Radiasi Benda Hitam | Fisika Kelas 12

Apa itu Benda Hitam?

gambar: benda hitam

Benda hitam merupakan sebutan untuk benda yang menyerap seluruh radiasi termal yang diterima, dengan tidak memantulkan cahaya dan tidak memungkinkan cahaya apapun untuk melewati atau keluar dari sisi manapun. Istilah benda hitam diperkenalkan pertama kali oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862.

Mengapa radiasi benda hitam bisa terjadi? Benda hitam yang ideal digambarkan sebagai sebuah rongga hitam yang memiliki lubang- lubang kecil, ketika suatu cahaya memasuki rongga melalui lubang tersebut maka berkas cahaya akan dipantulkan berkali- kali di dalam rongga tersebut dan tidak dapat keluar kembali ke lubang. Dinding- dinding benda yang berwarna hitam akan menyerap cahaya, benda hitam ini akna menyerap cahaya yang suhunya lebih rendah daripada suhu di sekitarnya dan memancarkan cahaya yang suhunya lebih tinggi dari pada suhu di sekitarnya.

gambar: penyerapan cahaya pada benda hitam

Energi yang terserap akan memanas dan memancarkan radiasinya, radiasi ini yang biasa disebut dengan radiasi benda hitam. Tidak ada benda yang benar-benar ideal sebagai benda hitam, tetapi ada beberapa benda yang berperilaku layaknya benda hitam. Contohnya pada pembakar kompor listrik. Ketika menaikkan suhu kompor dari suhu rendah ke suhu tinggi, dapat teramati bahwa kompor tersebut menghasilkan radiasi benda hitam dan terjadi perubahan dari hitam menjadi merah membara.

gambar: sifat radiasi benda hitam

Benda hitam mempunyai nilai absorptansi (daya serap) dan emisivitas (daya pancar) yang besarnya sama dengan satu (e=1) artinya benda hitam menyerap semua energi yang diterima dan tidak ada energi yang keluar. Berbeda halnya dengan benda putih yang memiliki nilai emisivitas yang besarnya sama dengan nol (e=0) artinya benda putih memantulkan seluruh energi radiasi.

Hukum- hukum Mengenai Radiasi Benda Hitam

Hukum Planck tentang Radiasi Benda Hitam

Keterangan:

Hukum Perpindahan Wien

Hukum perpindahan Wien menjelaskan tentang bagaimana spektrum radiasi benda- benda hitam pada suhu berapapun berkolerasi dengan spektrum pada suhu yang lainnya. Jadi, apabila kita mengetahui bentuk spektrum pada suatu suhu, maka bentuk spektrum pada suhu yang lainnya dapat kita hitung juga. Intensitas dari spektrum dapat dinyatakan sebagai fungsi panjang gelombang atau[un fungsi frekuensi. Sebuah akibat dari hukum perpindahan Wien adalah panjang gelombang ketika instensitas per satuan panjang gelombang dari radiasi yang dihasilkan benda hitam ketika maksimum. Secara fungsi, kita bisa melihatnya sebagai berikut:

Simbol “b” dikenal dengan konstanta perpindahan Wien yang mana nilainya sama dengan 2,8977729(17) x  10 pangkat -3 Km.

Hukum Stefan-Boltzmann

Hukum ini menyatakan bahwa daya yang dilepas per satuan luas dari permukaan benda hitam berbanding lurus dengan pangkat empat suhu absolutnya.

Dalam fungsi tersebut, j* merupakan total daya yang diradiasikan per satuan luas,  T adalah temperatur absolut dan σ = 5, 67 x 10 pangkat -8 W  m pangkat -2 K pangkat -4 merupakan konstanta Boltzmann. Hal ini didapatkan dengan mengintegralkan I(v,T) terhadap frekuensi dan solid angle:

Faktor  Muncul karena kita menganggap radiasi pada arah normal ke permukaan:

I(v,T) independen terhadap sudut dan melewati integral solid angle, kemudian masukkan rumus  I(v,T)dan menghasilkan fungsi sebagai berikut:

Dengan x = hv/kT  tanpa satuan. Integral terhadap x memiliki nilai π pangkat 4/ 15 , sehingga menghasilkan:

Contoh Peristiwa Radiasi Benda Hitam

Radiasi benda hitam adalah suatu peristiwa yang terjadi secara alami. Penjelasan- penjelasan di atas cukup mewakili penjelasan tentang radiasi benda hitam. Apabila hanya mempelajari teorinya saja, mungkin kita belum terlalu paham mengenai radiasi benda hitam ini. Namun ketika teori tersebut telah diaplikasikan ke dalam suatu peristiwa nyata, mungkin kita akan lebih mudah untuk memahaminya. Sebenarnya dalam kehidupan sehari- haripun kita telah bertemu dengan radiasi benda hitam ini, hanya saja kita belum terlalu memahaminya. Lalu apa sajakah aplikasi dari radiasi benda hitam ini dalam kehidupan sehari- hari? Mari kita simak berikut ini:

Gejala Pemanasan Global atau Efek Rumah Kaca

Efek rumah kaca merupakan salah satu penyebab dari pemanasan global. Efek rumah kaca menyebabkan peningkatan suhu bumi rata- rata antara 1° hingga 5° Celcius. Contoh sederhana untuk menyatakan kasus ini adalah ketika kita memarkir mobil di tempat parkir yang tidak ada atapnya pada siang hari. Dan ketika kita kembali pada sore hari dan ingin masuk mobil, biasanya suhu di dalam mobil lebih panas daripada suhu di luar mobil. Hal ini karena energi panas sebagian besar telah diserap oleh kursi, dashboard, dan juga karpet mobil. Pada saat benda- benda tersebut melepaskan energi panas, maka tidak semuanya dapat keluar melalui jendela namun sebagian ada yang dipantulkan kembali. Hal yang menyebabkannya adalah perbedaan panjang gelombang sinar matahariyang memasuki mobil dan energi panas yang dilepaskan kembali oleh benda- benda tersebut, sehingga jumlah energi yang masuk lebih banyak dibandingkan energi yang dapat keluar. Hal ini berakibat pada kenaikan yang bertahap pada suhu di dalam mobil tersebut. Nah seperti itulah analogi efek rumah kaca. Maka seandainya Bumi tidak ditutupi oleh atmosfer maka energi dari sinar matahari yang bisa sampai ke Bumi bisa mencapai 800° Celcius, terutama di daerah khatulistiwa.

Penggunaan pakaian

Aplikasi dari radiasi benda hitam lainnya adalah ketika kita memakai baju atau penjemuran baju. Pada siang hari, ketika matahari terik kita akan lebih merasa panas apabila kita menggunakan baju yang berwarna hitam daripada baju berwarna cerah. Hal ini karena warna gelap merupakan penyerap panas yang sangat baik dan juga pemancar kalor yang sangat baik pula daripada warna- warna cerah. Selain warna- warna yang cerah, permukaan yang mengkilap juga merupakan penyerap dan pemancar kalor yang buruk. Pada saat kita menjemur pakaian pun maka baju yang berwarna gelap atau hitam akan lebih cepat kering daripada baju yang berwarna putih atau cerah.

Penggunaan termos

Termos juga merupakan salah satu aplikasi atau penerapan dari radiasi benda gelap. Prinsip kerja termos adalah lapisan perak yang mengkilap mencegah perpindahan kalor secara radiasi. Lapisan perak tersebut memantulkan radiasi kembali ke dalam termos. Dinding gelas adalah konduktor yang jelek sehingga tidak dapat memindahkan kalor. Ruang vakum di antara dua dinding akan mencegah perpindahn kalor, baik secara konveksi maupun konduksi. Sumbat pada termos dibuat dengan bahan isolator. Hal ini bertujuan untuk mencegah agar tidak terjadi konveksi dengan udara yang ada di luar.

Panel surya

Aplikasi dari radiasi benda hitam lainnya ada pada alat panel surya yang menyerap energi panas untuk diubah menjadi energi listrik. Panel surya terdiri dari wadah- wadah yang terbuat dari logam berongga yang kemudian di cat hitam dengan panelnya yang terbuat dari bahan kaca. Kalor radiasi dari matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduksi melalui logam. Bagian dalam dari panel ini tetap hangat karena dijaga oleh efek rumah kaca, kemudian sirkulasi air melalui wadah logam akan membawa kalor menjauh untuk dimanfaatkan pada sistem pemanas air domestik dan juga untuk memanasi kolam renang.