Termostat dan pengaman suhu pada ketel dan setrika: keping bimetal, sakelar uap ketel, pemutus termal sekali pakai dan yang dapat direset, siklus nyala-mati dan daya rata-rata

Di ruang setrika laundry sebuah hotel, operator melaporkan setrika tangan listrik yang "termostatnya rusak": lampu indikatornya menyala dan padam bergantian, dan menyala jauh lebih lama ketika ia menyetrika handuk yang masih lembap. Pada minggu yang sama, ketel listrik di pantry karyawan tidak mati sendiri setelah mendidih bila tutupnya tidak terkunci rapat, sehingga staf mematikannya dengan tangan. Suatu sore ketel itu dinyalakan kosong, mati beberapa detik kemudian, dan tidak mau menyala lagi. Supervisor meminta teknisi menyambung langsung pengamannya supaya ketel dapat dipakai sampai ketel baru datang. Bab ini menjelaskan keping logam kecil yang membaca suhu di kedua alat, arti setiap gejala, dan alasan permintaan itu ditolak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pengendali dan pengaman suhu pada ketel listrik dan setrika tangan. Sumber fakta utamanya OpenStax University Physics Volume 2 subbab 1.3 tentang pemuaian termal dan keping bimetal, 1.4 tentang kalor jenis, 1.5 tentang perubahan fase, dan 1.6 tentang mekanisme perpindahan panas. Sumber setiap klaim dan angka latihan dicatat di peta sumber bab. Kata "ketel" di bab ini berarti ketel listrik pemanas air minum, bukan ketel uap.

Istilah termostat, pembatas suhu, dan pemutus termal serta kendali pemanas dengan sakelar proses ada di Bab 58, termostat dan pembatas suhu mesin pencuci piring di Bab 4 · Dishwashing, pengaman panas lebih pemanas pengering di Bab 26 · Laundry, pemanas setrika gulung di Bab 30 · Laundry, termistor di Bab 26 · Fisika tentang semikonduktor, dan pemuaian termal serta kalor laten di Bab 11 · Fisika. Beban listrik, pelat nama, dan biaya energi alat pemanas kecil ada di Bab 97. Bab ini tidak mengajarkan pembongkaran alat atau penggantian pengaman termal; pekerjaan itu mengikuti manual pabrik dan dikerjakan orang berkompeten.

Keping bimetal: beda pemuaian yang menjadi gerak

Pemuaian panjang benda padat mengikuti OpenStax subbab 1.3:

$\Delta L = \alpha\,L\,\Delta T$

dengan $\Delta L$ pertambahan panjang (m), $\alpha$ koefisien muai panjang (per °C), $L$ panjang awal (m), dan $\Delta T$ kenaikan suhu (°C). Tabel OpenStax memberi kuningan $19 \times 10^{-6}$, tembaga $17 \times 10^{-6}$, besi atau baja $12 \times 10^{-6}$, dan invar, paduan nikel dan besi, hanya $0{,}9 \times 10^{-6}$ per °C.

Keping bimetal (bimetallic strip) adalah dua lapis logam dengan koefisien muai berbeda yang direkatkan menjadi satu keping sehingga melengkung ketika suhunya berubah. Menurut OpenStax, keping yang lurus pada suhu awal melengkung pada suhu lebih tinggi karena satu logam memuai lebih banyak daripada pasangannya, sehingga logam yang memuai lebih banyak berada di sisi luar lengkungan; pada suhu lebih rendah keping melengkung ke arah sebaliknya. Keping itu dapat menggerakkan jarum termometer atau membuka dan menutup sakelar pada suhu tertentu, seperti pada termostat analog. Buku ajar instalasi listrik dalam narasi Teknik Elektro mencatat hal yang sama dari sisi kontak: ketika suhu yang diinginkan tercapai, kontak membuka karena keping bimetal melengkung.

Lengkungan memperbesar gerak. Untuk dua lapis setebal sama dengan modulus elastisitas yang dianggap sama, kelengkungan keping mengikuti rumus Timoshenko yang disederhanakan (pengetahuan umum):

$\kappa = \frac{3\,(\alpha_1 - \alpha_2)\,\Delta T}{2\,t}, \qquad \delta = \frac{\kappa\,L^2}{2}$

dengan $\kappa$ kelengkungan (per m), $\alpha_1$ dan $\alpha_2$ koefisien muai kedua logam (per °C), $\Delta T$ kenaikan suhu (°C), $t$ tebal total keping (m), $\delta$ lendutan ujung keping yang dijepit di satu ujung (m), dan $L$ panjang bebasnya (m). Selisih pemuaian lurus kedua logam hanya beberapa perseratus milimeter, tetapi lendutan ujungnya sekitar satu milimeter, cukup untuk memisahkan kontak (Contoh 1).

Keping yang melengkung perlahan membuka kontak perlahan dan dapat menimbulkan busur kecil. Bab 58 menjelaskan mekanisme lompat (snap action) pada sakelar proses: kontak berpindah sekaligus pada titik kerja dan kembali pada titik kembali yang lebih rendah, dengan diferensial di antara keduanya. Pada banyak alat rumah tangga, lompatan itu diperoleh dari cakram bimetal cekung yang tiba-tiba membalik bentuknya (pengetahuan umum).

Termostat setrika dan suhu tapak menurut label kain

Tapak setrika (soleplate) adalah pelat logam bawah setrika yang menyentuh kain dan menerima panas dari elemen. Termostat setrika (iron thermostat) adalah sakelar suhu di dalam setrika yang menyambung dan memutus elemen supaya suhu tapak berayun di sekitar nilai yang dipilih dengan kenop. Pada setrika bertermostat bimetal, kenop menggeser kedudukan kontak terhadap keping, sehingga keping harus melengkung lebih jauh, berarti lebih panas, sebelum kontak membuka (pengetahuan umum). Lampu indikator biasanya menyala selama elemen dialiri arus, sehingga lampu yang menyala-mati menunjukkan termostat yang bekerja. Setrika berpapan elektronik memakai termistor NTC yang dibaca papan kendali, seperti dijelaskan Bab 26 · Fisika tentang termistor.

Termostat membaca suhu kepingnya, bukan suhu permukaan kain. Keping dipanaskan tapak lewat konduksi, yang lajunya menurut OpenStax sebanding dengan luas dan beda suhu dan berbanding terbalik dengan tebal lintasan. Akibatnya suhu tapak masih naik sesaat setelah kontak membuka dan turun di bawah titik hidup sebelum kontak menutup, sehingga ayunannya lebih lebar daripada diferensial keping, seperti keterlambatan kantong termostat tangki di Bab 58.

Setelan kenop dikaitkan dengan label perawatan kain. Pada simbol perawatan tekstil ISO 3758, titik pada simbol setrika menyatakan suhu tapak maksimum: satu titik 110 °C, dua titik 150 °C, dan tiga titik 200 °C (nilai literatur umum; dibaca dari beberapa ringkasan, teks standarnya belum diperiksa). Basis data standar mencantumkan edisi ISO 3758:2023; apakah nilai titik berubah pada edisi itu belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 22 Oktober 2026. Angka label adalah batas atas bagi kain: setrika yang tapaknya melewati batas itu pada setelan yang sesuai dapat merusak serat walaupun termostatnya bekerja.

Prosedur pemeriksaan berikut adalah penalaran editorial dan tidak membuka setrika. Setrika diletakkan di atas alas tahan panas sampai lampunya menyala-mati beberapa kali, lalu suhu tapak diukur dengan termokopel kontak atau termometer permukaan yang terkalibrasi, tepat ketika lampu padam (mendekati suhu tertinggi) dan ketika lampu menyala lagi (mendekati suhu terendah). Kalibrasi dan ketidakpastian alat ukurnya mengikuti Bab 1 · Data & Pengukuran. Setrika yang terlalu panas pada setelan yang benar tidak disetel ulang dengan membuka rumahnya, tetapi ditandai dan diserahkan ke pusat servis pabrik (Contoh 8).

Sakelar uap ketel: uap sebagai sinyal mendidih

Sakelar uap (steam switch) adalah sakelar ketel listrik yang memutus elemen ketika uap dari air yang mendidih memanaskan keping bimetalnya. Pada banyak ketel, uap dialirkan lewat saluran kecil dari ruang air ke cakram bimetal di dekat pegangan; cakram membalik dan mendorong tuas yang membuka kontak, dan tuas tetap di posisi mati sampai ditekan lagi oleh pemakai (pengetahuan umum; susunan rincinya mengikuti manual pabrik).

Fisikanya ada di OpenStax subbab 1.5. Selama mendidih, suhu air tetap 100 °C pada tekanan 1 atm sampai seluruh air menjadi uap, sementara air menyerap kalor penguapan 2.256 kJ/kg. Kalor itu dilepaskan lagi ketika uap mengembun pada benda yang lebih dingin. Uap yang mengembun di cakram memberi 2.256 J per gram, sedangkan udara panas yang turun 10 °C hanya memberi sekitar 10 J per gram, dengan kalor jenis udara pada tekanan tetap 1.015 J/(kg·°C) dari tabel OpenStax. Karena itu cakram bereaksi cepat ketika aliran uap datang dan hampir tidak bereaksi pada udara hangat sebelum air mendidih; ini penalaran editorial dari angka OpenStax (Contoh 2).

Ada dua akibat praktis. Pertama, uap harus sampai ke cakram: tutup yang tidak terkunci rapat atau saluran uap yang tersumbat kerak membuat uap keluar lewat jalan lain, sehingga ketel terus mendidih (Contoh 3). Kedua, titik didih bergantung pada tekanan. OpenStax mencatat bahwa titik didih lebih rendah pada tekanan lebih rendah, dan Bab 11 · Fisika mencatat bahwa di dataran tinggi air mendidih di bawah 100 °C. Bila suhu uap setempat mendekati suhu kerja cakram, ketel di hotel dataran tinggi dapat mendidih lebih lama sebelum mati; ini penalaran editorial, dan suhu kerja cakram dibaca dari manual pabrik, bukan ditebak.

Pengaman kering dan pemutus termal

Ketel yang dinyalakan kosong tidak menghasilkan uap, sehingga sakelar uap tidak pernah bekerja. Tanpa air, kalor elemen hanya menaikkan suhu pelat dasar yang kapasitas kalornya kecil, dan suhunya naik puluhan kali lebih cepat daripada ketika pelat menempel pada air (Contoh 4). Pengaman kering (dry-boil protector) adalah pemutus termal pada pelat elemen ketel yang memutus elemen bila ketel menyala tanpa cukup air. Pengaman ini biasanya keping bimetal kedua, sering ditambah sekering termal sebagai lapis terakhir; setrika memakai termostat untuk kendali dan pemutus termal bila termostat gagal (pengetahuan umum; susunan tiap model mengikuti manual pabrik). Kerak tebal di pelat menghambat konduksi ke air, sehingga pengaman kering dapat bekerja sebelum air mendidih (penalaran editorial dari rumus konduksi OpenStax subbab 1.6).

Bab 58 mengutip ringkasan sekunder istilah IEC 60730-1 dan IEC 60335-1 yang membedakan termostat, pembatas suhu, dan pemutus termal, serta pemutus termal yang kembali sendiri, yang dikembalikan tangan, dan yang sekali pakai; sekering termal (thermal link) diatur standar tersendiri, IEC 60691. Tabel berikut memetakan istilah itu ke ketel dan setrika sebagai penalaran editorial.

Sekering termal (thermal link) adalah pemutus termal sekali pakai yang putus permanen ketika suhunya melewati batas pengenalnya. OpenStax menjelaskan sekering arus sebagai kawat bertitik lebur rendah yang memanas karena arus dan putus pada arus pengenalnya, sedangkan sekering termal bereaksi pada suhu tempat ia dipasang walaupun arusnya normal. Elemen yang menyala tanpa air menarik arus biasa, sehingga hanya pengaman suhu yang dapat memutusnya.

Bab 58 menjelaskan bahwa pembatas yang kembali sendiri dapat membuat pemanas bersiklus pada batas pengaman tanpa ada yang tahu, sedangkan reset manual memaksa orang melihat gangguannya. Ketel kosong di kasus pembuka mati karena pengaman keringnya bekerja dan tidak menyala lagi, sehingga sekering termalnya mungkin putus atau pengamannya jenis manual. Menjembatani pengaman, atau menggantinya dengan kawat atau sekering arus, menghilangkan satu-satunya pemutus untuk keadaan tanpa air. Bab 30 · Laundry mencatat pola yang sama pada setrika gulung: sekering termal yang putus berarti sebabnya diperiksa teknisi berkualifikasi, dan alat pengaman tidak boleh dinonaktifkan.

Siklus nyala-mati dan daya rata-rata

Daur kerja (duty cycle) adalah perbandingan lama elemen menyala terhadap lama satu siklus nyala-mati. Bila elemen menarik daya pengenalnya selama menyala:

$D = \frac{t_\text{nyala}}{t_\text{nyala} + t_\text{mati}}, \qquad P_\text{rata} = D\,P_\text{pengenal}, \qquad E = P_\text{rata}\,t$

dengan $D$ daur kerja (tanpa satuan), $t_\text{nyala}$ dan $t_\text{mati}$ lama lampu menyala dan padam (s), $P_\text{rata}$ daya rata-rata (W), $P_\text{pengenal}$ daya pelat nama (W), $E$ energi (J atau kWh), dan $t$ lama pemakaian (s atau jam). Rumus ini menerapkan $E = Pt$ dari OpenStax subbab 9.5 pada daya yang bergantian antara penuh dan nol; kurva daya yang tidak sederhana dihitung dengan luas di bawah kurva seperti di Bab 11 · Satuan & Matematika.

Dalam keadaan tunak, daya rata-rata sama dengan laju kehilangan panas tapak (penalaran editorial dari kekekalan energi). Kehilangan itu berupa konduksi dan penguapan air dari kain, konveksi ke udara, dan radiasi. OpenStax menulis laju bersih radiasi yang diterima benda sebagai $\sigma e A (T_2^4 - T_1^4)$; dengan tanda dibalik, laju yang dipancarkan keluar oleh tapak adalah:

$P_\text{rad} = \sigma\,e\,A\,(T_1^4 - T_2^4)$

dengan $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W/(m²·K⁴), $e$ emisivitas (tanpa satuan), $A$ luas permukaan (m²), $T_1$ suhu tapak dan $T_2$ suhu ruang (K). OpenStax mencatat bahwa benda putih, bening, atau berwarna perak adalah pemancar buruk, sehingga tapak logam mengilap hanya membuang beberapa watt lewat radiasi. Saat menyetrika kain lembap, sebagian besar daya dapat terpakai untuk menguapkan air (Contoh 7). Karena itu lampu menyala lebih lama pada handuk lembap: kebutuhan panasnya naik, dan termostat menjawabnya dengan daur kerja yang lebih besar.

Ketel tidak bersiklus karena sakelar uap memutus sekali, sedangkan setrika dan penanak nasi pada mode hangat bersiklus; penanak nasi dibahas di Bab 99. Diferensial yang sempit menambah jumlah siklus per jam dan keausan kontak; Bab 58 memberi rumus periode siklus terpendek dari diferensial, kapasitas kalor, dan daya pemanas.

Membaca gejala tanpa membuka alat

Tabel berikut adalah penalaran editorial dari bagian sebelumnya dan dari pemeriksaan alat yang dicabut di Bab 97.

Contoh kerja

Semua angka alat dan keadaan di bawah adalah angka latihan; data bahan diambil dari OpenStax. Hitungannya diperiksa dengan skrip yang dicatat di peta sumber.

Contoh 1: lendutan keping kuningan dan invar. Keping kuningan ($19 \times 10^{-6}$ per °C) dan invar ($0{,}9 \times 10^{-6}$ per °C) setebal total 0,6 mm dan sepanjang bebas 25 mm dipanaskan 80 °C. $\kappa = 3 \times 18{,}1 \times 10^{-6} \times 80/(2 \times 0{,}6 \times 10^{-3}) = 3{,}62$ per m, atau jari-jari lengkung 276 mm, dan $\delta = 3{,}62 \times 0{,}025^2/2 = 1{,}13 \times 10^{-3}$ m, yaitu 1,13 mm. Selisih muai lurus kedua logam hanya $18{,}1 \times 10^{-6} \times 0{,}025 \times 80 = 3{,}6 \times 10^{-5}$ m, yaitu 0,036 mm, sehingga lengkungan memperbesar gerak sekitar 31 kali.

Contoh 2: uap dibanding udara panas pada cakram sakelar. Cakram baja 0,5 g dipanaskan dari 40 °C ke 90 °C supaya membalik: $Q = 0{,}0005 \times 452 \times 50 = 11{,}3$ J. Uap yang mengembun memberi 2.256 J per gram, sehingga cukup $11{,}3/2\,256 = 0{,}0050$ g, sekitar 5 mg uap. Udara yang turun dari 100 °C ke 90 °C memberi $1\,015 \times 10 = 10\,150$ J per kg, atau 10,2 J per gram, sehingga diperlukan sekitar 1,1 g udara. Per gram, uap membawa sekitar 220 kali lebih banyak kalor ke cakram.

Contoh 3: ketel yang tidak mati sendiri. Ketel 2.000 W dengan efisiensi 0,85 memanaskan 1,0 kg air dari 27 °C. Daya efektifnya 1.700 W dan waktu sampai mendidih $305\,578/1\,700 = 180$ s. Bila uap tidak sampai ke cakram, air menguap dengan laju $1\,700/2\,256\,000 = 7{,}54 \times 10^{-4}$ kg/s, yaitu 0,754 g/s atau sekitar 45 g per menit. Satu liter habis dalam sekitar 22 menit, dan sesudah itu hanya pengaman kering yang memutus elemen.

Contoh 4: ketel dinyalakan kosong. Pelat dasar baja 0,25 kg mempunyai kapasitas kalor $0{,}25 \times 452 = 113$ J/°C. Dengan 2.000 W tanpa air, suhunya naik $2\,000/113 = 17{,}7$ °C per detik, sehingga kenaikan 150 °C hanya perlu sekitar 8,5 s. Dengan 1,0 kg air di atasnya, kapasitas kalornya $4\,186 + 113$ J/°C dan lajunya 0,465 °C per detik, sekitar 38 kali lebih lambat. Pengaman kering harus menempel pada pelat dan bereaksi dalam hitungan detik.

Contoh 5: pemanasan awal tapak setrika. Tapak aluminium 0,8 kg dari 30 °C ke 150 °C memerlukan $0{,}8 \times 900 \times 120 = 86\,400$ J. Setrika 1.000 W tanpa kehilangan panas memerlukan 86,4 s; dengan kehilangan rata-rata 100 W, sekitar $86\,400/900 = 96$ s.

Contoh 6: daur kerja dan daya rata-rata. Lampu setrika 1.000 W menyala 12 s dan padam 28 s. $D = 12/40 = 0{,}30$, $P_\text{rata} = 300$ W, dan energi satu jam 0,3 kWh, bukan 1 kWh. Siklus 40 s berarti 90 siklus per jam, angka yang menentukan keausan kontak termostat.

Contoh 7: ke mana daya rata-rata pergi. Tapak seluas 0,02 m² dengan emisivitas 0,1 pada 150 °C (423,15 K) di ruang 30 °C (303,15 K) memancarkan $5{,}67 \times 10^{-8} \times 0{,}1 \times 0{,}02 \times (423{,}15^4 - 303{,}15^4) = 2{,}7$ W. Bila setrika menguapkan 0,1 g air per detik dari kain, penguapan itu memerlukan $0{,}1 \times 2\,256 = 226$ J/s. Dari 300 W pada Contoh 6, sekitar 71 W tersisa untuk konduksi ke kain dan alas serta konveksi ke udara. Pada suhu di bawah 100 °C kalor penguapan sedikit lebih besar, misalnya 2.430 kJ/kg pada 37 °C menurut OpenStax.

Contoh 8: memeriksa termostat setrika menurut label kain. Pada setelan dua titik, termokopel kontak terkalibrasi membaca 168 °C saat lampu padam dan 142 °C saat lampu menyala lagi. Ayunannya 26 K dengan nilai tengah 155 °C, dan suhu tertingginya melewati batas dua titik, 150 °C, sebesar 18 K. Termostat bekerja, tetapi setrika itu terlalu panas untuk kain berlabel dua titik. Setrika ditandai dan diserahkan ke servis pabrik; sekrup setelnya tidak diputar dengan membuka rumahnya.

Contoh 9: energi setrika laundry sebulan. Dua setrika 1,2 kW dipakai 6 jam per hari selama 26 hari dengan daur kerja rata-rata 0,35: $E = 2 \times 6 \times 26 \times 1{,}2 \times 0{,}35 = 131$ kWh, dan pada Rp1.500 per kWh biayanya Rp196.560. Perhitungan dengan daya pelat nama memberi 374,4 kWh (Rp561.600), hampir tiga kali terlalu besar. Tarif nyata diambil dari tarif resmi PLN, seperti dijelaskan Bab 97 tentang biaya energi.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian alat dan serahkan ke pusat servis pabrik atau orang berkompeten bila:

1. Pengaman kering atau pemutus termal bekerja lebih dari sekali, atau alat tidak menyala lagi setelah pengamannya bekerja.
2. Tercium bau terbakar, keluar asap, plastik meleleh, tapak atau badan berubah warna, kain menguning, atau terdengar desis dari dalam alat.
3. Ketel tidak mati setelah mendidih walaupun tutup terkunci rapat dan saluran uapnya bersih.
4. Lampu setrika menyala terus, tapak melewati batas label pada setelan yang sesuai (Contoh 8), atau kenop tidak dapat mematikan elemen.
5. Ada permintaan menjembatani, melepas, atau mengganti pemutus termal dengan kawat, sekering arus, atau komponen yang tidak sesuai manual. Permintaan itu ditolak dan dicatat.
6. Air masuk ke rumah alat di luar jalurnya, misalnya bocor ke dasar ketel atau ke bagian listrik setrika uap.
7. Pemeriksaan memerlukan membuka rumah alat atau menyentuh bagian bertegangan. Teknisi gedung berhenti pada pemeriksaan luar dan ohmmeter pada alat yang dicabut, sesuai Bab 97 tentang batas perbaikan dan Bab 76 tentang kerja aman.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 58 memberi istilah termostat, pembatas suhu, dan pemutus termal serta diferensial dan periode siklus. Bab 4 · Dishwashing membahas termostat dan pembatas suhu mesin pencuci piring, Bab 26 · Laundry pengaman panas lebih pengering, Bab 30 · Laundry termostat pengaman dan sekering termal setrika gulung, Bab 26 · Fisika termistor, dan Bab 11 · Fisika pemuaian dan kalor laten. Bab 97 membahas alat yang sama sebagai beban listrik.

Latihan dan pembahasan

Tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya. Angka di soal adalah angka latihan.

Referensi