Sang Pemimpi (Ns): Dasar Termal Radiasi

Ketika ada suatu objek didalam sebuah vacuum chamber (ruang vakum), saat diberi kalor, maka akan terjadi perpindahan panas dari chamber kebenda, perpindahan kalor terjadi melalui mekanisme radiasi karena konveksi dan konduksi tak bisa bekerja pada vacuum. Radiasi bisa berjalan dari dua benda yang dipisahkan medium yang lebih dingin, missal sinar matahari menuju permukaan bumi melalui udara dingin pada ketinggian. Radiasi sendiri mentransfer kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Teori dasar dari gelombang elektromagnetik dikemukakan oleh Maxwell yang menyatakan muatan yang dipercepat atau perubahan arus listrik dapat membangkitkan medan magnet, dan menjadi gelombang yang merambat dengan cepat yang dinamakan gelombang elektromagnetik atau radiasi elektromagnetik. Kemudian Hertz menemukan bahwa gelombang ini juga mengantarkan energy seperti gelombang lain dengan kecepatan cahaya di ruang vacuum. Gelombang ini dikarakterisasikan dari panjang gelombang dan frekuensinya.

c = cepat rambat pada medium tertentu

λ = panjang gelombang

v = frekuensi

Fakta gelombang elektromagnetik mengangkut paket energy (foton) sangat berguna. Besarnya energy yang dibawa dirumuskan oleh Max Planck yaitu

Dengan,

h = konstanta Planck (6,6256 x 10^-34J)

Berdasarkan persamaan diatas dapat diketahui bahwa semakin pendek gelombang maka semakin destruktif. Seperti yang dikatakan tadi, panjang gelombang elektromagnetik memengaruhi sifat gelombang tsb. Dan beda pula cara membuat nya. Misal sinar gamma dibuat dengan reaksi nuklir, sinar X dengan menabrakkan logam dengan electron berenergi tinggi, radio dengan mengalirkan arus bolak balik pada konduktor. Tipe electromagnet radiasi yang terjadi karena suhunya dinamai “thermal radiasi” atau “radiasi” saja. Temperatur sendiri adalah derajat aktifitas molecular suatu materi. Dan termal radiasi terjadi pada materi yang suhunya diatas nol absolute (0 K). jadi tiap benda missal meja, kursi, tembok memancarkan radiasi dengan panjang gelombang berbeda-beda tergantung suhu benda tersebut. Termal radiasi terjadi pada range panjang gelombang sinar ultraviolet (UV), cahaya tampak, dan infrared. Dari 3 spektrum diatas, hanya cahaya tampak yang dapat dideteksi mata manusia. Dan benda yang meradiasikan kalor pada range cahaya tampak disebut “sumber cahaya”.

Sumber cahaya utama bumi adalah matahari yang meradiasikan kalor yang hampir setengahnya berada pada range cahaya tampak, dan sisanya pada range UV dan infrared. Tubuh manusia pada suhu kamar mengemisikan kalor pada range infrared, sehingga tak terdeteksi mata manusia, dan baru akan berterlihat bila suhu mencapai 800 K dimana pada suhu tersebut tubuh manusia meradiasi kalor pada panjang gelombang yang masuk range cahaya tampak. Contoh lain, Wolfram (filament lampu) agar mengeluarkan cahaya harus bersuhu 2000 K.

Sedangkan UV karena panjang gelombang cukup pendek, berdasar persamaan diatas, maka meradiasikan kalor yang cukup besar dan mampu membunuh mikroorganisme. Dan matahari meradiasikan 12 % kalornya dalam range sinar UV, dan untungnya ditahan sebagian besar oleh lapisan ozon di bumi, baik diserap atau dipantulkan lagi sehingga tidak mencapai permukaan bumi seutuhnya. Gelombang mikro (microwave) digunakan pada alat masak untuk memasak makanan karena sifat gelombang yang direfleksi (dipantul) oleh metal, ditransmisi oleh plastic, dan diserap air (dalam makanan ). Selain itu gelombang mikro juga digunakan radar karena sifat refleksi terhadap metal tadi. Dan gelombang radio digunakan untuk radio dan TV.

RADIASI BENDA HITAM

Sebuah permukaan mengemisikan radiasi bergantung pada beberapa hal,missal temperature. Maka menarik diketahui berapa energy maksimal yang dapat diemisikan suatu permukaan. Maka dibuatlah pengidealan “benda hitam”, yaitu benda yang secara sempurna mengemisikan dan menyerap radiasi. Yang besarnya berdasarkan eksperimen Joseph Stefan adalah :

Dengan,

Ơ = konstanta Stefan-Boltzmann ( 5.668 x 10^-8 W/m²)

T = temperature (K)

Bila pada area seluas A, maka tinggal dikalikan A dan satuannya menjadi Watt saja.

Disebut benda “hitam” karena warna hitam menyerap radiasi dari cahaya tampak secara sempurna, jadi memiliki kesamaan. Dan ke hitaman suatu benda tak bisa ditentukan dengan visual saja, karena hitam itu relative. Warna tidak hitam bagi mata akan berwarna hitam bagi infrared. Contohnya saja benda yang mendekati pengidealan benda hitam adalah salju yang notabene berwarna putih bagi mata.

Ada istilah spectral black body emmisive power yang didefinisikan sebagai “jumlah energy yang diradiasikan benda hitam pada suhu absolut T per unit waktu, per unit area, dan per unit panjang gelombang pada panjang gelombang tertentu.” Jadi missal kita ingin meninjau energy yang diradiasi oleh lampu pijar pada panjang gelombang tertentu (missal range cahaya tampak), dibanding dengan keseluruhan energy yang diradiasikan. Hal ini karena energy yang diradiasi lampu tak hanya pada range cahaya tampak saja. Besarnya energi tadi dikembangkan oleh Planck dengan teori kuantum nya :

Variasi blackbody emmisive power dengan panjang gelombang pada beberapa temperature

Berdasarkan grafik, ketika temperature dinaikkan, maka puncak kurva (maximum power) terjadi pada panjang gelombang yang lebih pendek. Panjang gelombang dimana terjadi energy maksimum pada temperature tertentu dirumuskan dengan Hukum Pergeseran Wien :

Persamaan ini didapat dari penurunan persamaan spectral blackbody emmisive power diatas terhadap panjang gelombang dan menganggap T konstan. Dan disamadengankan dengan nol (ingat kalkulus differensial dimana nilai maksimal suatu kurva didapat dari dari menurunkan persamaan kurva dan disamadengankan dengan nol karena kemiringan puncak kurva adalah nol). Penggunaannya misalnya kita ingin mencari panjang gelombang dari radiasi matahari, maka 2897.8 dibagi dengan suhu permukaan matahari. 2897.8 / 5780 = 0.5 mikrometer.Yang mana terdapat pada range cahaya tampak. Contoh lain panjang gelombang suhu kamar bila dihitung maka panjang gelombangnya 9.72 mikrometer yang mana terletak pada range infrared. Manusia tak bisa melihat infrared, tapi ada kamera kusus yang mampu melihatnya. Secara alami, hewan yang mampu mendeteksi infrared contohnya rattlesnake, sehingga ia dapat berburu mangsa di malam hari karena mendeteksi radiasi dari tubuh mangsanya.

Bila tadi kita mencari energy yang diradiasikan benda per satuan area, per waktu perpanjang gelombang pada panjang gelombang tertentu (spectral blackbody emmisive power), dengan mengintegral persamaan tadi pada range 0 sampai tak hingga, maka kita dapat menemukan energy yang diemisikan benda hitam untuk semua panjang gelombang (ingat kalkulus integral dimana integral merupakan representasi dari luas kurva pada range tertentu) :

Jika ingin tahu energy yang diradiasi benda hitam pada range panjang gelombang tertentu, maka persamaan spectral blackbody emmisive power hanya perlu di integral antara range yang diinginkan saja:

Kendalanya adalah pengintegralan akan menghasilkan solusi tertutup, maka dibuat cara baru yaitu dengan “blackbody radiation function”.

Dimana “blackbody radiation function” adalah rasio (perbandingan) antara energy yang diemisikan benda di suhu tertentu dan panjang gelombang tertentu dengan energy yang diemisikan benda hitam di suhu tertentu pada semua panjang gelombang. Dan fungsinya bisa dicari dari table dengan input perkalian panjang gelombang dengan temperature absolut.