Besar energi kalor yang dipancarkan oleh benda hitam adalah

Benda Hitam

Apakakah benda hitam itu adalah benda yang warnanya hitam…? Seperti rambut warna hitam, atau mobil warna hitam!, tentunya tidak !., untuk membahas apa itu benda hitam ? marilah kita perhatikan gambar berikut :

Gambar (a) adalah kotak yang dicat putih dan dinding depan kotak dilubangi, ketika kotak penutupnya di tutup, maka lubang pada dinding akan tampak hitam disiang hari seperti pada gamabar (b). Mengapa demikian ?

Ketika kalor radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, kalor radiasi dipantulkan berulang-ulang (beberapa kali oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hampir dapat dikatakan tidak ada lagi kalor radiasi yang tersisa ( semua kalor radiasi telah diserap di dalam kotak ) seperti pada gambar ( c ). Dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi kalor yang dating padanya. Akibatnya lubang akan tampak hitam.

Dalam kehidupan sehari-hari benda hitam dapat dilihat pada lubang udara ventilasi yang terdapat pada dinding rumah. Lubang udara tersebut tampak gelap (hitam) dari kejauhan. Lubang seperti ini pun mendekati criteria benda hitam.

Emisitas diberi lambing (e)adalah koefisien yang disebut emisivitas . Emisivitas adalah ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam.

Nilai emisivitas (e) bergantung pada jenis permukaan benda. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek nilai e = 0, sedangkan benda hitam sempurna dengan nilai e = 1 adalah benda penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna radiasi kalor. Sedangkan nilai   0 < e < 1, benda yang dapat menyerap dan pemancarkan radiasi hanya sebagian saja.

Radiasi Kalor

Perhatikan gambar berikut !

Nyalakan lampu pijar 5 watt dan 40 watt selama selang waktu 15 menit. Dekatkan tanganmu (jangan samapai menyentuh)  ke lampu 5 watt kemudian ke lampu 40 watt. Rasakan panas akibat radiasi kalor yang dihasilkan kedua lampu. Manakah energi radiasi yang kalornya lebih besar: lampu  5 watt atau 40 watt ?  Perkirakan, manakah yang suhunya lebih tinggi, lampu 5 watt ataukah 40 watt Adakah hubungan antara energi kalor yang dipancarkan lampu dengan suhunya.?

Hasil percobaan menunjukkan bahwa setiap benda pada setiap suhu memancarkan radiasi kalor. Makin tinggi suhu benda makin besar energi kalor yang dipancarkan.Lampu 40 watt memiliki suhu lebih tinggi dari pada lampu 5 watt, sehingga lampu 40 watt terasa lebih panas ketika didekati karena lampu itu memancarkan energi kalor yang lebih besar darai pada lampu 5 watt.

Berapa besar energi kalor yang diradiasikan oleh permukaan benda ? Pada tahun 1879 Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam. Dia menyatakan bahwa energi radiasi tiap detik itu sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian , Ludwig Boltzman menurunkan rumus yang sama. Persamaan yang didapat dari hubungan ini dikenal sebagai Hukum Stefan Boltzman, yang berbunyi : energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan (T4). Secara matematika ditulis :

Tidak semua benda dapat dianggap benda hitam. Oleh karena itu, diperlukan modifikasi pada pada persamaan, sehingga dapat digunakan pada setiap benda. Jadi persamaan Stefan-Bolzman untuk setiap bebda dapat ditulis :

P= Daya radiasi/energi kalor tiap sekon (W/m2)

Q= kalor/panas yang diradiasikan (kalori)

1 Kal = 4,2 Joule

e= emisitas, nilai e®   0 ≤e≤ 1

s = 5,67 x 10-8 Wm-2K-4

A = luas permukaan benda (m2)

T4 = Suhu Mutlak (K-4)

W = Energi radiasi kalor (joule)

t= waktu selama benda meradiasai (sekon)

Contoh Soal :

1. Sebuah pelatr baja tipis berbentuk persegi dengan panjang sisi 10 cm, dipanaskan dalam suatu tungku sehingga suhunya mencapai 727o Tentukan energi radiasi kalor setiap sekon.

Penyelesaian :

Dikertahui : A= Luas permukaan atas dan bawah = 2(10 cm)2 = 0,02 m2, e = 1

T= 727 +273 = 1000 K

Ditanyakan : W:…?

Jawab

2. Energi listrik menjadi energi kalor

Kawat spiral lampu pijar luas permukaan 50 mm2, suhunya 1127o, 60 5 dari energi listrik  yang dihantarkan pada lampu diradiasikan dalam bentuk kalor, dan kawat pijar bersifat seperti benda hitam. Berapa ampere arus yang mengalir dalam lampu yang dihubungkan dengan stop kontak (bertegangan 220 Volt) , agar lampu tersebut dapat berfungsi ?

Penyelesaian Soal

Diketahui : A= 50 mm2 = 50 x 10-6 m2, T (1127+273) = 1400 K, e = 1

60% daya listrik menjadi radiasi kalor

Ditanyakan : i.   ?

Jawab :

P = e. s A T4= 1 x 5,67 x 10-8 x  50 x 10-6 x (1400)4 = 10,89 Watt

P listrik = 10,89/60%= 10,89/0,60 = 18,15 W

P listrik = V.i = 200 x i= 10,15 ® i = 18,15/220 = 0,0825 A

Benda yang panas akan memancarkan radiasi elektromagnetik. Penyelidikan atas spektrum radiasi yang dipancarkan benda panas merupakan titik awal menuju pada pemahaman konsep gelombang partikel. Pernahkah Anda memperhatikan lampu pijar saat menyala? Saat menyala, lampu pijar memancarkan cahaya yang bersumber dari filamen.

Jika arus listrik dialirkan, filamen ini akan menahan arus listrik. Hal ini menyebabkan kenaikan suhu filamen yang sangat cepat sehingga filamen menyala dan memancarkan cahaya. Pemancaran cahaya akibat kenaikkan sinar demikian dinamakan radiasi termal. Dalam bab ini, Anda akan mempelajari radiasi, yaitu radiasi benda hitam. Apa yang dimaksud dengan radiasi benda hitam? Anda dapat mengetahui jawabannya pada pembahasan berikut.

Pengertian Radiasi Benda Hitam

Bagaimanakah hubungan antara banyaknya energi yang dipancarkan dengan suhu benda? Secara sederhana, kita dapat melakukan eksperimen ataupun melalui pengamatan terhadap sebuah benda yang sedang berpijar. Mendekatlah ke sebuah lilin yang sedang menyala.

Dekatkan tangan Anda. Anda akan merasakan adanya kalor yang dipancarkan lilin ke tangan Anda. Sekarang, coba Anda gantilah lilin tersebut dengan sumber api lain yang lebih besar, misalnya lampu minyak berukuran besar. Anda akan merasakan bahwa kalor yang dipancarkan ke tangan Anda akan lebih banyak.

Setelah melakukan eksperimen di atas, apa yang dapat Anda simpulkan. Makin tinggi suhu sebuah benda, makin besar pula energi kalor dipancarkan. Fenomena ini untuk kali pertamanya dikemukakan dan diselidiki oleh Jeseph Stefan. yang melakukan eksperimen untuk menghitung besar energi kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Lalu, Ludwig Boltzmann merumuskan secara matematis banyaknya kalor (Q) yang dipancarkan oleh sebuah benda (P) selama selang waktu 1 sekon.

Emisivitas sebuah benda dapat dinyatakan sebagai kemampuan benda untuk memancarkan energi (gelombang elektromagnetik). Makin besar emisivitas benda maka makin mudah pula benda tersebut memancarkan energi. Nilai e adalah antara 0 dan 1.

Sebuah benda dapat menyerap semua radiasi yang mengenainya disebut benda hitam sempurna. Radiasi yang dihasilkan oleh sebuah benda hitam sempurna ketika dipanaskan disebut radiasi benda hitam. Kamu juga perlu mengetahui bahwa benda hitam sempurna merupakan suatu model.

Jadi, sebenarnya tidak ada sebuah benda yang berperilaku sebagai benda hitam sempurna. Benda hitam memiliki nilai e = 1. Berdasarkan definisi benda hitam sempurna ini, kita dapat membuat suatu model benda hitam yang menyerap hampir seluruh radiasi yang mengenainya. Coba Anda perhatikan gambar berikut.

Bagaimana pemantulan yang terjadi pada cahaya ketika dimasukkan ke dalam sebuah kaleng yang pada salah satu sisinya terdapat sebuah lubang kecil. Kaleng kosong yang dilubangi dapat dikatakan sebagai sebuah benda hitam.

Mengapa lubang kecil pada kaleng tersebut terlihat gelap walaupun pada siang hari? Perlu Anda ketahui lubang yang terlihat gelapa pada siang hari disebabkan cahaya yang masuk melalui lubang tersebut dipantulkan berulang kali di sekitar pantulan, banyaknya kalor (energi) yang diserap adalah 20% maka setelah sepuluh kali pemantulan kalor yang dibawa oleh cahaya yang keluar dari lubang tinggal sekitar 10% energi mula-mula. Inilah yang menyebabkan lubang kelihatan hitam, walaupun dinding bagian dalam kaleng mengkilap.

Wilhelm Wien, seorang fisikawan Jerman, menemukan suatu hubungan empiris sederhana antara panjang gelombang yang dipancarkan untuk intensitas maksimum

Rayleight-Jeans menentukan hubungan energi radiasi dengan frekuensi gelombang. Hukum pergeseran Wien hanya menjelaskan hubungan antara energi radiasi terhadap panjang gelombang dengan cara mencari fungsi matematis yang sesuai dengan kurva (spektrum) sehingga tidak dapat menjelaskan tentang benda hitam.

Raylight dan Jeans menjelaskan radiasi termal berdasarkan modus vibrasi (getaran) pada rongga benda hitam. Sesuai dengan hukum ekuipartisi energi maka setiap partikel dalam benda hitam akan mempunyai energi untuk setiap derajat kebebasannya yaitu sebesar:

Suhu mutlak T bersifat kontinu sehingga energi termal yang dipancarkannya juga akan bersifat kontinu. Maka, menurut Rayleight-Jeans energi harus bersifat kontinu. Bentuk grafik yang diperoleh secara teoretis dengan bentuk grafik secara eksperimen berbeda. Hanya akan sesuai untuk daerah frekuensi yang rendah atau panjang gelombang yang panjang sehingga yang sesuai dengan hasil percobaan radiasi benda hitam adalah hukum pergeseran Wien.

mendapatkan fakta bahwa rumus Wien cocok untuk radiasi benda hitam, jika dilakukan pengembangan secara teoretis. Planck juga berhasil memperbaiki teori Rayleight-Jeans yang akhirnya akan sesuai dengan spektrum radiasi benda hitam. Menurut Planck, energi merupakan paket-paket energi yang disebut dengan kuanta, dapat dikatakan pula bahwa energi bersifat diskret. Energi gelombang elektromagnetik dalam benda hitam dirumuskan dengan:

Menurut Max Planck, cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang merupakan kuanta yang bergerak dengan kecepatan cahaya. Kuanta-kuanta tersebut dinamakan dengan foton. Foton memiliki dua sifat, yaitu sebagai gelombang dan sebagai partikel.

demikianlah artikel dari dosenmipa.com mengenai Radiasi Benda Hitam, semoga artikel ini bermanfaat bagi anda smeuanya.