RADIASI TERMAL
Ketika kita berada dekat dengan benda yang suhunya lebih panas daripada tubuh kita, maka kita akan merasakan hangat. Rasa hangat ini berasal dari radiasi gelombang elektromagnetik berupa gelombang infra merah, dari benda tersebut yang dikenal dengan sebutan radiasi termal.
a. suhu benda;
b. luas permukaan benda;
c. sifat permukaan benda, dan
d. jenis material.
Semakin tinggi suhu benda, radiasi termal yang dipoancarkan semakin banyak. Demikian juga semakin besar luas permukaan benda, radiasi termal yang dipancarkan juga semakin banyak. Permukaan kasar lebih banyak memancarkan radiasi termal daripada permukaan licin. Sedangkan material tertentu memancarkan radiasi termal lebih banyak daripada material lainnya.
Laju energi termal suatu benda sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlaknya. Hasil ini ditemukan secara empiris oleh Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh Ludwig Boltzman. Oleh karena itu hukum ini dikenal dengan hukum Stefan - Boltzmann.
Contoh soal :
Benda tidak hanya melepaskan kalor ke lingkungan, tetapi juga melepaskan kalor ke lingkungan.
Bukti benda dapat menyerap kalor dapat dari lingkungan juga dilihat dari contoh berikut :
1. Dua benda identik yang suhunya sama, masing-masing dimasukkan ke dalam dua ruang yang suhunya berbeda. Benda yang berada dalam ruangan yang bersuhu lebih rendah akan lebih cepat turun suhunya dibandingkan benda yang dimasukkan dalam ruangan bersuhu tinggi.
2. Pada saat suhu benda sama dengan lingkungann, suhu benda tidak turunlagi. Keadaan ini dinamakan benda berada pada kesetimbangan termal.
Berdasarkan bukti di atas, dapat disimpulkan bahwa besarnya koeffisien emisifitas sama dengan koeffisien absorbsi (serapan).
Pada gambar diatas merupakan ilustrasi warna terang berarti ruangan bersuhu tinggi, sedangkan warna gelap berarti ruangan bersuhu rendah.
Menurut persamaan P = eσAT4 maka ruangan pada gambar diatas akan :
1. meradiasikan energi kalor sebesar (ruangan dengan warna terang)
P = eσAT14
2. menyerap energi kalor sebesar :
P = eσAT24
Jika T1 > T2, maka benda meradiasikan daya total sebesar :
P = P1 - P2
P = eσA(T1 - T4)4
Ketika kita berada dekat dengan benda yang suhunya lebih panas daripada tubuh kita, maka kita akan merasakan hangat. Rasa hangat ini berasal dari radiasi gelombang elektromagnetik berupa gelombang infra merah, dari benda tersebut yang dikenal dengan sebutan radiasi termal.
Orang yang dekat di lokasi kebakaran akan merasa panas karena energi panas yang di pancarkan oleh api
Berdasarkan hasil eksperimen, diperoleh bahwa besarnya radiasi termal dipengaruhi oleh :a. suhu benda;
b. luas permukaan benda;
c. sifat permukaan benda, dan
d. jenis material.
Semakin tinggi suhu benda, radiasi termal yang dipoancarkan semakin banyak. Demikian juga semakin besar luas permukaan benda, radiasi termal yang dipancarkan juga semakin banyak. Permukaan kasar lebih banyak memancarkan radiasi termal daripada permukaan licin. Sedangkan material tertentu memancarkan radiasi termal lebih banyak daripada material lainnya.
Laju energi termal suatu benda sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlaknya. Hasil ini ditemukan secara empiris oleh Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh Ludwig Boltzman. Oleh karena itu hukum ini dikenal dengan hukum Stefan - Boltzmann.
P = eσAT4
Keterangan :
P daya yang diradiasikan(Watt)
e emisifitas benda ( 0 – 1)
σ konstanta Stefan – Boltzman = 5,67 x 10-8 W/m2
K4
A luas permuakaan (m2)
T luas mutlak (K)
Contoh soal :
Sebuah benda luas penampang 2 m2 memiliki suhu 100oC. Tentukan daya
yang diradiasikan benda tersebut jka koeffisien emisivitasnya :e = 1 dan e = 0,7
Jawab :
T = (100 + 273) K =
373 K
P = eσAT4
Untuk e = 1
P = 1 .( 5,67 x 10-8 ) . 2 . (373)4 =
2195 W
Untuk e = 0,75
P = 0,75 x 2195 = 1648,3 W
Benda tidak hanya melepaskan kalor ke lingkungan, tetapi juga melepaskan kalor ke lingkungan.
Contoh :
- Air yang di panaskan di atas kompor menyerap energi panas dari api yang menyala pada kompor.
- Petani di sawah waktu siang hari merasa panas karena tubuhnya menyerap panas dari sengatan matahari.
Bukti benda dapat menyerap kalor dapat dari lingkungan juga dilihat dari contoh berikut :
1. Dua benda identik yang suhunya sama, masing-masing dimasukkan ke dalam dua ruang yang suhunya berbeda. Benda yang berada dalam ruangan yang bersuhu lebih rendah akan lebih cepat turun suhunya dibandingkan benda yang dimasukkan dalam ruangan bersuhu tinggi.
2. Pada saat suhu benda sama dengan lingkungann, suhu benda tidak turunlagi. Keadaan ini dinamakan benda berada pada kesetimbangan termal.
Berdasarkan bukti di atas, dapat disimpulkan bahwa besarnya koeffisien emisifitas sama dengan koeffisien absorbsi (serapan).
Misalkan benda dengan suhu T1 berada dalam
ruangan yang suhunya T2.
Menurut persamaan P = eσAT4 maka ruangan pada gambar diatas akan :
1. meradiasikan energi kalor sebesar (ruangan dengan warna terang)
P = eσAT14
2. menyerap energi kalor sebesar :
P = eσAT24
Jika T1 > T2, maka benda meradiasikan daya total sebesar :
P = P1 - P2
P = eσA(T1 - T4)4
ketika kesetimbangan termal tercapai, daya yang diradiasikan sama dengan daya yang diserap (P1=P2), sehingga suhu ruangan tetap.
Contoh Soal :
Sebuah tungku dengan suhu sebelah dalam 227oC,
berada di dalam ruangan bersuhu 27oC. Pada salah satu sisi tungku
terdapat sebuah lubang kecil yang luasnya 5,0 cm2. Berapa daya netto
dari tungku ke ruangan :
Jawab :
T1 = (227 + 273 ) K =
500 K
T2 = (27 + 273 )
K = 300 K
A = 5 cm2 = 5 x 10-4 m2
P neto = eσA(T1 – T2)4
P neto = 1. (5,67 . 10-8) ( 5. 10-4)
(500-300)4 = 1,54 W
Radiasi yang jatuh pada benda tak tembus cahaya, sebagian akan dipantulkan dan sebagian lainnya akan diserap. Benda-benda berwarna terang memantulkan sebagian besar radiasi tampak (daerah cahaya tampak), sedangkan benda-benda gelap menyerap sebagian besar daripadanya.
Benda yang menyerap semua radiasi yang datang padanya mempunyai emisivitas sama dengan 1, dan dinamakan benda hitam. Pemahaman tentang konsep benda hitam ideal penting karena ciri radiasi yang dipancarkan oleh benda semacam ini dapat dihitung secara teoritis.
RADIASI BENDA HITAM
Tidak ada benda yang hitam sempurna. Pendekatan praktis benda hitam idela adalah lubang kecil yang menuju ke sebuah rongga seperti gambar berikut ini :
Radiasi yang jatuh pada lubang mempunyai kemungkinan kecil untuk dipantulkan ke luar dari lubang sebelum ia diserap dinding rongga. Jadi rongga berlubang kecil berlaku sebagai benda hitam karena dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga tersebut memancarkan radiasi. Lubang akan memancarkan radiasi. Lubang akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya (dianggap tidak ada energi yang dipancarkan oleh rongga melalui jalan lain selain lubang).
Karakteristik radiasi pada rongga hanya tergantung pada suhu dindingya. Dari hasil pengamatan, diketahui beberapa hal berikut :
- Pada suhu biasa ( dibawah 600 derajat C)
Radiasi termal yang dipancarkan benda hitam tidak tampak karena energi itu terkonsentrasi dalam daerah inframerah dari spektrum elektromagnetik. Dengan meningkatnya suhu benda, jumlah energi yang diradiasikan mulai meningkat sesuai dengan hukum Stefan- Boltzmann dan konsentrasi energi beralih ke panjang gelombang yang lebih pendek.
- Pada suhu antara 600 - 700 derajat C
Ada energi yang cukup banyak dalam spektrum tampak hingga bendanya berpijar merah pudar.
- Pada suhu yang lebih tinggi ( di atas 700 derajat C).
Spektrum tampak yang diradiasikannya menjadi merah terang, biru dan bahkan putih.
Pada gambar diatas melukiskan grafik distribusi intensitas (Iʎ) radiasi benda hitam sebagai fungsi gelombang ʎ yang disebut sebagai kurfa distribusi spektrum.
Intensitas total yang dipancarkan benda hitam dapat dihitung dengan menghitung luas di bawah kurva Iʎsebagai fungsi Iʎ . Besarnya intensutas total tersebut sama dengan intensitasnya yang diperoleh dari rumus stefan - Boltzmann dengan mengambil e = 1.
Pada gambar di atas dapat disimpulkan bahwa :
- spektrum radiasi merupakan spektrum kontinue, artinya semua panjang gelombang ada;
- tiap kurva mempunyai intensitas maksimum yang terjadi pada panjang gelombang tertentu. yang disebut λmaksimum atau λ maks.
- makin tinggi suhu, intensitas radiasi untuk panjang gelombang tertentu semakin besar.
- intensitas total yang dipancarkan benda hitam semakin besar jika suhunya semakin tinggi;
- suhu semakin tinggi, puncak intensitas bergeser ke kiri ke arah panjang gelombang pendek.
0 komentar:
Posting Komentar