Radiasi Benda Hitam Menurut Fisika

Pernahkah kamu mendengar percekapakan,”Jangan memakai baju warna hitam di siang hari, nanti akan panas.” Lalu, apakah benar baju warna hitam akan menyerap panas daripada warna yang lain? Hal ini sebenarya berkaitan dengan radiasi benda hitam. Kita tahu bahwa warna itu bermacam-macam. Warna juga mempunyai kemampuan untuk memancarkan radiasi.

Salah satu warna yang mempunyai kemampuan penyerapan cahaya yang paling baik adalah warna hitam. Oleh sebab itu jika kita memakai baju hitam disiang hari akan terasa lebih panas daripada memakai baju putih. Itu tadi merupakan fenomena radiasi benda hitam, nah lalu apa sebenarnya radiasi hitam itu menurut ilmu fisika. Mari simak penjelasan berikut ini.

Pengertian Radiasi Benda Hitam

Dalam fisika, benda hitam adalah sebuah objek ideal dengan penyerap cahaya yang sempurna dan permukaan non reflektif (tidak memantulkan cahaya) sehingga benda hitam menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin ada karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.

Emisi radiasi diukur benda hitam bergantung pada suhu permukaannya dan tidak ada yang lain. Objek semacam ini nampak seperti abstraksi teoritis, tetapi pada kenyataannya benda hitam adalah model yang baik untuk berbagai macam fenomena mulai dari bintang-bintang hingga filamen-filamen lampu pijar. Hasilnya, radiasi benda hitam adalah subjek untuk studi yang lebih intens  di tahun 1800-an.

Para ilmuwan seperti Balfour Stewart dari Skotlandia dan Gustav Kirchhoff asal Jerman menunjukkan bagaimana benda-benda hitam mengelurkan radiasi melintasi berbagai panjang gelombang dan energi di kurva benda hitam yang bentuk dan posisinya tepat bergantung hanya pada suhu permukaan menurut sebuah hubungan yang dikenal sebagai hukum Stephan-Boltmann. Dengan mengukur energi dari sebuah benda hitam di panjang gelombang tertentu, kita bisa mengetahui suhu permukaannya.

Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchoff  pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam. Benda hitam merupakan benda yang mampu menyerap energi yang diterimanya dengan sempurna dan mampu pula memancarkan energi yang dimilikinya. Nah, radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam kita namakan radiasi benda hitam.

Meskipun namanya benda hitam, dia tidak lah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi. Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkan bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu dibawah sekitar 200 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.

Energi yang di Radiasikan Benda Hitam

Seperti yang telah dijelaskan di atas, bahwa benda hitam merupakan benda yang mampu menyerap radiasi dengan baik. Namun, benda hitam juga pemancar radiasi yang buruk. Hal itu menjelaskan bahwa benda putih meskipun tidak mampu menyerap radiasi yang baik, namun dapat memancarkan radiasi yang baik. Sebuah benda hitam disebut baik bila dapat menyerap radiasi secara total. Kemampuan benda menyerap radiasi disebut emisivitas (Ɛ). Benda hitam memiliki emisivitas (Ɛ) = 1 sedangkan benda yang mengkilap memiliki emisivitas (Ɛ) = 0. Sifat bahan dan suhu mempengaruhi besarnya intensistas radiasi yang dipancarakan dengan rumus matematis adalah sebagai berikut:

R = Ɛ . σ . T⁴

Di mana

R = Intensitas radiasi

Ɛ = Emisivitas bahan

σ = Konstanta Stefan-Boltman, nilainya 5,67 x 10^-4 W/m².K⁴

T = Suhu mutlak benda (K)

Perpindahan Kalor Dengan Cara Radiasi

Laju perpindahan kalor radiasi berbanding lurus dengan luas benda dan pangkat suhu mutlak. Artinya, benda yang mempunyai luas permukaan benda yang lebar maka memiliki laju perpindahan kalor yang besar pula, begitu sebaliknya. Begitu pula dengan suhunya. Benda yang memiliki suhu tinggi akan lebih cepat perpindahan kalornya daripada benda yang memiliki suhu rendah. Pernyataan di atas dikemukakan oleh Josef Stefan pada tahun 1879. Selang 5 tahun kemudian Ludwig Boltzmann menuliskan matematisnya. Adapun persamaan matematisnya adalah sebagai berikut:

Q/t = e σ A T⁴

Di mana

Q = Kalor atau energi yang pindah

t = Waktu

Q/t = Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi = laju radiasi energi

σ = Konstanta Stefan-Boltman, nilainya 5,67 x 10^-4 W/m².K⁴

A = Luas permukaan benda (m²)

T = Suhu mutlak benda (K)

e = Emisivitas (angka yang tidak berdimensi yang nilainya antara 0 dan 1)

Contoh Soal Radiasi Benda Hitam

1.Sebuah kubus dengan panjang sisinya 20 cm, bersuhu 500 ⁰C dan emisivitas benda 1. Berapakah laju kalor yang dipancarkan kubus tersebut ...

Diketahui:

Luas benda (A) = sisi x sisi = 0,2 m x 0,2 m = 0,04 m²

Suhu (T) = 227 ⁰C = 500 K

Emisivitas (e) = 1

Konstanta Stefan-Boltzman (σ )= 5,67 x 10^-8 W/m².K⁴

Ditanya laju kalor (W) ?

Jawab

W = e σ A T⁴

W = (1) . (5,67 x 10^-8) . (0,04) . (500)⁴

W = 141,75 Joule

Itu tadi sedikit artikel tentang Radiasi Benda Hitam Menurut Fisika yang mungkin banyak orang lain yang belum tahu. Semoga dapat bermanfaat. Sekian dan sampai jumpa pada artikel selanjutnya. Terima kasih atas kunjuangannya dan jangan lupa untuk di share.

Sumber : Ikatan Tutor Indonesia. 2015. A-Z Menguasai Fisika dalam 10 Menit. Yogyakarta : Penerbit Indoliterasi.