radiasi benda hitam

RADIASI BENDA HITAM

RADIASI BENDA HITAM

Oleh:Annisa

TriwahyuniArif HidayatBella AndreanaDwi LaraswatiFitri Nadhira

Analisis

BENDA HITAM

Pernahkah kalian memakai baju warna

hitam pada siang hari yang panas?

Apa yang kalian rasakan ketika memakai baju warna gelap atau hitam tersebut? Tentunya kamu akan cepat merasakan gerah bukan?

Mengapa demikian?

Permukaan benda yang berwarna hitam akan menyerap kalor lebih cepat dibandingkan dengan

permukaan benda yang berwarna cerah

Hal inilah yang menyebabkan kita merasa lebih cepat gerah dan panas jika memakai baju berwarna

gelap atau hitam pada siang hari

Sebaliknya, kita akan lebih nyaman memakai baju berwarna gelap atau hitam pada malam hari. Hal ini dikarenakan permukaan benda

berwarna gelap atau hitam mudah memancarkan kalor daripada benda yang

berwarna lain

Jadi, benda yang permukaannya gelap atau

hitam akan mudah menyerap kalor dan mudah pula

memancarkannya.

Selain dapat memancarkan radiasi, permukaan bahan juga dapat

menyerap radiasi. Kemampuan bahan untuk menyerap radiasi tidak

sama. Semakin mudah bahan menyerap radiasi, semakin mudah

pula bahan itu memancarkan radiasi. Bahan yang mampu

menyerap seluruh radiasi disebut sebagai benda hitam (Black Body).

Istilah benda hitam (black body) pertama kali dikenalkan oleh Fisikawan Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Benda hitam memancarkan radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan benda hitam bergantung pada suhu benda hitam tersebut.

Benda hitam adalah benda ideal yang sebenarnya tidak ada. Karakteristik benda hitam dapat didekati dengan menggunakan ruang tertutup berongga yang diberi sebuah lubang kecil.

Model Radiasi Benda Hitam

Setiap radiasi yang masuk ke rongga akan terperangkap oleh pemantulan bolak-balik. Hal ini menyebabkan terjadinya penyerapan seluruh radiasi oleh dinding rongga. Lubang rongga dapat diasumsikan sebagai pendekatan benda hitam. Jika rongga dipanaskan maka spektrum yang dipancarkan lubang merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Besarnya energi radiasi per satuan waktu per satuan luas permukaan disebut intensitas radiasi.

Intensitas radiasi oleh benda hitam bergantung pada suhu benda. Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann, intensitas radiasi dinyatakan dengan persamaan:

Keterangan:I: intensitas radiasi (watt/m2)T : suhu mutlak benda (K)σ: konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 . 10-8watt/m2.K4e : koefisien emisivitas (0 ≤e ≤1), untuk benda hitam e = 1

I total = e.σ.T4 

Gambar Perbandingan grafik I – λantara grafik Rayleigh-Jeans dan grafik hasil eksperimen

Spektrum radiasi benda hitam pada awalnya dipelajari oleh Rayleigh dan Jeans menggunakan pendekatan fisika klasik. Mereka meninjau radiasi dalam rongga bertemperatur T yang dindingnya merupakan pemantul sempurna sebagai sederetan gelombang elektromagnetik. Akan tetapi, pada suhu 2.000 K bentuk grafik hasil eksperimen berbeda dengan bentuk grafik yang dikemukakan Rayleigh dan Jeans, seperti ditunjukkan pada di samping.

Grafik teoritisRayleigh-Jeans

Grafik Eksperimen

I

λ

HUKUM PERGESERAN WIEN

Rayleigh dan Jeans meramalkan bahwa benda hitam ideal pada

kesetimbangan termal akan memancarkan radiasi dengan daya tak

terhingga. Akan tetapi, ramalan Rayleigh dan Jeans tidak terbukti

secara eksperimental. Ramalan ini dikenal sebagai bencana ultraungu.

Daerah cahaya tampak

4000 K

2000 K

3000 K

І

λ

Wilhelm Wien mempelajari hubungan antara suhu dan panjang gelombang pada intensitas maksimum.

Puncak-puncak kurva pada grafik menunjukkan intensitas radiasi pada tiap-tiap suhu. Tampak bahwa puncak kurva bergeser ke arah panjang gelombang yang pendek jika suhu semakin tinggi.

Panjang gelombang pada intensitas maksimum ini disebut sebagai λmaks. Wien merumuskan hubungan antara suhu dan λmaks. sebagai berikut.

Keterangan:

).10.878,2(.:3KmWienkonstC

λmaks . T = C

Hipotesa PlanckPlanck berkesimpulan bahwa energi yang dipancarkan dan diserap tidaklah kontinu. Tetapi, energi dipancarkan dan diserap dalam bentuk paket-paket energi diskret yang disebut kuanta

Ramalan bencana ultraungu dapat dipecahkan oleh teori Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta.

Ia berpendapat bahwa ukuran energi kuantum sebanding dengan frekuensi radiasinya. Rumusannya adalah:

  fhnE ..

).10.136,4.10.626,6(.: 1534 seVsJPlanckkonsth n : bilangan kuantum (n = 0, 1, 2, . . ., n)f : frekuensi radiasi (Hz)

1. Penentuan Suhu Permukaan MatahariSuhu permukaan matahari atau bintang dapat ditentukan dengan mengukur daya radiasi matahari yang diterima bumi. Dengan menggunakan hukum Stefan-Boltzmann, total daya yang dipancarkan oleh matahari adalah:

MRiaanmataharluaspermukA 4:

e = 1 maka :

Penerapan Radiasi Benda Hitam

AIPM .

)4)(( 24MMM RTP

Matahari memancarkan daya yang sama ke segala arah. Dengan demikian bumi hanya menyerap sebagian kecil.Meskipun bumi hanya menyerap sebagian daya dari matahari, namun bumi mampu memancarkan daya ke segala arah. Besar daya yang dipancarkan bumi adalah:

)4)(( 24BBB RTP

Gambar Suhu Permukaan Bumi

Jika bumi berada dalam kesetimbangan termal maka daya yang diserap bumi sama dengan daya yang dipancarkan.

2. Radiasi Energi yang Dipancarkan ManusiaPenerapan radiasi benda hitam juga dapat diterapkan pada benda-benda yang tidak berada dalam kesetimbangan radiasi. Sebagian besar energi manusia diradiasikan dalam bentuk radiasi elektromagnetik, khususnya inframerah. Untuk dapat memancarkan suatu energi, tubuh manusia harus menyerap energi dari lingkungan sekitarnya.

Suatu permukaan logam dengan emisivitas 0,5 dipanaskan hingga 400 K.Tentukanlah:a. intensitas energi radiasi yang

dipancarkanb. panjang gelombang pada intensitas

maksimumnya.

Contoh Soal

KT

e

400

5,0

KmC .10.878,2 3423 /10.67,5 Kmwatt

Maka :4TeI

43 )400.(10.67,5.5,0 I2/76,725 mWI

a.

b.

m

C

Tmaks

6

3

10.195,7

10.878,2

400

Penyelesaian