I.
PENDAHULUAN
PENDAHULUAN
A. Latar
Belakang
Secara umum, adsorpsi energi radiasi menyangkut miskonsepsi. Radiasi itu sendiri adalah perpindahan energi yang terjadi melalui suatu
medium perantara bisa solid maupun liquid bisa juga melalui medium ruang hampa.
Benda yang mudah menyerap radiasi atau mudah pula memancarkan radiasi. Benda
yang dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh
radiasi yang dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam atau black body. Suatu
pengabsorpsian sempurna radiasi haruslah benda hitam karena hanya suatu black
body akan mengabsorpsi semua cahaya tampak yang mengenainya. Black body tidak
harus black body yang ideal. Bukan berarti warna suatu objek itu apakah benda absorben radiasi yang baik di luar spektrum tampak atau tidak.
Dalam radiasi termal juga
dikenal radiasi benda hitam. Benda hitam
meradiasi lebih banyak jika bendanya panas daripada bendanya dingin,dan
spektrum benda hitam panas mempunyai puncak pada frekuensi lebih tinggi
daripada puncak spektrum benda hitam dingin. Dalam kehidupan sehari-hari dapat
diamati pada perilaku batang besi ketika dipanaskan terus menerus, mula-mula
batang besi memijar kemerahan, kemudian kuning-merah yang cerah dan pada
akhirnya panas-memutih. Warna benda yang cukup panas hingga memancarkan cahaya,
maka warnanya akan bergantung pada temperatur.
Untuk lebih mengetahui nya maka dilakukan percobaan ini.
B. Tujuan Percobaan
Adapun tujuan percobaan ini adalah :
1.
Mengamati radiasi termal yang
dipancarkan dari sisi kubus radiasi termal yang berbeda pada suhu yang sama.
2.
Menentukan grafik hubungan suhu terhadap radiasi yang terpancar.
II.
TINJAUAN PUSTAKA
A.
Perpindahan Panas Dengan Cara Radiasi
Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui
gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor.
Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses
perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang
elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk menerangkan bagaimana
proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari
sejumlah energi kalor tertentu. Semakin tinggi suhu bahan tadi maka semakin
tinggi pula energi kalor yang disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena
permukaan. Proses radiasi tidak terjadi pada bagian dalam suatu bahan. Tetapi
suatu bahan apabila menerima sinar, maka banyak hal yang boleh terjadi. Apabila
sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan,
sebagian akan diserap ke dalam bahan, dan sebagian akan menembusi bahan dan
terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor radiasi akan dilibatkan
suatu fisik permukaan (Krane, 1992).
B.
Laju Energi Kalor Radiasi
Radiasi yang dipancarkan oleh
suatu benda biasanya tidak hanya bergantung pada suhu, tetapi juga pada
sifat-sifat lainnya, seperti karakteristik suatu benda,panjang gelombang
radiasi yang mengenainya, rupa benda, sifat permukaannya dan bahan pembuatnya.
Tetapi untuk kali ini, kita tidak akan
meninjau benda biasa, tetapi benda yang permukaannya hitam (bendahitam / Black Body). Jika sebuah benda semuanya
berwarna hitam, maka cahaya yang jatuh
pada benda tersebut tidak ada yang dia pantulkan (semuanya terserap). Pada
radiasi termal ini, permukaan ideal dalam pengkajian perpindahan kalor radiasi
benda hitam memiliki nilai emisivitas(e = 0 dan 1).
Radiasi merupakan salah satu
mekanisme perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik tanpa
melalui suatu zat perantara. Sebagai contoh, panas matahari dapat mencapai ke
bumi dengan mekanisme radiasi, sehingga mampu melewati ruang hampa
(Jaeger,1975).
Pada tahun 1879 Joseph Stefan melakukan
pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam. Ia menyatakan bahwa
daya total yang dipancarkan oleh benda hitam sebanding dengan pangkat empat
suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian, Ludwig Boltzman memperoleh rumus yang sama.
Oleh karena itu, dikenal dengan hukum
Stefan-Boltzman yang berbunyi: “Energi yang dipancarkan oleh suatu
permukaan benda dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan
luas permukaan dan pangkat empat suhu mutlaknya”. Secara matematis rumus
Stefan-Boltzman ditulis sebagai berikut:
Kemampuan sebuah
benda untuk menyerap radiasi kalor berkaitan dengan kemampuannya untuk
memancarkan radiasi. Benda hitam merupakan penyerap dan pemancar radiasi
terbaik. Dengan demikian, intensitas radiasi termal bahan yang berbeda pada
temperatur yang sama akan berbeda pula (Sutrisno, 1986).
Dalam hal ini, radiasi
merupakan perpindahan kalor tanpa adanya zat perantara. Contohnya panas
matahari yamg sampai ke bumi. Contoh dari konduksi yaitu logam dimana kalor
dipindahkan melalui elektron-elektron bebas yang terdapat dalam struktur atom
logam sehingga electron bebas mudah berpindah. Perpindahan elektron ini dapat
diberikan ke elektron-elektron lain dengan cepat. Begitu pula dengan
perpindahan radiasi dari benda satu ke benda lainya. Benda akan menyerap panas
radiasi dan memancarkannya. Suatu benda hitam ideal akan memancarkan radiasi
sempurna dan menyerap radiasi sempurna. Ini menunjukkan bahwa jika benda
merupakan penyerap radiasi yang baik maka sudah tentu juga merupakan pemancar
radiasi yang baik (Suratman, 1996).
C. Radiasi Benda Hitam
Teori
kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam”
pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam
Fisika, benda hitam ( blackbody)
adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal)
dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda
hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang
radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya
berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun
demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan
setiap panjang gelombang energi yang mungkin supaya energi dari benda tersebut
dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah
dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di
bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk
gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak.
Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat
dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah,
jingga, kuning hingga putih (Istiyono, 2000).
Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu
berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga
warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang
datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh
terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Dalam
percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda
hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan
mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk,
maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter
lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga
berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan
kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga.
Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam.
Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya
lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu
mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang
termal (Darmawan, 1990).
Pada suhu ruang, radiasi termal banyak terdapat dalam daerah
inframerah karena pada daerah tersebut mata kita tidak lagi peka. Fisika baru
memberikan tafsiran benar terhadap radiasi termal, ini dikemukakan oleh max
planck. Planck mengemukakan bahwa sebuah atom yang bergetar hanya dapat
menyerap atau memancarkan energi kembali dalam bentuk bungkusan kecil yang
disebut kuanta. Apabila energi kuanta berbanding lurus dengan frekuensi
radiasi, maka apabila frekuensi meningkat, energinya akan ikut meningkat
(Brotosiswoyono, 1987).
Dalam radiasi termal dikenal
radiasi benda hitam. Benda hitam memiliki emisivitas sama dengan satu.
Benda hitam merupakan benda dengan kemampuan menyerap dan memancarkan panas
terbaik. Dalam fisika benda hitam ( black body ) merupakan obyek yang menyerap
seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Secara teori dalam fisika
klasik benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi
yang mungkin (Loeksmanto, 1993).
Tujuan memperkenalkan benda
hitam ideal pembahasan radiasi termal ialah bahwa sekarang kita dapat mengabaikan
bagaimana perilaku yang tepat dari benda yang meradiasi, karena setiap benda
hitam perilakunya identik. Dalam percobaan sebuah benda hitam dapat
diaproksimasi dengan benda berongga berlubang sangat kecil yang menembus ke
dalam. Setiap radiasi yang jatuh pada lubang itu, masuk ke dalam rongga dimana
radiasi itu tertangkap oleh pemantulan bolak-balik sehingga terabsorbsi.(Bieser,1990).
D. Penahan Radiasi
Penahanan
radiasi bertujuan mengurangi intensitas radiasi dengan memanfaatkan interaksi
radiasi dengan materi. Radiasi alpha dan beta dapat ditahan dengan baik oleh
benda yang relatif tipis. Sedang untuk radiasi beta yang berenergi tinggi,
diperlukan bahan penahan seperti halnya yang digunakan untuk menahan sinar-X.
Pada radiasi positron penahanan radiasi dilakukan hingga bebas radiasi. Untuk
penahanan radiasi gamma berlaku hukum kuadrat terbalik. Sedang radiasi gamma
yang merupakan radiasi langsung berkurang secara eksponensial terhadap tebal
bahan penahan. Pengaruh radiasi gamma karena penyebaran pada bahan penahan
perlu dikoreksi dengan menggunakan koefisien build up (build up
factor). Radiasi neutron juga berkurang secara eksponensial terhadap tebal
bahan penahan dan faktor koefisien build up juga dapat digunakan. Pada
penahanan radiasi neutron termal, tebal materi dapat dikurangi apabila
menggunakan materi yang memiliki tampang lintang tangkapan neutron yang besar.
Untuk menahan radiasi neutron cepat dapat digunakan cara penangkapan neutron
setelah kecepatannya berkurang akibat hamburan elastis, tetapi radiasi gamma
yang terpancar juga harus ditahan. Labirin sangat berpengaruh terhadap
penahanan radiasi gamma. Penahanan radiasi ditujukan untuk mencegah paparan
radiasi pada tubuh manusia dan kerusakan pada alat ukur radiasi. Prinsip
penahanan radiasi adalah mengurangi intensitas radiasi yang didasarkan pada
interaksi radiasi dengan materi, yaitu dengan mengubah energi radiasi menjadi
energi panas sehingga paparan radiasinya menjadi berkurang. Karena interaksi
radiasi dengan materi berbeda menurut jenis materi dan energi radiasi, maka
cara penahanan yang digunakan juga berbeda. Umumnya intensitas radiasi dapat
dikurangi dengan menambah tebal materi yang digunakan sebagai penahan.
Selanjutnya akan diuraikan tentang penahanan radiasi yang banyak dikenal, yaitu
alpha, beta, gamma, sinar-X, dan neutron. Namun yang utama adalah uraian
tentang penahanan radiasi gamma, sinar-X, dan neutron, yang mempunyai daya
tembus besar terhadap materi (M. Amin, 2001).
E.
Hukum kuadrat terbalik.
Apabila radiasi gamma dari sumber radiasi terpancar ke segala arah,
intensitas radiasi gamma di suatu titik akan menjadi lemah karena berbanding
terbalik dengan kuadrat jaraknya dari sumber radiasi. Hal ini disebut hukum
kuadrat terbalik. Oleh karena intensitas radiasi gamma menjadi lemah berbanding
terbalik dengan kuadrat jaraknya dari sumber radiasi, maka jarak dari sumber
radiasi merupakan faktor utama dalam melakukan penahanan. Untuk radiasi gamma
yang mempunyai aktivitas 1 Currie, persentase paparan radiasinya pada titik
yang berjarak 1 m disingkat rhm (Rontgen per jam pada jarak 1 m), yang disebut
juga konstanta gamma (Made, 1985)
III. PROSEDUR PERCOBAAN
A. Alat
dan Bahan
Pada percobaan pendahuluan thermal
radiation ini, alat dan bahan yang digunakan
adalah:
1 Sensor Radiasi
2 Kubus Radiasi thermal
3 Millivoltmeter
4 Lampu Stefan-Boltzman
5 Power Supply
6 Meteran
7
Ohmmeter
8
Voltmeter
9 Amperemeter
10
Termometer
B.
Prosedur Percobaan
Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
percobaan ini adalah:
A. Kecepatan Radiasi dari Permukaan
yang Berbeda
1. Menghubungkan ohmmeter dan
millivoltmete
2. Menghidupkan kubus
radiasi thermal dan meng set power switch ke posisi 10.
3. Mengukur radiasi yang dipancarkan dari tiap-tiap permukaan kubus
dengan menggunakan sensor radiasi. Membuat jarak sensor sama ke setiap
permukaan kubus dengan cara menyentuhkan ujung sensor ke dinding. Mencatat
hasil pengukuran tahanan thermistor. Menggunkan termokopel untk menentukan
temperatur.
4. Menaikkan power switch ke posisi 6,5 lalu 8 dan 10. Menunggu kubus
sampai setimbang thermal. Mengulangi pengukuran radiasi seperti no.3 dan
mencatat hasilnya.
B.
Absorpsion dan Transmission Radiasi Thermal
1. Menempatkan sensor
sekitar 5cm dari permukaan hitam kubus radiasi dan mencatat pembacaan.
Menemptkan selembar gelas jendela antara sensor dan bola lampu.
2. Mengeluarkan lid
(muable cover: tutup yang dapat dipindah-pindah) dari kubus radiasi atau
memakai lampu Stefan-Boltzman dan mengulangi pengukuran, akan tetapi memakai
bola telanjang sebagai pengganti permukaan hitam. Mengulangi dengan material
lain.
C.
Inversi Hukum Kuadrat
1. Men
set-up percobaan
a. Meletakkan meteran di atas meja
b. Menempatkan lampu Stefan-Boltzman
di ujung metean. Membuat titik nol di bawah bola lampu.
c. Menyesuaikan tinggi sensor radisi
sehingga tingginya sama dengan lampu Stefan-Boltzman.
d. Mengarahkan lampu dan sensor
sepanjang meteran sampai sedekat mungkin. Membuat pengukuran secepat mungkin.
Lalu menutupi dengan suatu perisai pemantul.
e. Menghubungkan sensor dengan
millimetervolt dan lampu ke power suuply (PSA).
2. Dengan
Keadaan lampu off (mati), menslide sensor sepanjang meteran. Mencatat pembacaan
millimetervolt setiap interval 10cm.
3.
Menghidupkan power supply untuk menyinari lampu. Menyetel tegangan pada 10V.
4.
Mengatur jarak antara sensor dan lampu.
D. Hukum Stefan-Boltzman pada Suhu Tinggi
1.
Mengukur suhu kamar (Tref) dalam Kelvin sebelum menghidupkan lampu,
dan Rref yaitu tahanan
filament lampu Stefan-Boltzman pda suhu kamar. Mencatat hasilnya.
2.
Menyetel peralatan. Menyambungkan langsung dengan kutub lampu Stefan Boltzman.
Membuat sensor sama tinggi dengan filamen lampu dengan jarak sekitar 6cm.
3.
Menghidupkan power supply. Men set tegangan pada 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, dan
12 volt. Mencatat arus dan radiasi millivolt.
Seketsa Alat
IV.
DATA PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN
DATA PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN
A.
Data Percobaan
Dari percobaan yang
telah dilakukan, diperoleh data seperti pada Tabel berikut:
Tabel 4.1 Pengukuran pada power setting 5
|
Permuukaan Pembacaan Sensor (mvolt) Temperatur °C
|
Hitam 1,70000 61,0000
Putih
1,8000 61,0000
Aluminium terpolis 0,4000 61,0000
Aluminium
dull 0,8000 61,0000
Tabel 4.2 Pengukuran pada power setting 7
|
Permuukaan Pembacaan Sensor (mvolt) Temperatur °C
|
Hitam 2,9000 100,0000
Putih 2,9000 100,0000
Aluminium terpolis 0,4000 100,0000
Aluminium
dull
1,4000 100,0000
Tabel 4.3 Pengukuran pada power setting 8
|
Permuukaan
Pembacaan Sensor (mvolt)
Temperatur °C
|
Hitam 3,7000 109,9000
Putih 3,6000 109,9000
Aluminium terpolis 0,4000 109,9000
Aluminium
dull 1,7000
109,9000
Tabel 4.4
Pengukuran pada power setting 9
|
Permuukaan
Pembacaan Sensor (mvolt)
Temperatur °C
|
Hitam 4,1000 112,7000
Putih 3,9000 112,7000
Aluminium terpolis 0,4000 112,7000
Aluminium
dull 1,9000 112,7000
Tabel 4.5 Data dan perhitungan
pembacaan sensor
|
V (volt)
|
I (ampere)
|
Radiasi (mv)
|
R(mohm)
|
T (K)
|
x
|
5 3 0,1000 0,33 26,9816 0,0053
6 3 0,3000 0,67 36,4232 0,0176
7 3 0,4000 1 38,9008 0,0229
8 3
0,6000 1,33 43,3454 0,0353
9 3
1,1000 1,67 50,1790 0,0634
10 3
1,5000 2 54,4963 0,0882
11 3
2,1000 2,33 59,2811 0,1235
A.
Pembahasan
Dalam
praktikum ini, percobaan yang di lakukan adalah pendahuluan radiasi termal.
Percobaan ini dilakukan bertujuan agar dapat mengamati
radiasi termal yang dipancarkan dari
sisi kubus radiasi termal yang berbeda pada suhu yang sama serta dapat menentukan grafik hubungan suhu terhadap radiasi yang
terpancar. Radiasi
termal adalah radiasi yang dipancarkan dari suatu material karna bahan ataupun
material itu. Pada dasarnya intesitas dan distribusi energi radiasi termal ini
di atur oleh suhu dari setiap permukaan. Radiasi termal dihasilkan ketika
energi panas dari pergerakan elektron dan proton di ubah menjadi rasiasi
elektron. Secara umum radiasi di definisikan sebagai transfer energi oleh
gelombang elektromagnetik. Dalam radiasi termal, dikenal juga istilah black
body (benda hitam) yaitu suatu benda yang memiliki kemampuan mengabsorbsi
radiasi yang mengenainya secara sempurna. Benda hitam dimodelkan sebagai suatu
rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk ke
dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan berulang-ulang
oleh dinding dalam rongga sehingga terserap habis energinya. Tidak ada radiasi
yang terpantul memancarkan keluar lubang karena lubang sangat kecil. Jadi,
rongga berlubang kecil ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat
menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini
memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga. Dengan demikian,
rongga juga akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya. Dalam fisika,
benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh
radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau
dipantulkannya.
Namun
demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga
memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin, karena hanya dari
sinilah energi benda itu dapat diukur.Meskipun namanya benda hitam, dia
tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi. Jumlah dan
jenis radiasi yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut.
Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 Kelvin hampir semua energinya
dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang
gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak energi yang
dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning
dan putih.Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh
Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda
hitam disebut radiasi benda hitam.Permukaan benda hitam merupakan permukaan
yang memiliki sifat sebagai pemancar atau penyerap radiasi yang sangat baik.
Jika suhu permukaannya tinggi dibandingkan lingkungan sekitarnya, akan bersifat
memancarkan radiasi. Akan tetapi, jika suhunya rendah, akan bersifat sebagai
penyerap radiasi.
Benda
hitam merupakan suatu sistem yang dapat menyerap semua radiasi kalor yang
mengenai benda tersebut. Tetapi sebenarnya didalam kehidupan ini tidak ada
benda hitam sempurna, sepeti definisi diatas. Namun, benda hitam dapat
diasumsikan sebagai lubang kecil yang terdapat pada benda yang berongga. Hal tersebut dapat di aplikasikan pada
materi efek rumah kaca, dimana secara alamiah sinar matahari yang masuk ke
bumi, sebagian akan dipantulkan kembali oleh permukaan bumi ke angkasa.
Sebagian sinar matahari yang dipantulkan itu akan diserap oleh gas-gas di
atmosfer yang menyelimuti bumi disebut gas rumah kaca, sehingga sinar tersebut
terperangkap dalam bumi. Peristiwa ini dikenal dengan efek rumah kaca (ERK), dimana
panas yang masuk akan terperangkap di dalamnya, tidak dapat menembus ke luar
kaca, sehingga dapat menghangatkan seisi rumah kaca tersebut. Efek Rumah Kaca
Peristiwa alam ini menyebabkan bumi menjadi hangat dan layak ditempati manusia,
karena jika tidak ada ERK maka suhu permukaan bumi akan 33 Celcius
lebih dingin.
Gas
Rumah Kaca (GRK) yang berada di atmosfer dihasilkan dari berbagai kegiatan
manusia terutama yang berhubungan dengan pembakaran bahan bakar fosil (minyak,
gas, dan batubara) seperti pada pembangkitan tenaga listrik, kendaraan
bermotor, AC, komputer, memasak. Selain itu GRK juga dihasilkan dari pembakaran
dan penggundulan hutan serta aktivitas pertanian dan peternakan. GRK yang
dihasilkan dari kegiatan tersebut, seperti karbondioksida, metana, dan
nitroksida, menyebabkan meningkatnya konsentrasi GRK di atmosfer.Berubahnya
komposisi GRK di atmosfer, yaitu meningkatnya konsentrasi GRK secara global
akibat kegiatan manusia menyebabkan sinar matahari yang dipantulkan kembali
oleh permukaan bumi ke angkasa, sebagian besar terperangkap di dalam bumi
akibat terhambat oleh GRK tersebut. Meningkatnya jumlah emisi GRK di atmosfer
pada akhirnya menyebabkan meningkatnya suhu rata-rata permukaan bumi, yang
kemudian dikenal dengan Pemanasan Global. Sinar matahari yang tidak terserap
permukaan bumi akan dipantulkan kembali dari permukaan bumi ke angkasa. Setelah
dipantulkan kembali berubah menjadi gelombang panjang yang berupa energi panas.
Namun sebagian dari energi panas tersebut tidak dapat menembus kembali atau
lolos keluar ke angkasa, karena lapisan gas-gas atmosfer sudah terganggu
komposisinya. Akibatnya energi panas yang seharusnya lepas ke angkasa (stratosfer)
menjadi terpancar kembali ke permukaan bumi (troposfer) atau adanya energi
panas tambahan kembali lagi ke bumi dalam kurun waktu yang cukup lama, sehingga
lebih dari dari kondisi normal, inilah efek rumah kaca berlebihan karena
komposisi lapisan gas rumah kaca di atmosfer terganggu, akibatnya memicu
naiknya suhu rata-rata dipermukaan bumi maka terjadilah pemanasan global.
Hukum
Stefan-Boltzmann Intensitas Radiasi Benda Hitam Energi radiasi setiap detik per
satuan luas disebut sebagai intensitas radiasi yang diberi lambang I. Kemampuan
sebuah benda untuk menyerap radiasi kalor berkaitan dengan kemampuannya untuk
memancarkan radiasi. Benda hitam merupakan penyerap dan pemancar radiasi
terbaik. Energi persatuan luas dan persatuan waktu atau intensitas radiasi
total yang dipancarkan oleh benda hitam dari seluruh spektrum energi yang
dipancarkan dapat dinyatakan dengan hukum Stefan-Boltzmann, yang dituliskan
sebagai berikut.
I
= e.σ.T4…………………………………………………………………………….(1) Dengan e adalah koefisien emisivitas
yang memiliki nilai antara 0 dan 1. Untuk benda hitam sempurna, e = 1. Adapun σ
adalah tetapan Stefan-Boltzmann besarnya 5,67 x 10-8 Wm-2K-4 dan T adalah suhu
mutlak benda dalam satuan kelvin (K).
Dari
persamaan (1) dapat ditentukan satuan intensitas radiasi (I) adalah watt
meter-2 (Wm-2). Nilai emisivitas (e) berbeda-beda untuk tiap jenis dan keadaan
permukaan bahan. Dengan demikian, intensitas radiasi termal bahan yang berbeda
pada temperatur yang sama akan berbeda pula. Sebagai contoh, misalnya intensitas
radiasi pada tempetatur 2000 K untuk permukaan datar halus bahan Tungsten
adalah 23,5 W/cm2. Sedangkan untuk Molibdenum, intensitas radiasinya 19,2
W/cm2. Intensitas radiasi ini makin besar jika keadaan permukaan semakin kasar.
Energi
radiasi benda hitam jika luas seluruh permukaan benda diketahui, energi per-satuan
waktu atau daya yang dipancarkan oleh benda tersebut dapat dihitung dengan
persamaan berikut.
P
= I A = e σ T4 A……………………………………......……………………………..(2) A adalah luas permukaan
benda dengan satuan m². Dari persamaan (2) dapat ditentukan bahwa daya P yang
dipancarkan memiliki satuan watt (W). Jadi, energi total yang dihasilkan oleh
permukaan benda hitam dalam selang waktu t sekon menjadi
W
= P t = e σ T4 A t…………………………………….......…………………...…(3) Energi total W yang
dipancarkan benda memiliki satuan watt sekon atau joule. Jika diketahui suhu
benda T dan suhu lingkungan T0, benda akan memancarkan radiasi kalor.
Sebaliknya besarnya radiasi kalor yang dipancarkan atau yang diserap oleh benda
terhadap lingkungannya lingkungannya akan memenuhi persamaan berikut:
I
= e σ (T4-T04)…………………………………...........................….……………….(4) Jika suhu
benda T lebih besar daripada suhu lingkungan T0, benda akan memancarkan radiasi
kalor. Sebaliknya, jika suhu benda T lebih kecil daripada suhu lingkungan T0,
benda akan menyerap radiasi kalor.b. Pergeseran Wien dengan meninjau kembali
sebuah lubang pada kotak berongga yang diasumsikan sebagai benda hitam. Jika
kotak dipanaskan, atom-atom pada dinding kotak akan menyerap energi panas dan
bergetar. Atom-atom yang bergetar ini akan berlaku sebagai osilator harmonik
yang menimbulkan gelombang elektromagnetik. Setiap gelombang yang ditimbulkan
oleh osilator akan dipantulkan bolak-balik oleh dinding kotak dan membentuk
gelombang berdiri. Kejadian ini hampir sama dengan proses terbentuknya
gelombang berdiri pada tali yang digetarkan. Suatu gelombang elektromagnetik
terdiri atas spektrum gelombang-gelombang dengan panjang gelombang yang
berbeda-beda. Para fisikawan meneliti intensitas radiasi untuk panjang
gelombang tertentu. Alat yang digunakan dalam percobaan tersebut didasarkan
pada prinsip penguraian cahaya (dispersi) oleh prisma menjadi spektrumnya.
Ketika
temperatur berkurang, puncak dari kurva radiasi benda hitam bergerak ke
intensitas yang lebih rendah danpanjang gelombang yang lebih panjang. Grafik
radiasi benda hitam ini dibandingkan dengan model klasik dari Rayleigh dan
Jeans.
Dalam
percobaan pendahuluan radiasi termal ini, dilakukan beberapa percobaan
diantaranya adalah percobaan Kecepatan radiasi dari permukaan yang berbeda,
absorbsi dan transmisi radiasi termal, inversi hukum kuadrat dan Hukum Stefan Boltzman
pada suhu tinggi. Tetapi pada praktikum kali ini percobaan yang di lakukan
hanya percobaan kecepatan radiasi dari permukaan yang berbeda dan hukum Stefan
Boltzman pada suhu tinggi. Dalam percobaan untuk membuktikan kecepatan radiasi
dari permukaan yang berbeda ini kita memakai kubus radiasi termal atau Leslie’s
Cube. Menggunakan Pasco Thermal Radiation sistem terdiri dari TD 8553 Radiation
Sensor. Di dalam sensor radiasi terdapat thermopile
yang menghasilkan tegangan yang sebanding dengan intesitas radiasi. Kotak
radiasi Leslie menyediakan empat permukaan diantaranya hitam, putih, aluminium
yang permukaannya mengkilat (dull) dan tidak mengkilat (terpolis). Temperatur
ruang pada hukum Stefan-Boltzmann bertemperatur rendah dapat diabaikan. Namun
pada temperatur yang relatif tinggi, temperatur ruang tidak dapat diabaikan.
Hukum Stefan-Boltzman menerangkan bahwa energi radiasi benda per satuan luas
per satuan waktu atau rapat fluks energi benda sebanding dengan temperatur
mutlak benda pangkat empat. Radiasi benda diukur dari sebuah objek yaitu kotak
radiasi Leslie dengan variasi temperatur. Hukum Stefan-Boltzmann dapat
dibuktikan dengan cara mengukur temperatur suatu benda yang meradiasi dan rapat
fluks energi radiasi benda tersebut dan diperoleh koefisien regresi fungsi
linier sebesar 1. Pada percobaan ini dilakukan beberapa tahapan, yang pertama
menghidupkan saklar yang menghubungkan antara sumber tegangan dan kotak
radiasi, setelah kotak radiasi hidup, hubungkan termokopel ke kotak radiasi
yang mana termokopel ini berfungsi untuk mengukur suhu di dalam kotak radiasi tersebut.
Selanjutnya tunggu hingga beberapa saat hingga suhu di dalam kotak radiasi
sudah cukup stabil. Setelah suhu pada kotak radiasi sudah cukup stabil,
tempelkan sensor radiasi pada setiap
sisi dari kotak radiasi lalu mencatat hasil pengukuran yang di tunjukan pada
layar lcd. Percobaan ini di lakukan sebanyak empat kali pengulangan dengan
pengaturan switch yang berbeda yaitu sebesar 5, 7, 8, dan 9 Volt pada kotak
radiasi, dimana setiap perubahan pengaturan switch kotak radiasi harus
didinginkan terlebih dahulu tujuannya agar suhu sebelumnya tidak mempengaruhi
hasil dari pengukuran selanjutnya pada kotak radiasi.
Pada
percobaan menghitung kecepatan radiasi dari ke-empat sisi kubus ini kita melakukan empat kali pengulangan
dalam suhu yang berbeda yaitu 61°C, 100°C, 109,9°C, dan 112,7°C.
Nilai
keterpancaran permukaan hitam, putih, aluminium yang permukaannya mengkilat (dull)
dan tidak mengkilat (terpolis) berturut-turut adalah 1,7000 ; 1,8000 ; 0,8000 ;
0,4000 (pada suhu 61° C). Dari
hasil tersebut terlihat permukaan hitam nilai pembacaan sensor lebih besar dari
permukaan yang putih, sedangkan untuk aluminium terpolis nilai pembacaan sensor
lebih kecil dari pada nilai aluminium dull.
Untuk
suhu sebesar 100°C nilai pembacaan sensor keempat permukaan dari hitam, putih,
aluminium terpolis, dan aluminium dull berturut-turut adalah 2,9000 ; 2,9000 ;
0,4000 ; dan 1,4000. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa nilai pada
pembacaan sensor untuk permukaan putih sama dengan permukaan hitam sedangkan
untuk nilai aluminium terpolis lebih kecil daripada nilai aluinium dull.
Untuk
suhu sebesar 109,9°C nilai pembacaan sensor keempat permukan dari hitam, putih,
aluminium terpolis, dan aluminium dull berturut-turut adalah 3,7000 ; 3,6000 ;
0,4000 ; dan 1,7000. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa nilai pada
pembacaan sensor untuk permukaan putih lebih kecil dari permukaan hitam
sedangkan untuk nilai aluminium terpolis lebih kecil dari pada nilai aluminium
dull.
Untuk
suhu sebesar 112,7°C nilai pembacaan
sensor keempat permukan dari hitam, putih, aluminium terpolis, dan aluminium
dull berturut-turut adalah 4,1000
; 3,9000 ; 0,4000 ; dan 1,9000. Dari hasil
tersebut dapat dilihat bahwa nilai pada pembacaan sensor untuk permukaan putih lebih
besar dari permukaan hitam sedangkan untuk nilai aluminium terpolis lebih kecil
dari pada
nilai aluinium dull.
Namun, dari keempat percobaan meskipun dengan suhu yang
berbeda nilai tegangan pada pembacaan sensor untuk aluminium terpolis
keempat-empatnya benilai sama yaitu 0,4000 mVolt.
Jika
kita lihat dari hasil pengukuran dari sensor radiasi ternyata permukaan kubus
radiasi yang berwarna hitam memiliki nilai pengukuran tertinggi untuk
radiasinya dibandingkan dengan permukaan yang lain. Hasil ini sesuai dengan
teori yang ada dimana suatu benda hitam memiliki kemampuan mengabsorpsi secara
sempurna suatu pancaran radiasi yang mengenai permukaannya. Selain itu, sifat
penyerapan suatu benda bergantung pada krakteristik permukaannya dan panjang
gelombang radiasi yang mengenainya. Hal tersebut memengaruhi besar kecilnya
radiasi yang dihasilkan.
Selanjutnya
adalah percobaan Hukum Stefan Boltzman pada suhu tinggi dimana percobaan ini
menggunakan lampu Stefan Boltzman yang di hubungkan dengan sumber tegangan
maksimal 13 volt. Pada percobaan kali ini lampu Stefan Boltzman diberi tegangan
dari 5 sampai 11 volt dan selanjutnya di ukur besar radiasi yang di hasilkan
dari lampu Stefan Boltzman. Dari percobaan yang telah dilakukan doperoleh nilai
radiasi 0,1000 mV sampai 2,1000 mV dan setelah dilakukan perhitungan, diperoleh
nilai suhu sebesar sampai untuk suhu pangkat empat. Radiasi yang di
peroleh dari percobaan ini dipengaruhi oleh besar tegangan yang di berikan pada
lampu Stefan Boltzman karna akan memengaruhi suhu pada lampu. Semakin besar
tegangannya maka semakin terang nyala lampu Stefan Boltzman yang dipancarkan
dan semakin kecil tegangan yang diberikan pada lampu maka akan semakin kecil
radiasi yang dipancarkan lampu tersebut.
Hasil grafik 4.1 di atas menunjukkan
nilai regresi linier yang sangat sempurna antara fungsi tahanan terhadap suhu
mutlaknya sebesar 1. Jadi praktikum Pendahuluan Radiasi Termal untuk
membuktikan hukum Stefan Boltzman pada suhu tinggi regresi linier grafik
radiasi versus T benar-benar linier pada semua range pengukuran.
IV.
KESIMPULAN
KESIMPULAN
Dari percobaan
yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1.
Semakin gelap warna
suatu permukaan benda maka semakin besar radiasi yang dipancarkan, serta
semakin terang warna suatu permukaan benda maka akan semakin kecil radiasi yang
dipancarkan.
2.
Semakin besar tegangan power
switch yang diberikan maka akan semakin besar hasil pancaran radiasinya,
kemudian jika semakin kecil power switch maka akan semakin kecil pula pancaran
radiasinya.
3.
Apabila pancaran
radiasi bernilai besar maka semakin tinggi nilai suhunya, dan ketika pancaran
radiasi bernilai kecil maka akan semakin kecil juga nilai suhunya.
4.
Benda yang berwarna
hitam memancarkan seluruh panjang gelombang energy yang mungkin terjadi
5.
Suhu awal pada kubus
termal radiasi akan memengaruhi suhu akhir ataupun hasil pengukuran jika tidak
didinginkan terlebih dahulu.
6.
Semakin besar tegangan
yang diberikan pada lampu maka akan semakin besar radiasi yang dipancarkan
lampu tersebut dan semakin kecil tegangan yang diberikan pada lampu maka akan
semakin kecil radiasi yang dipancarkan lampu tersebut.
7.
Semakin besar R(ohm)
maka akan semakin besar juga pancaran radiasinya dan semakin kecil R(ohm) maka
akan semakin kecil juga pancaran radiasinya.
8.
Semakin besar pancaran
radiasi maka semakin tinggi juga nilai suhunya dan semakin kecil pancaran
radiasi maka akan semakin kecil juga nilai suhunya.
9.
Grafik regresi linier
benar-benar menunjukkan linieritas pada semua range radiasi terhadap suhu
mutlaknya.
Post a Comment