from bottom to the top: makalah RADIASI BENDA HITAM

makalah RADIASI BENDA HITAM

16.39 | By Rayyan

MAKALAH

RADIASI BENDA HITAM

ABSTRAK

Radiasi atau sinaran merupakan perpindahan kalor melalui fenomena gelombang elektromagnetik yang digunakan untuk berbagai proses. Radiasi erat hubungannya dengan daya serap dan daya daya pancar gelombang radiasi yang biasa disebut dengan emisivitas. Rumusan mengenai emisivitas telah dijelaskan oleh Steven Boltzman.Percobaan dilakukan dua kali percobaan,percobaan pertama tentang menentukan hambatan wolfram pada suhu kamar dan kedua membuktikan hukum Steffan-Boltzmann. Alat ynag digunakan dalam percobaan yaitu lampu wolfram,voltmeter ac,voltmeter dc, amperemeter ac, termopile,dimer,kabel penghubung, amplifier.

Kata kunci : radiasi benda hitam, sumber radiasi, emisivitas, absorbsi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

1.2 TINJAUAN PUSTAKA

Panas (kalor) dari matahari sampai ke bumi melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan ini disebut radiasi, yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas (thermal radiation).

Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bahkan sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian kubus es ini tak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, badan manusia pun memancarkan radiasi panas dalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat dalam ruang gelap.

Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umunya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang dating padanya, bukan karena ia memacarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah sepeti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putih atau pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spectrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda (lihat gambar di bawah ini).

Secara umum bentuk terinci dari spectrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spectra panas dengan kalor yang universal. Benda ini disebut benda hitam (black body). Benda hitam adalah suatu benda yang permukannnya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang dactang padanya (tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam). Dari pengamatan diperoleh bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memancarkan radiasi dengan spektrum yang sama.

Tidak ada benda yang hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam. Seperti ditunjukkan pada Gambar 8.2, walaupun permukaan dalam kotak dicat putih (Gambar 8.3a)tetapi ketika kotak ditutup, lubang kotak tampak hitam pada siang hari (Gambar 8.3b). Mengapa demikian? Ketika radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, radiasi dipantulkan berulang–ulang (beberapa kali) oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hamoir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa (semua radiasi telah diserap di dalam kotak) dengan kata lain , lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang datang padanya akibatnya benda tampak hitam.

(8.1)

Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f , frekuensi cahaya, dan T, suhu mutlak benda. Persaman (8-1) menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung hanya pada suhu dan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda hitam, dan ini sesuai dengan hasil pengamatan. 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, Itotal (intensitas radiasi total), adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu, bentuk persamaan empiris hukum Stefan ditulis sebagai

(8.2)

dengan Itotal adalah intensitas (daya persatuan luas) radiasi pada permukaan benda hitam pada esmua frekuensi, Rf adalah intensitas radiasi persatuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam, T adalah suhu mutalak benda, dan adalah tetapan Stefan-Boltzmann, yaitu = 5,67 × 10-8 W m-2 K-4. untuk benda panas yang bukan benda hitam akan memenuhi hukum yang sama hanya diberi tambahan koefisien emisivitas, e, yang lebih kecil dari 1:

(8.3)

ingat Itotal = P/A, sehingga persamaan (8-3) juga dapat ditulis sebagai

(8.4)

Dengan P adalah daya radiasi (watt = W) dan A adalah luas permukan benda (m). Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan hukum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Karena itu persamaan (8-3) dikenal juga sebagai hukum Stefan-Boltzmann.

(marfuatunnurendah.blog.uns.ac.id,2010)

Pergeseran Wien

Jika suatu benda dipanaskan maka bendaakan memancarkan radiasi kalor, pada suhu rendah radiasi gelombang elektromagnet yang dipancarkan intensitasnya rendah, pada suhu yang lebih tinggi dipancarkan sinar inframerah walaupun tidak terlihat tetapi dapat kita rasakan panasnya, pada suhu lebih tingi lagi benda mulai berpijar merah ( ± 1000⁰ C ), dan berwarna kuning keputih-putihan pada suhu ± 2000⁰ C. Dalam hal ini jika suhu benda dinaikkan puncak intensitas dari spektrum cahaya yang dipancarkan mempunyai satu nilai maksimum pada panjang gelombangyang dinamakan l_maks,danpanjang gelombang maksimum itu bergeser ke daerah yang frekwensinya lebih tinggi

Hubungan panjang gelombang l_maks dan suhu benda T oleh Wien dinyatakan dengan persamaan

l_maks = C / T

l_maks T = C

T = suhu mutlak benda hitam

C = tetapan pergeseran Wien

= 2,90 x 10^-3 m K

D. Intensitas Radiasi Benda Hitam

Ketika benda berongga dipanaskan , elektron elektron dan molekul pada dinding berongga akan mendapatkan tambahan energi sehingga bergerak dipercepat, menurut Teori Maxwell muatan-muatan yang dipercepat akan memancarkan radiasi gelombang elektromagnetik. Teori klasik dapat menerangkan asal dari radiasi kalor, tetapitidak dapat menerangkan spektrum radiasi benda hitam, Dua buah grafik berdasarkan teori kalsik yang menyatakan hubungan antaraintensitas radiasi kalor dan panjang gelombang diuslkan oleh formulasi Wien dan formulasi Raleigh-Jeans tidak sesuai dengan data percobaan . lihat grafik dibawah

Grafik menunjukkan perbandingan antara teori Wien, Rayleigh- Jeans, dan Planck yang sesuai data percobaan Tampak bahwa grafik Wien dan Rayleigh- Jeans tidak sesuai dengan data percobaan. Teori Wien untuk spektrum radiasi benda hitam yang mempunyai panjang gelombang yang pendek dan menyimpang pada panjang gelombang panjang. Teori Rayleigh- Jeans sesuai untuk spektrum radiasi benda hitam yang mempunyai panjang gelombang yang panjang dan menyimpang pada panjang gelombang pendek.

Teori Planck

Max Planck Pada tahun 1900 menemukan formulasiuntuk menerangkan grafik spektrum radiasi benda hitam benatuk kurva I terhadap fungsi panjang gelombang l adalah

I = h = tetapan Planck = 6,63 x 10^-34 Js

Hasil formulasi Planck sangat sesuai dengan data hasil percobaan dengan membuat suatu anggapan baru mengenai sifat dasar dari getaran molekul dalam dinding dinding rongga benda hitam yaitu :

Getaran molekul yag memancarkan radiasi hanya dapat memilki satuan diskret dari energi E_n yang dinyatalan E_n = n h f

n = bilangan kuantum ( 1,2,3 dst )

f = frekwensi

Energi dari molekul-molekul terkuantisasi dan keadaan energi yang diperbolehkan dinamakan tingkat energi

Molekul-molekul memancarkan dan menyerap energi dalam satun diskret dari energi cahaya dan disebut kuantum atau foton. Jika molekul melompat dari tingkat energi rendah ke tinggi maka akan mnyerap energi dan sebaliknya jika molekul berpindah dari energi tinggi ke rendah akan dipancarkan energi, untuk perpindahan satu satuan energi yang dipancarkan / diserap sama dengan hf

(finoq3a.blogspot.com,2009)

BAB II

METODOLOGI PENELITIAN

2.1 ALAT DAN BAHAN

· Sumber radiasi (Lampu Wolfram, 25 W 220 V) 1buah

· Pengatur tegangan (dimmer) 1buah

· Voltmeter AC 1buah

· Amperemeter AC 1buah

· Termopile 1buah

· Voltmeter DC 1buah

· Kabel-kabel penghubung 1buah

· Amplifier 1buah

2.2 GAMBAR RANGKAIAN ALAT

2.3 CARA KERJA

· Alat dirangkai seperti pada gambar di atas

· Percobaan pertama lampu wolfram dalam keadaan mati sampai hampir terang

· Dimer diatur sehingga akan diperoleh nilai tegangan voltmeter ac yang telah sesuai keinginan dan nilai arus juga akan diperoleh dari amperemeter ac.

· Diamati dan dicatat nilai tegangan yang diatur dan arus yang tertera ada voltmeter ac dan amperemeter ac.

· Dicari nilai hambatan wolfram pada suhu kamar dengan data yang sudah diperoleh

· Percobaan kedua lampu wolfram dalam keadaan hidup sampai mati

· Dimer diatur sehingga akan diperoleh nilai tegangan voltmeter ac yang telah sesuai keinginan dan nilai arus juga akan diperoleh dari amperemeter ac.

· Diamati dan dicatat nilai tegangan yang diatur dan arus yang tertera ada voltmeter ac dan amperemeter ac.

· Dicari nilai hambatan wolfram pada suhu kamar dengan data yang sudah diperoleh

BAB III

DATA DAN PEMBAHASAN

3.1 DATA PERCOBAAN

A. Menentukan Hambatan Wolfram Pada Suhu Kamar

Vac (volt)	Iac (A)
2.3	0.2
7.5	0.3
8.5	0.3
10.4	0.4

B. Membuktikan Hukum Steffan-Boltzmann

Vac (volt)	Iac (A)	Vtdc (volt)
205	2.3	3.8
195	2.3	3.1
185	2.2	2.9
175	2.1	2.7
165	2/0	2.6
155	1.9	2.5
145	1.8	2.2
135	1.7	1.9
125	1.6	1.8
115	1.5	1.6
105	1.4	1.2
95	1.3	1.1
85	1.3	0.9
75	1.2	0.8
65	1.0	0.4
55	1.0	0.3
45	0.9	0.2
35	0.7	0.1
25	0.6	0.03
15	0.5	0.04
5	0.3	0.05

3.2 ANALISA

PadapercobaaninimemilkijudulRadiasi Benda HitamPercobaanSteffan-Boltzmann, percobaaninimemilikitujuanyaitu, membuktikanHukumSteffan Boltzmann danmenentukanbesarhambatan yang dipakaidalamrangkaian

Alatdanbahan yang digunakandalampercobaaniniantaralain, voltmeter AC, milivoltmeter DC, amperemeter AC, thermopile, lampu wolfram, dimmer, amplifier, danbeberapakabelpenghubung. Voltmeter AC yang befungsiuntukmengukurbesartegangan AC darirangkaian, milivoltmeter DC berfungsiuntukmengukurbesarnyategangan DC dalamsatuan millivolt, amperemeter AC untukmengukurarus AC, thermopile sebagaipengubah energy panas (kalor) menjadi energy listrik, lampu wolfram sebagaisumberradiasi, dimmer untukmengaturbesarkecilnyateganganpadarangkaian, amplifier adalahuntukpenguattegangan yang keluardari thermopile, danbeberapakabelpenghubung yang berfungsiuntukmenghubungkankomponenalatdanbahan yang digunakan.

PrinsipkerjadalampercobaanRadiasi Benda Hitaminiadalahlampu wolfram yang menyalamemilikisuhutinggi yang kemudianmemancarkanpanassertacahaya, namunhanya energy panas yang dihasilkanolehlamputersebutyang kemudianakandiserapoleh thermopile yang terletak di sampinglampu wolfram. Panas yang diseraptersebutakandiubahmenjadipulsapulsalistrik yang sangatkecil yang kemudianakandikuatkandenganmenggunakan amplifier. Besarnyategangan yang dihasilkantersebutdapatdilihatdarimilivoltmeter DC yang terpasangpadarangkaian.

Praktikum kali initediridari 2 macampecobaan.Percobaanpertamayaituuntukmenentukanhambatanawallampuwalfram 25W,220Vpadasuhukamar (270C atau 300K). Amperemeterdisusundandipasangsecaraserisedangkan voltmeter disusundandipasangsecaraparalel. Dari data yang diperoleh 5variasi data yang diambil. Denganmemutar-mutar dimmer didapatkanbesararussaat 0,002A adalahsebesar 2.3V.Percobaandilakukandarilampumatihinggalampumulaiberpijar (menyala) dansaatlampumulaiberpijararus yang terukuradalah 0.004A dantegangannyasebesar 10.4V.Untukmenghitungataumencarinilaihambatanawallampuwalframdapatdigunakanpersamaan :

dimana

= 4,8x10^-3/k , t = 27⁰C = 300K

Dan dari perhitungan didapatkan hambatan awal lampu walfram sebesar:(9306.694±3115.421)W.

Untuk percobaan kedua yaitu menentukan hukum steffan boltzman. Kita mengetahui bahwa semua benda yang memiliki suhu diatas 0 kelvin akan meradiasikan gelombang elektromagnetik. Hukum steffan boltzman menyatakan tentang radiasi sebuah benda bahwa rapat fluks energi (energi radiasi benda per satuan luas per satuan waktu atau E/luas waktu) dari sebuah benda adalah sebanding dengan pangkat 4 suhu mutlak benda. Setelah merangkai alat, hal selanjutnya yang dilakukan adalah mengambil data dengan memutar dimmer dari voltase paling tinggi (lampu menyala terang) sampai voltase paling rendah (lampu mati). Kemudian data yang diambil yaitu V_DC(tegangan pada termopile) , I_AC, V_AC. Dari data yang didapat diambil 12 variasi data. Hal ini karena pada data ke-13 tidak ada tegangan pada lampu atau tegangannya sampai benilai negatif sehingga data yang terakhir adalah data yang ke-12 dimana pada saat data tersebut lampu walfram sudah mati atau padam.

Pada percobaan yang kedua ini kita dapat menyimpulkan tegangan yang masuk pada lampu atau energi dari lampu akan menyebar kesegala arah, pada arah tertentu akan diterima oleh termopile. Termopile akan mengubah energi panas menjadi tegangan listrik V maka dapat dituliskan persamaan sebagai berikut

Ф ∞ V ∞T⁴ ……(1) atau V ∞T⁴ ……(2)

Persamaan 2 berlaku jika suhu termopile adalah 0Kelvin, sehingga badan termopile tidak mengeluarkan radiasi. Jika benda pada suhu tertentu (t) termopile juga akan mengeluarkan radiasi maka V= T⁴ - T’_tp . Jadi dapat dibuktikan dari data bahwa Hukum Steffan Boltzman yaitu antara tegangan dan suhu adalah berbanding lurus.

Dari data dibuatpersamaan log t dan log Vt, log t sebagai variable bebasdan log Vtsebagai variable terikat.Sehinggadidapatkansebuahgrafik yang memilikipersamaansebagaiberikut:

y=mx+c

darigrafikdidapatkannilaipersamaansebagaiberikut:

y = 3.6287x - 11.643

nilai m daripercobaanmenunjukannilaikonstanta Stefan boltzman yang manamenurut literature sertajurnalmemilikinilai 4 sedangkanpadapercobaan kali inididapatkanmemilikinilai m sebesar 3.6287 yang manamemilikinilai yang berbedadengan literature.

Perbedaannilai m inimungkindisebabkanolehkesalahanparalaks yang terjadipadasaatpengambilan data.Kesalahantersebutantara lain:

1. kurangstabilnyanilaitegangan, arus yang terukurtidakstabilsehinggaketikapengambilan data kurangsempurnapembacaannya.

2. Tegangan yang digunakantidakstabil,sehinggamempengaruhiterangredupnyalalampusebagaisumberradiasi yang digunakan.

BAB IV

PENUTUP

4.1 KESIMPULAN

· Dari perhitungan percobaan pertama diperoleh nilai hambatan wolfram sebesar (9306.694 ± 3115.421)W

· Dari perhitungan percobaan kedua diperoleh nilai steffan-boltzmann sebesar

3.6287

4.2 DAFTAR PUSTAKA

Perhitungan

- Percobaan 1

V ac (V)	I (mA)	Rt (W)	Rt-
2.3	0.2	11500	-11208.3	125626661.4
7.5	0.3	25000	2291.67	5251751.389
8.5	0.3	28333.33	5625.003	31640662.5
10.4	0.4	26000	3291.67	10835091.39
		22708.33		173354166.7

Ro=

DRt =

DRo =

=9306.694W = 7601.626289 W =3115.42061W

Kr=

= 33.5%

Ketelitian = 100%-Kr

= 100%-33.5%

= 66.5%

HasilAkhir = (Ro±DRo)

= (9306.694±3115.421)W

- Percobaan kedua

NO	Vac (V)	I (mA)	Vt (V)	Rt (W)	t	log t	log Vt
1	205	2.3	3.8	89130.43	2059.594	3.31378166	0.579784
2	195	2.3	3.1	84782.61	1962.282	3.292761483	0.491362
3	185	2.2	2.9	84090.91	1946.801	3.289321526	0.462398
4	175	2.1	2.7	83333.33	1929.845	3.285522425	0.431364
5	165	2	2.6	82500	1911.194	3.281304667	0.414973
6	155	1.9	2.5	81578.95	1890.579	3.276594777	0.39794
7	145	1.8	2.2	80555.56	1867.673	3.271300953	0.342423
8	135	1.7	1.9	79411.76	1842.073	3.265306944	0.278754
9	125	1.6	1.8	78125	1813.273	3.258463296	0.255273
10	115	1.5	1.6	76666.67	1780.633	3.250574511	0.20412
11	105	1.4	1.2	75000	1743.33	3.241379724	0.079181
12	95	1.3	1.1	73076.92	1700.289	3.230522662	0.041393
13	85	1.3	0.9	65384.62	1528.121	3.184157871	-0.04576
14	75	1.2	0.8	62500	1463.559	3.165410156	-0.09691
15	65	1	0.4	65000	1519.513	3.181704444	-0.39794
16	55	1	0.3	55000	1295.696	3.112503013	-0.52288
17	45	0.9	0.2	50000	1183.787	3.073273562	-0.69897
18	35	0.7	0.1	50000	1183.787	3.073273562	-1
19	25	0.6	0.03	41666.67	997.2725	2.998813839	-1.52288
20	15	0.5	0.04	30000	736.1522	2.86696761	-1.39794
21	5	0.3	0.05	16666.67	437.729	2.641205316	-1.30103