Pengertian Radiasi Benda Hitam, Radiasi Panas, Rumus, Teladan Soal, Jawaban, Intensitas, Aturan Pergeseran Wien, Aturan Planck, Efek Fotolistrik, Efek Compton, Praktikum Fisika

Pengertian Radiasi Benda Hitam, Radiasi Panas, Rumus, Contoh Soal, Jawaban, Intensitas, Hukum Pergeseran Wien, Hukum Planck, Efek Fotolistrik, Efek Compton, Praktikum Fisika - Pernahkah kalian menggunakan pakaian hitam di siang hari yang panas? Jika pernah, bagaimana rasanya? Pasti sangat panas, bukan? Mengapa? Ini alasannya yaitu warna hitam menyerap semua cahaya atau sinar yang jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas. Inilah yang disebut radiasi benda hitam.

Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Jika kalian perhatikan, pada bab filamen lampu berwarna kuning keputih-putihan padahal lampu berwarna biru. Mengapa hal ini terjadi? Ini terjadi alasannya yaitu suhu lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang berada pada suhu di atas 2.000 K akan memancarkan cahaya putih.

Dalam perambatan cahaya melalui ruang hampa, cahaya dianggap sebagai gelombang, menyerupai pada bencana interferensi dan difraksi. Adapun dalam bencana interaksi cahaya dengan atom maupun molekul, cahaya dianggap sebagai partikel. Peristiwa tersebut antara lain radiasi panas, dampak fotolistrik, dan tanda-tanda compton, yang akan kalian pelajari dalam pembahasan berikut ini.

1. Pengertian Radiasi Panas

Radiasi panas yaitu radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akhir suhunya. Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi pada umumnya, kalian sanggup melihat sebuah benda, alasannya yaitu benda itu memantulkan cahaya yang tiba padanya, bukan alasannya yaitu benda itu memancarkan radiasi panas. Benda gres terlihat alasannya yaitu meradiasikan panas jikalau suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah menyerupai kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, menyerupai pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menjadikan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang sanggup dipakai untuk memilih suhu suatu benda.

Pernahkah kalian menggunakan pakaian hitam di siang hari yang panas Pengertian Radiasi Benda Hitam, Radiasi Panas, Rumus, Contoh Soal, Jawaban, Intensitas, Hukum Pergeseran Wien, Hukum Planck, Efek Fotolistrik, Efek Compton, Praktikum Fisika

Gambar 1. Filamen lampu pijar meradiasikan panas pada suhu di atas 2.000 K.

Secara umum bentuk terang dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil eksperimen menawarkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan huruf universal. Benda ini yaitu benda hitam atau black body.

Benda hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang tiba padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Jadi, benda hitam mempunyai harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu.

Seperti yang telah kalian ketahui, bahwa emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi, yang menawarkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu.

Gambar 2. Pemantulan yang terjadi pada benda hitam.

Benda hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi. Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jikalau suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jikalau suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1. Benda hitam yang dipanasi hingga suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.

Benda hitam tepat yaitu pemancar kalor paling baik (e = 1). Contoh yang mendekati benda hitam tepat yaitu kotak tertutup rapat yang dilubangi dengan lubang udara (ventilasi) rumah.

2. Intensitas Radiasi Benda Hitam

Radiasi benda hitam yaitu radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh kawasan panjang gelombang. Distribusi energi pada kawasan panjang gelombang ini mempunyai ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur.

Pada tahun 1879 spesialis fisika dari Austria, Josef Stefan melaksanakan eksperimen untuk mengetahui huruf 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) yaitu sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga sanggup dirumuskan:

I _total = σ . T⁴ ....................................................... (1)

dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T yaitu suhu mutlak benda, dan σ yaitu tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10^-8 Wm^-2K^-4.

Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi aturan yang sama, hanya diberi komplemen koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga:

I _total = e.σ.T⁴ ............................................................ (2)

Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (2) sanggup ditulis sebagai:

P/A = = e. σ. T⁴ ...................................................... (3)

dengan:

P = daya radiasi (W)

A = luas permukaan benda (m²)

e = koefisien emisivitas

T = suhu mutlak (K)

Beberapa tahun kemudian, menurut teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844 - 1906) secara teoritis menurunkan aturan yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853 - 1893) dari adonan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Oleh alasannya yaitu itu, persamaan (2) dikenal juga sebagai Hukum Stefan- Boltzmann, yang berbunyi:

“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.

Contoh Soal 1 :

Lampu pijar sanggup 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. Tentukan 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: