Pengertian Radiasi Benda Hitam Dan Radiasi Panas Beserta Rumus Dan Contoh Soal Lengkap – Pernahkah kalian memakai baju hitam pada siang hari? Jika pernah melakukannya, bagaimana rasanya? Pasti sangat panas, bukan? Mengapa itu bisa terjadi? Hal ini dikarenakan warna hitam menyerap semua cahaya atau sinar yang jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas. Inilah yang dinamakant radiasi benda hitam.
Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Apabila kalian perhatikan, pada bagian filamen lampu berwarna kuning keputih-putihan padahal lampu tersebut berwarna biru. Mengapa hal ini terjadi? Hal ini terjadi karena suhu lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang berada pada suhu di atas 2.000 K pasti akan memancarkan cahaya putih.
Pada perambatan cahaya melalui ruang hampa, cahaya dianggap gelombang, seperti halnya pada peristiwa interferensi dan difraksi. Adapun pada peristiwa interaksi cahaya dengan atom maupun molekul, cahaya dianggap sebagai partikel. Peristiwa tersebut diantaranya: radiasi panas, efek fotolistrik, dan gejala compton, yang akan kalian pelajari dalam pembahasan berikut ini.
Pengertian Radiasi Panas
Radiasi panas atau Radiasi kalor yaitu radiasi yang dipancarkan dari sebuah benda sebagai akibat suhunya. Setiap benda memancarkan radiasi panas, namun pada umumnya, kalian bisa melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. Benda tersebut baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu tersebut benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda berpijar keputih-putihan atau kuning, seperti pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, maka intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini mengakibatkan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang bisa digunakan untuk menentukan suhu suatu benda.
Gambar 1. Filamen lampu pijar meradiasikan panas pada suhu di atas 2.000 K.
Secara umum bentuk terperinci oleh spektrum radiasi panas yang dipancarkan dari suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil percobaan menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal. Benda ini ialah benda hitam atau black body.
Benda hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang datang. Dengan istilah lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Maka, benda hitam memiliki harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu.
Seperti yang telah kalian tahu, bahwa emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik dari suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per-satuan luas dari suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap dari suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu.
Gambar 2. Pemantulan yang terjadi pada benda hitam.
Benda hitam digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sesekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa bisa keluar lagi dari lubang tadi. Setiap dipantulkan, sinar akan diserap oleh dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya apabila suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya apabila suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1. Diatas Benda hitam yang dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi akan terlihat membara.
Benda hitam sempurna ialah pemancar kalor paling baik (e = 1). Contoh yang mendekati benda hitam sempurna yaitu kotak tertutup rapat yang dilubangi dengan lubang udara (ventilasi) rumah.
Intensitas Radiasi Benda Hitam
Radiasi benda hitam ialah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini mempunyai ciri khusus, yakni suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser/berpindah ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur.
Pada tahun 1879 seorang ahli fisika dari Austria yang bernama Josef Stefan melakukan suatu percobaan untuk mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam. Lalu ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi dari suatu benda hitam panas (intensitas total) yaitu sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga bisa dirumuskan:
I total = σ . T4 ………………………………………………. (1)
dengan I menyatakan bahwa intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T ialah suhu mutlak benda, dan σ aialah tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4.
Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang serupa, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga menjadi:
I total = e.σ.T4 …………………………………………………… (2)
Intensitas adalah daya per satuan luas, maka persamaan (2) dapat ditulis seperti:
P/A = = e. σ. T4 ……………………………………………… (3)
Dengan keterangan:
P = daya radiasi (W)
A = luas permukaan benda (m2)
e = koefisien emisivitas
T = suhu mutlak (K)
Beberapa tahun kemudian, berdasarkan tentang teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) secara teoritis mewariskan hukum yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853 – 1893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Maka dari itu, persamaan (2) dikenal juga sebagai Hukum Stefan- Boltzmann, yang berbunyi:
“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam pada satuan waktu maka akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.
Contoh Soal
Lampu pijar bisa dianggap berbentuk bola. Jari-jari lampu pijar pertama 3 kali jari-jari lampu pijar kedua. Suhu lampu pijar pertama 67 oC dan suhu lampu pijar kedua 407 oC. Tentukanlah perbandingan daya radiasi lampu pertama terhadap lampu kedua!
Besaran yang diketahui:
T1 = (67 + 273) K = 340 K
T2 = (407 + 273) K = 680 K
R1 = 3 R2
Perbandingan daya radiasi lampu (pertama) terhadap lampu kedua:
Demikian penjelasan yang bisa kami sampaikan tentang Pengertian Radiasi Benda Hitam Dan Radiasi Panas Beserta Rumus Dan Contoh Soal Lengkap. Semoga bermanfaat dan ampai jumpa pada postingan selanjutnya.