PENGUKURAN INTENSITAS RADIASI BENDA HITAM SEBAGAI FUNGSI SUHU (HUKUM STEFAN BOLTZMAN) DAN PENDINGINAN NEWTON

planck

Sitti Halija 1), Muchlis2), Nur Alisya Ibrahim 3), Ahmad Sahabuddin4) Dedy Kurniawan

Laboratorium Fisika Modern Universitas Negeri Makassar

Abstrak – Telah dilakukan eksperimen tentang pengukuran intensitas radiasi benda hitam sebagai fungsi suhu (Hukum Stefan-Boltzmann) dan pendinginan newton yang bertujuan untuk mengukur intensitas radiasi (relative) sebuah benda hitam pada rentang suhu 300oC – 750oC dengan termopile moll dan menentukan hubungan antara intensitas radiasi dengan suhu mutlak (Hukum Stefan-Boltzmann). Hasil eksperimen menunjukkan angka pangkat empat dari temperatur benda hitam yang diperoleh menggunakan analisis grafik antara log V (volt) dengan log T (kelvin) yaitu |4.34 ± 0.08|, nilai ini  merupakan  nilai pangkat temperatur dengan perbedaan 8.5%  dari teori yaitu 4. Perbandingan nilai konstanta Hukum Pendinginan Newton (nilai K) berdasarkan analisis perhitungan yaitu 1.21 x 10-4 dan secara plot grafik yaitu |1.00±0.01| 10-4 s-1, dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa Intensitas radiasi benda hitam (diwakili tegangan) berbanding lurus dengan naiknya temperatur berpangkat 4 dan hasil eksperiemen yang diperoleh telah mendekati teori.
KATA KUNCI:
Hukum Stefan-Boltzmann, Radiasi Benda Hitam, Suhu Mutlak., Tegangan, Temperatur

Abstract – An experiment has been carried out on measuring the intensity of black matter radiation as a function of temperature (Stefan-Boltzmann Law) and cooling Newton which aims to measure the radiation intensity (relative) of a black object in a temperature range of 300oC – 750oC with thermopile moll and determine the relationship between radiation intensity and absolute temperature (Stefan-Boltzmann Law). The experimental results show that the fourth number of the temperature of the black body obtained using graph analysis between log V (volts) and log T (kelvin) is | 4.34 ± 0.08 |, this value is the temperature rank with a difference of 8.5% from the theory, namely 4. Comparisonconstant value of Newton Cooling Law(K value) based on calculation analysis, namely 1.21 x 10-4 and graphically plot is | 1.00 ± 0.01 | 10-4 s-1, from the data it can be concluded that the intensity of black body radiation (represented by voltage) is directly proportional to the rise in temperature with a level of 4 and the results of the experiments obtained have approached the theory.

KEYWORDS: Absolute Temperature, Black Body Radiation, Stefan-Boltzmann Law, Temperature, Voltage.

PENDAHULUAN

Penelitian tentang radiasi benda hitam melibatkan banyak sekali ilmuwan. Salah satu di antaranya adalah Kirchhoff, seorang professor fisika di Heidelberg. Kirchhoff menemukan bahwa rapat intensitas spektral, yaitu intensitas per satuan panjang gelombang dan per satuan sudut padatan, dari sebuah benda hitam merupakan fungsi dari panjang gelombang dan temperatur tetapi tidak bergantung pada dimensi benda hitam tersebut.Dalam tulisannya, Kirchhoff menekankan pentingnya menemukan bentuk fungsi tersebut. Kerapatan intensitas spectral radiasi benda hitam memiliki hubungan yang sederhana dengan rapat energi spektral (energi persatuan panjang gelombang per satuan volume) radiasi dalam rongga benda hitam. Namun, untuk membuktikan hal tersebut perlu dilakukan, yang sayangnya, pada saat itu belum dapat dilakukan. Pengukuran ini baru dapat dilakukan 20 tahun kemudian. Waktu itu fisikawan dapat menguku rintensitas keseluruhan spectrum tanpa mengetahui bahwa intensitas spectrum ini bergantung pada panjang gelombang [3].

Josef Stefan (1835-1893) di Vienna pada tahun 1879 yang pertama kali menemukan bahwa rapat energi seluruh spectrum ini sebanding dengan pangkat empat dari temperatur benda hitam. Lima tahun kemudian, Ludwig Boltzmann (1844-1906) salah seorang tokoh perintis mekanika statistik yang mengenalkan konsep tekanan radiasi, menunjukkan bahwa persamaan empiris Stefan dapat diperoleh secara teoritis dari hokum kedua termodinamika. Kolaborasi dua orang tokoh inilah, Stefan dan Boltzmann, yang memulai langkah pertama dalam upaya menemukan fungsi  Kirchhoff. Kirchhoff menyatakan bahwa setiap bend meradiasikan panas. Intensitas radiasi panas (bersifat elektromagnetik) bertambah dengan bertambahnya suhu benda, serta bergantung pada sifat permukaannya [2].

Adapun tujuan pada eksperimen pengukuran intensitas radiasi benda hitam sebagai fungsi suhu (hukum stefan boltzman) yaitu menentukan hubungan antara intensitas radiasi dengan suhu mutlak dan menentukan nilai K dari persamaan Hukum Pendinginan Newton dengan menghubungkan suhu mutlak dari waktu. Radiasi yang dipancarkan oleh benda tidak hanya bergantung pada suhu, tetapi juga bergantung pada sifat-sifat lainnya, seperti sifat permukaan dan jenis bahan. Untuk menghilangkan beberapa hambatan ini, kita tidak akan meninjau benda biasa, melainkan benda hitam. Jika sebuah benda sama sekali hitam, maka cahaya yang jatuh padanya tidak ada yang dipantulkan sehingga sifat–sifat permukaannya dengan demikian tidak dapat teramati [3].

Suatu benda hitam merupakan sistem ideal yang menyerap seluruh radiasi yang datang padanya. Sifat benda hitam semacam ini dapat didekati oleh kotak tertutup dengan lubang yang sangat kecil di salah satu sisinya. Lubang inilah yang berperan sebagai benda hitam. Radiasi dari luar yang memasuki lubang ini akan terserap oleh bagian dalam kotak dan tak dapat keluar lagi dari benda itu. Jadi, tidak ada radiasi yang dipantulkan oleh lubang itu sehingga tampak gelap (hitam) meskipun permukaan bagian dalam kotak itu berwarna putih [3].

Pertanda pertama yang menunjukkan bahwa gambaran gelombang klasik tentang radiasi elektromagnet (yang berhasil baik menerangkan percobaan Young dan Hertz pada abad kesembilan belas dan yang dapat di analisis secara tepat dengan persamaan Maxwell) tidak selurunya benar, tersimpulkan dari kegagalan teori gelombang untuk menerangkan spekrum radiasi ektromagnet yang dipancarkan berbagai benda semata-mata karena suhunya [3].

Hukum Stefan-Boltzmann yang menyatakan bahwa radiasi total yang dipancarkan oleh sebuah benda sebanding dengan naiknya suhu mutlak pangkat 4. Misalkan radiasi yang terpancar dari sebuah permukaan adalah M (M = daya total radiasi), maka besarnya radiasi yang terpancar dirumuskan sebagai,

M= σT4 (1)

dengan σ = 5,67 ⋅10-8 W/m2K4 (konstanta Stefan-Boltzmann) [1].

Padasaat yang bersamaan benda hitam juga menyerap radiasi dari lingkungannya.Maka yang diukur bukanlah M melainkan M’ yakni radiasi yang diserap dari lingkungan.Radiasi yang dipancarkan oleh lingkungan ini dituliskan sebagai,

M0=σT04             (2)

Dengan demikian diperoleh,

M’=σ (T4-T04)            (3)

Dengan k merupan kostanta Boltzman. Hasil ini sesuai dengan dengan hasil yang diperoleh secara percobaan untuk panjang gelombang yang panjang, tetapi tidak untuk panjang gelombang yang pendek. Begitu l mendekati nol, fungsi P (l,T) yang ditentukan secara percobaan juga mendekati nol, tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak terhingga karena sebanding dengan l-4. Dengan demikian menurut perhitungan klasik, benda hitam meradiasikan jumlah energi yang tak terhingga yang terkonsentrasi panjang gelombang yang pendek. Hasil ini dikenal sebagai katastrof ultraviolet. [4].

          Dalam percobaan ini, sebuah oven listrik yang dilengkapi dengan asesori benda hitam akan berfungsi sebagai ‘benda hitam ideal’. Sensor suhu menggunakan termokopel NiCr-Ni yang dihubungkan dengan data logger CASSY kekomputer.Radiasi termal diukur dengan menggunakan termopile Moll yang dihubungkan ke CASSY pada kotak mV [1].

METODE EKSPERIMEN

Pada eksperimen ini, digunakan satu set alat eksperimen produksi Leybold GmBH, yang terdiri dari oven listrik untuk tegangan 230 V, aksesori benda hitam, safety connection box with ground, sensor CASSY, CASSY Lab, adaptor NiCr-Ni, sensor temperature NiCr-Ni 1,5 mm, box µV, termofile moll, penyangga berbentuk v, multiclamp leybold, clamp universal, dan kabel berpasangan (merah/biru).. Selain itu, sebagai tambahan digunakan 1 PC dengan system operasi Windows 98 atau yang lebih tinggi. Peralatan lain yang direkomendasikan yaitu: Satu immersion pump 12 V, Satu low-voltage power supply, Satu silicone tubing, 7 mm Ø, dan satu laboratory bucket, 10 l.

Sebelum melakukan eksperimen, terlebih dahulu kita mempelajari seluruh komponen alat seperti tampak pada gambar 1. Seluruh komponen tersebut telah terpasang dengan benar sehingga kita tidak perlu melakukan pengaturan lagi. Selanjutnya, menghubungkan seluruh komponen alat ke sumber tegangan PLN termasuk komputer. menjalankan pompa air dan pastikan pipa karet dari aliran air terhubung dengan baik ke oven pemanas, kemudian dibiarkan mengalir selama kurang lebih 2 menit sebelum menyalakan oven. Menyalakan oven listrik dan membiarkan suhu oven naik hingga 500oC. Suhu ini diamati di layar komputer.

Gambar 1. Tampilan program cassy lab

Pada komputer, pilih ikon CASSY Lab dan mengaktifkan sensor suhu NiCr-Ni dan kotak mV. Mengatur rentang pengukuran suhu dari 0oC … 1200oC dan tegangan dari -30mV … 30 mV (lihat menu CASSY).

Gambar 2. Rangkaian alat percobaan radiasi benda hitam

Selanjutnya, mengamati perubahan intensitas radiasi sebagai fungsi kenaikan suhu. Menunggu sampai suhu mencapai 295oC untuk mulai merekam data. Perekaman data dilakukan dengan menekan simbol measurement pada menu CASSY atau gunakan kunci F9. Hentikan rekaman data saat suhu benda mencapai 100oC. Simpan data rekaman Anda dengan menekan kunci F2 atau gunakan symbol save pada menu CASSY.

Hasil dan Pembahasan dapat dilihat di sini

KESIMPULAN

Berdasarkan analisis grafik diperoleh nilai K=|1,00±0,02|×10(-4) s(-1) dan nilai k secara manual 1.21 x 10-4 s-1  dengan besar % diff = 19.35 %. Selain itu pada percobaan ini diketahui bahwa Intensitas radiasi berbanding lurus dengan suhu mutlak pangkat empat.

DAFTAR PUSTAKA

  • Daud M., Jasruddin. 2005. Pengantar Fisika Modern. Makassar: Badan Penerbit UNM Makassar.
  • Ruwanto, Bambang. 2002. Asas-Asas Fisika. Jakarta: Yudhistira
  • Subaer, dkk. 2019. Modul Praktikum Eksperimen Fisika 1. Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM. Makassar: Jurusan Fisika UNM.
  • Tipler, Paul. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga
loading...

You May Also Like

About the Author: Muchlis

Mahasiswa Fisika UNM Makassar.

Leave a Reply