Selamat datang di Dosen.co.id, web digital berbagi ilmu pengetahuan. Kali ini PakDosen akan membahas tentang Radiasi Benda Hitam? Mungkin anda pernah mendengar kata Radiasi Benda Hitam? Disini PakDosen membahas secara rinci tentang pengertian, intensitas, teori, radiasi, energi, perpindahan, hukum, penerapan dan contoh. Simak Penjelasan berikut secara seksama, jangan sampai ketinggalan.
Pengertian Radiasi Benda Hitam
Radiasi Benda Hitam ialah suatu benda dimana radiasi kalor yang masuk akan dihirup semuanya, lubang kecil pada sebuah dinding yang berlubang bisa diibaratkan sebagai benda hitam yang komplet.
Intensitas Radiasi Benda Hitam
Frekuensi elektromagnetik di dalam dinding berlubang yang memiliki panjang frekuensi yang berbeda-beda. Kondisi tersebut diakibatkan karena partikel-partikel yang menyemburkan frekuensi tersebut bergerak dengan akselerasi yang berbeda-beda. Intensitas total yang disemburkan benda hitam bisa dihitung dengan menghitung luas dibawah Iλ sebagai fungsi λ. Besarnya intensitas total tersebut didapat dari rumus Stefan-Boltzman dengan menempuh e=1, (untuk benda hitam), yakni sebagai berikut:
I = σT4
Masing-masing kurva memiliki satu nilai maksimal yang berlangsung pada panjang frekuensi yang dinamakan λmaks .
Teori Planck pada Radiasi Benda Hitam
Untuk menguraikan rumus yang melengkapi seluruh data eksperimen skala benda hitam. Planck mengutarakan dua perkiraan mengenai sifat dasar getaran partikel-partikel dalam dinding-dinding rongga benda hitam. Getaran partikel-partikel yang menyemburkan radiasi hanya bisa mempunyai satuan-satuan energi diskrit dari harga En, yang diberikan antara lain:
En = nhf
Keterangan:
N = 1,2,3 … (jumlah kuanta)
h = tetapan Planck (6,626.10-34 Js)
f = frekuensi foton (Hz)
Energi masing-masing pancaran dinyatakan:
Keterangan:
c = kecepatan cahaya (3.108 m/s)
λ = panjang gelombang (m)
Radiasi Kalor
Apabila benda menerima energi radiasi, maka benda tersebut akan memancarkan energi yang diterima ke lingkungannya. Benda yang mudah menerima banyak energi radiasi akan mudah pula memancarkan banyak energi radiasi. Stefan-Boltzman mendapatkan bahwa jumlah energi yang dipancarkan suatu permukaan benda persatuan luas per satuan waktu sebanding dengan pangkat 4 temperaturt sepenuhnya.
Keterangan:
P = daya (watt)
A = luas permukaan benda (m2)
W = energi persatuan luas persatuan waktu (watt / m2)
e = emisivitas
T = suhu mutlak (K)
σ = tetapan Stefan-Boltzman (5,67 . 10-8 watt m2 K4)
Energi yang di Radiasikan Benda Hitam
Seperti yang telah dijelaskan di atas, bahwa benda hitam merupakan benda yang mampu menyerap radiasi dengan baik. Namun, benda hitam juga pemancar radiasi yang buruk. Hal itu menjelaskan bahwa benda putih meskipun tidak mampu menyerap radiasi yang baik, namun dapat memancarkan radiasi yang baik. Sebuah benda hitam disebut baik bila dapat menyerap radiasi secara total. Kemampuan benda menyerap radiasi disebut emisivitas (Ɛ). Benda hitam memiliki emisivitas (Ɛ) = 1 sedangkan benda yang mengkilap memiliki emisivitas (Ɛ) = 0. Sifat bahan dan suhu mempengaruhi besarnya intensistas radiasi yang dipancarakan dengan rumus matematis adalah sebagai berikut:
R = Ɛ . σ . T4
Di mana
R = Intensitas radiasi
Ɛ = Emisivitas bahan
σ = Konstanta Stefan-Boltman, nilainya 5,67 x 10-4 W/m2.K4
T = Suhu mutlak benda (K)
Perpindahan Kalor Dengan Cara Radiasi
Laju perpindahan kalor radiasi berbanding lurus dengan luas benda dan pangkat suhu mutlak. Artinya, benda yang mempunyai luas permukaan benda yang lebar maka memiliki laju perpindahan kalor yang besar pula, begitu sebaliknya. Begitu pula dengan suhunya. Benda yang memiliki suhu tinggi akan lebih cepat perpindahan kalornya daripada benda yang memiliki suhu rendah. Pernyataan di atas dikemukakan oleh Josef Stefan pada tahun 1879. Selang 5 tahun kemudian Ludwig Boltzmann menuliskan matematisnya. Adapun persamaan matematisnya adalah sebagai berikut:
Q/t = e σ A T4
Di mana
Q = Kalor atau energi yang pindah
t = Waktu
Q/t = Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi = laju radiasi energi
σ = Konstanta Stefan-Boltman, nilainya 5,67 x 10-4 W/m2.K4
A = Luas permukaan benda (m2)
T = Suhu mutlak benda (K)
e = Emisivitas (angka yang tidak berdimensi yang nilainya antara 0 dan 1)
Hukum Stefan-Boltzmann
Perkembangan selanjutnya untuk memahami karakter universal dari radiasi benda hitam datang dari ahli fisika Austria, Josef Stefan (1835-1893) pada tahun 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, I total (intensitas radiasi total), adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann, intensitas radiasi dinyatakan dengan persamaan:
Keterangan:
I : intensitas radiasi (watt/m2)
T : suhu mutlak benda (K)
s : konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 . 10-8 watt/m2.K4
e : koefisien emisivitas (0 e 1), untuk benda hitam e = 1
Penerapan Radiasi Benda Hitam
Setelah kita membahas konsep radiasi benda hitam, kali ini kita akan mempelajari penerapannya. Dengan menggunakan prinsip radiasi benda hitam, kita dapat menentukan daya yang dipancarkan oleh matahari, suhu matahari, dan radiasi yang dipancarkan oleh tubuh manusia.
-
Penentuan Suhu Permukaan Matahari
Suhu permukaan matahari atau bintang dapat ditentukan dengan mengukur daya radiasi matahari yang diterima bumi. Dengan menggunakan hukum Stefan-Boltzmann, tota l daya yang dipancarkan oleh matahari adalah:
Atau
Jika diketahui:
I = e × s ×
A = luas permukaan matahari = 4p RM
e = 1
maka PM = (s )(4p )
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:
Jika bumi berada dalam kesetimbangan termal maka daya yang diserap bumi sama dengan daya yang dipancarkan.
-
Radiasi Energi yang Dipancarkan Manusia
Penerapan 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. Total energi yang dipancarkan oleh manusia adalah selisih antara energi yang diserap dengan energi yang dipancarkan.
Contoh Soal Radiasi Benda Hitam
Sebuah kubus dengan panjang sisinya 20 cm, bersuhu 500 0C dan emisivitas benda 1. Berapakah laju kalor yang dipancarkan kubus tersebut …
Diketahui:
Luas benda (A) = sisi x sisi = 0,2 m x 0,2 m = 0,04 m2
Suhu (T) = 227 0C = 500 K
Emisivitas (e) = 1
Konstanta Stefan-Boltzman (σ )= 5,67 x 10-8 W/m2.K4
Ditanya laju kalor (W) ?
Jawab
W = e σ A T4
W = (1) . (5,67 x 10-8) . (0,04) . (500)4
W = 141,75 Joule
Demikian Penjelasan Materi Tentang Radiasi Benda Hitam: Pengertian, Intensitas, Teori, Radiasi, Energi, Perpindahan, Hukum, Penerapan dan Contoh Semoga Materinya Bermanfaat Bagi Siswa-Siswi.
