilmu  Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang.
Giancoli,  D.  C.  2001. Fisika  Edisi  Kelima Jilid 1 . Jakarta : Erlangga.
Jost,  D.  2019.  What  is  a Loadcell? . https://www.fierceelectronics.com/sen sors/what-a-load-sensor .  [diakses  19 Mei 2021] .
McCord,  P.  2007. Principles  of  Chemistry II . Texas : University of Texas.
Nieveen, N. et al . 2017. Educational Design Reseacrh .  Enschede  :  Netherlands Institute  for  Curriculum  Development (SLO).
Noviyanti,  M.,    dan  Hufri.  2020.  Rancang Bangun  Set  Eksperimen  Kalorimeter Digital  dengan  Pengindera  Sensor Termokopel  dan  Sensor Loadcell Berbasis  Arduino  Uno. Pillar  of Physics . 13(1):40.
Nurdiana,  I.  M.,  A.  Harijanto,  dan  S.  H.  P. Budi.  2019.  Efektifitas  Pembelajaran Suhu  dan  Kalor  menggunakan  Model Inkuiri Terbimbing  Disertai Mind Mapping terhadap Kemampuan Berpikir  Kritis    Siswa  SMA.  . Jurnal
Pembelajaran Fisika . 8(1):51.
Prakoso,  B.  F., A.  D  Sutomo,. dan  Riyatun.
2018. Design of Calorimeter Based on Microcontroller. Physics . 5:2-5.
Purnomo,  S.  2013.  Metode  Penelitian  dan Pengembangan  (Pengenalan  untuk Mengembangkan Produk Pembelajaran Bahasa Arab). LITERASI . 4(1):21-22. Rahman,  D.,  Adlim,  Mustanir.  2015. Analisis Kendala dan Alternatif Solusi terhadap Pelaksanaan Praktikum Kimia  pada  SLTA  Negeri  Kabupaten Aceh  Besar. Jurnal  Pendidikan  Sains Indonesia . 3(2):1-13. Staff  Circuit  Schools.  2020.  DHT22
Temperature  and  Humidity  Sensor. https://www.circuitschools.com/dht22 -temperature-and-humidity-sensor/
[diakses pada 18 Mei 2021].