Dalam artikel ini, kami akan menguraikan konsep radiasi benda hitam. Kami akan menjelaskan dengan cermat pengertian radiasi benda hitam, radiasi panas, rumus yang terkait, dan memberikan beberapa contoh soal yang akan memperjelas pemahaman Anda. Mari kita jelajahi dengan seksama uraian di bawah ini.
Konsep Radiasi Benda Hitam dalam Cahaya Gelap
Warna hitam memiliki sifat menyerap seluruh cahaya atau sinar yang mencapainya, yang pada gilirannya menyebabkan benda tersebut menjadi panas. Misalnya, saat Anda mengenakan pakaian berwarna hitam di siang hari, Anda pasti merasakan panas yang intens. Fenomena ini dikenal sebagai radiasi benda hitam.
Radiasi benda hitam adalah bentuk radiasi elektromagnetik termal yang terjadi di sekitar atau di dalam suatu benda ketika benda tersebut berada dalam keseimbangan termodinamika dengan lingkungannya atau ketika terjadi pelepasan energi dari benda tersebut. Benda yang mengalami radiasi benda hitam umumnya memiliki permukaan yang buram dan tidak dapat memantulkan cahaya.
Jika kita mengamati dengan seksama lampu pijar, kita akan melihat bahwa filamennya memiliki warna kuning keputih-putihan meskipun lampu itu sendiri berwarna biru. Hal ini terjadi karena lampu pijar memiliki suhu di atas 2000 K. Semua benda dengan suhu di atas 2000 K akan memancarkan cahaya putih.
Ketika cahaya merambat melalui ruang hampa, cahaya dianggap sebagai gelombang, yang memiliki kesamaan dengan fenomena interferensi dan difraksi. Namun, ketika cahaya berinteraksi dengan atom atau molekul, cahaya dianggap sebagai partikel. Beberapa contoh fenomena ini termasuk radiasi panas, efek fotolistrik, dan gejala Compton.
Radiasi Panas: Menjelajahi Fenomena Panas yang Dipancarkan
Radiasi panas, yang juga dikenal sebagai radiasi kalor, merupakan proses di mana suatu benda memancarkan energi panas akibat suhunya. Setiap benda memancarkan radiasi panas, namun secara umum, kita melihat suatu benda karena benda tersebut memantulkan cahaya yang diterimanya, bukan karena benda tersebut memancarkan radiasi panas.
Suatu benda akan terlihat memancarkan panas saat suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu tersebut, benda akan memancarkan cahaya merah, seperti pada kumparan pemanas kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K, benda yang memancarkan cahaya akan terlihat putih keputihan atau kuning, seperti pijar putih yang terpancar dari filamen lampu pijar.
Ketika suhu benda meningkat, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan juga berubah. Perubahan ini mengakibatkan pergeseran warna dalam spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk mengukur suhu suatu benda.
Secara umum, bentuk rinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh benda panas bergantung pada komposisi benda tersebut. Namun, eksperimen telah menunjukkan bahwa ada satu jenis benda panas yang memancarkan spektrum panas dengan karakteristik universal. Benda tersebut disebut benda hitam atau black body.
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, benda hitam menyerap semua radiasi yang datang padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Oleh karena itu, benda hitam memiliki absorptansi dan emisivitas yang nilainya sama dengan satu.
Emisivitas merupakan karakteristik suatu materi yang menggambarkan perbandingan daya pancar per satuan luas permukaan benda terhadap daya pancar benda hitam dengan suhu yang sama. Sementara itu, absorptansi merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang datang ke benda tersebut.
Benda hitam dapat diibaratkan sebagai suatu rongga gelap dengan lubang kecil. Sedikit cahaya yang masuk ke dalam rongga tersebut melalui lubang, dan sinar cahaya tersebut akan dipantulkan berulang kali di dalam rongga tanpa dapat keluar melalui lubang tersebut. Setiap kali dipantulkan, sinar cahaya diserap oleh dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya di sekitarnya jika suhunya lebih rendah dari suhu sekitarnya, dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi dari suhu sekitarnya. Gambar di bawah ini menggambarkan contohnya, di mana benda hitam dipanaskan hingga suhu yang cukup tinggi sehingga terlihat membara.
Rumus Radiasi Benda Hitam: Mengungkap Hukum Stefan-Boltzmann
Radiasi benda hitam mencakup semua panjang gelombang. Distribusi energi dalam panjang gelombang ini memiliki karakteristik khusus, yaitu adanya nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Posisi nilai maksimum ini tergantung pada suhu, dan akan bergeser menuju panjang gelombang yang lebih pendek seiring dengan peningkatan suhu.
Pada tahun 1879, seorang fisikawan asal Austria bernama Josef Stefan melakukan percobaan untuk mengungkap karakter universal dari radiasi benda hitam. Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) sebanding dengan pangkat empat suhu absolutnya. Dengan demikian, dapat dirumuskan sebagai berikut:
I total = σ . T^4 ………………………………………………. (1)
I menunjukkan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi. T adalah suhu absolut benda tersebut, dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann dengan nilai 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4.
Pada benda panas yang bukan benda hitam, hukum serupa tetap berlaku, hanya saja diperlukan koefisien emisivitas yang lebih kecil dari 1, sehingga rumusnya menjadi:
I total = e.σ.T^4 ………………….. (2)
Intensitas merupakan daya per satuan luas, sehingga persamaan (2) dapat ditulis sebagai:
P/A = e.σ.T^4 ………………………..(3)
Dengan ketentuan:
P = daya radiasi (W)
A = luas permukaan benda (m^2)
e = koefisien emisivitas
T = suhu absolut (K)
Beberapa tahun kemudian, berdasarkan teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844-1906) secara teoritis mengembangkan hukum yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853-1893) dengan menggabungkan konsep termodinamika dan persamaan Maxwell. Oleh karena itu, persamaan (2) juga dikenal sebagai Hukum Stefan-Boltzmann, yang menyatakan:
“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu benda hitam dalam satu unit waktu berbanding lurus dengan pangkat empat suhu termodinamikanya.”
Contoh Soal Radiasi Benda Hitam: Perbandingan Daya Radiasi Lampu Pijar
Dalam soal ini, kita akan membandingkan daya radiasi antara dua lampu pijar dengan bentuk bola. Jari-jari lampu pijar pertama adalah 3 kali jari-jari lampu pijar kedua. Selain itu, suhu lampu pijar pertama adalah 67 oC, sedangkan suhu lampu pijar kedua adalah 407 oC. Dari data ini, kita akan menentukan perbandingan daya radiasi antara kedua lampu pijar tersebut.
Diketahui:
T1 = 67 oC + 273 K = 340 K
T2 = 407 oC + 273 K = 680 K
R1 = 3 R2
Untuk menentukan perbandingan daya radiasi, kita perlu menggunakan rumus radiasi benda hitam yang telah dijelaskan sebelumnya. Rumus tersebut adalah:
P/A = e.σ.T^4
Karena kita hanya perlu membandingkan daya radiasi, kita dapat mengabaikan luas permukaan (A) dan koefisien emisivitas (e) yang sama pada kedua lampu pijar. Oleh karena itu, rumus dapat disederhanakan menjadi:
P1/P2 = (T1/T2)^4
Substitusikan nilai yang telah diketahui:
P1/P2 = (340 K/680 K)^4
= (1/2)^4
= 1/16
Dengan demikian, perbandingan daya radiasi lampu pijar pertama terhadap lampu pijar kedua adalah 1 banding 16.
Demikianlah contoh soal mengenai radiasi benda hitam. Semoga penjelasan ini dapat meningkatkan pemahaman dan pengetahuan kalian. Terima kasih telah membaca, dan jangan lupa untuk membaca artikel lainnya yang tersedia.
Sumber: https://sambellayah.com/