HUKUM STEFAN BOLTZMAN

KATA PENGANTAR

            Puji dan syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan limpahan-Nya penulis dapat menyelesaikan laporan yang berjudul “Hukum Stefan Boltzman”. Laporan ini  disusun sebagai tugas yang diberikan oleh asisten mata kuliah "Fisika Modern".

            Laporan ini disusun agar pembaca dapat memperluas wawasan mengenai hukum stefan boltzman. Penulis menyadari bahwa penulisan laporan ini jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis sangat berharap ketidaksempurnaan ini dapat disempurnakan dengan memberikan masukan, saran, dan perbaikan dari berbagai pihak guna lebih menyempurnakan penulisan laporan ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Palu, 11 Desember 2015

Penulis

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

Dalam fisika, benda hitam (black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau di pantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam  haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energy yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.

Telah diketahui bahwa perpindahan kalor (panas)  dari Matahari ke Bumi melalui gelombang elektromagnetik  terjadi secara radiasi (pancaran). Dalam Materi ini akan dijelaskan intensitas radiasi benda hitam yang melibatkan: Stefan dan Boltzman.

Eksperimen yang dilakukan oleh Stefen dan Boltzman menggambarkan  bahwa energi yang dipancarkan oleh benda hitam itu akan sebanding dengan temperatur benda itu sendiri. Temperatur ini sangat menentukan bagaiaman  bentuk energi yang dipancarkan kaitannya dengan panjang gelombang. Semakin tinggi temperatur maka semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang yang tampak seperti merah, jingga dan lain-lain.

Pada praktikum ini, kita akan mengukur bagaimana prilaku benda hitam yang memang telah di teliti sebelumnya. Dan bagaimana energi yang dipancarkannya serta kaitannya dengan temperatur benda hitam itu sendiri. Kita  juga akan membuktikan niai dari emivisitas benda hitam.

1.2 Tujuan Percobaan

1.    Mengamati pengaruh temperatur terhadap radiasi Stefan Boltzmann

2.    Mengambar grafik hubungan temperature dan radiasi

3.    Menghitung besarnya daya radiasi Stefan Boltzmann

1.3    Alat dan Bahan

1.      Termocopel 1 buah

2.      Multimeter 2 buah, berfungsi sebagai :

·         Ohmmeter

·         Milivoltmeter

3.      Kotak radiasi termal dan lampu 1 set

4.      Termometer 1 buah

5.      Statif dan klem 1 set

6.      Mistar 30 cm

7.      Kabel penghubung 2 buah

8.      Penghalang 1 buah

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

Benda bersuhu tinggi senantiasa memancarkan radiasi. Radiasi adalah perpindahan energi yang terjadi melalui suatu medium perantara bisa solid maupun liquid, bisa juga melalui medium ruang hampa. Benda yang mudah menyerap radiasi akan mudah pula memancarkan radiasi. Benda yang yang dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh radiasi yang dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam. Benda hitam dimodelkan sebagai suatu rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk ke dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan berulang-ulang oleh dinding dalam rongga hingga terserap (terabsorpsi) habis energinya. Dinding rongga terus menerus mengabsorpsi radiasi dan memancarkannya sehingga sifat radiasi inilah yang menarik.

Pengukuran pertama kalor yang dipindahkan oleh radiasi antara suatu benda dengan lingkungannya dilakukan oleh Tyndall. Berdasarkan percobaan ini diambil kesimpulan oleh Stefan, dalam tahun 1879, bahwa kalor yang diradiasi berbanding lurus dengan pangkat empat dari perbedaan temperatur mutlak. Hukum Stefan-Boltzman pada tahun  1898 menyatakan bahwa “jika suatu benda hitam memancarkan kalor maka intensitas pemancaran kalor tersebut sebanding-laras dengan pangkat empat dari temperatur absolut”.

Tidak ada radiasi yang terpantul memancar keluar lubang karena lubang yang sangat kecil. Jadi rongga ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga, sehingga seluruh energinya dipancarkan. Energi radiasi setiap detik per satuan luas disebut sebagai intensitas radiasi dan diberi lambang I. Intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam menurut hukum Stefan-Boltzmann bergantung pada temperatur dan dapat dinyatakan sebagai berikut :  

dimana , σ disebut konstanta Stefan-Boltzmann dan e adalah emisivitas, dimana nilai e untuk benda hitam adalah 1. P adalah daya radiasi (watt) dan A adalah luas permukaan benda (m²).

Pancaran energi (kalor) merambat seperti gelombang elektromagnetik. Benda yang menyerap kalor dengan baik juga merupakan pemancar kalor yang baik. Pada tahun 1859, Gustav Kirchoff membuktikan suatu teorema yang sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya. Ketika ia menunjukkan argumen berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keadaan kesetimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam, teorema Kirchoff dinyatakan persamaan :

 

Dengan J (f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f frekuensi cahaya, dan T suhu mutlak benda. Persaman diatas menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung hanya pada suhu dan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda hitam dan ini sesuai dengan hasil pengamatan. Perkembangan selanjutnya untuk memahami karakter universal dari radiasi benda hitam datang dari ahli fisika Austria, Josef Stefan (1835-1893) pada tahun 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, I total (intensitas radiasi total), adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu, bentuk persamaan empiris hukum Stefan ditulis sebagai :

 

Dengan I total adalah intensitas (daya persatuan luas) radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, Rf adalah intensitas radiasi persatuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam, T adalah suhu mutlak benda, dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann, yaitu  = 5,67x 10^-8 Wm^-2 K^-4.

Untuk benda panas yang bukan benda hitam akan memenuhi hukum yang sama hanya diberi tambahan koefisien emisivitas, e yang lebih kecil dari 1. Pada umumnya, semakin kasar dan hitam benda tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Absorptivitas adalah kemampuan suatu benda atau ruang untuk menerima radiasi elektromagnetik. Secara umum, benda yang berwarna hitam memiliki absorptivitas yang tinggi dan sama seperti emisivitas. Jika ada suatu benda atau ruangan yang hitam pekat, benda atau ruang tersebut memiliki absorptivitas 100%. Jadi benda atau ruang yang hitam pekat menerima semua radiasi yang dipancarkan benda lain tanpa memantulkannya, memanaskan dirinya sendiri, kemudian melepaskan semua energinya bergantung temperaturnya sendiri. Lambang absorptivitas adalah α.

Menurut hukum Stefan–Boltzmann, ia memancarkan pada tingkat. Tegangan yang dihasilkan oleh sensor sebanding dengan radiasi mengenai detektor dikurangi dengan radiasi yang meninggalkannya. Secara matematis, tegangan sensor sebanding dengan persamaan Rnet = Rrad - Rdet = s (T⁴ -Tdet⁴). Selama anda berhati-hati untuk melindungi sensor radiasi dari kubus radiasi saat pengukuran, anda tidak akan menemukan Tdet yang nilainya sangat dekat dengan suhu kamar (Trm) .

Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bahkan sebuah kubus es memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian, kubus es ini tidak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, badan manusia pun memancarkan radiasi panas dalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat dalam ruang gelap. Untuk gelombang-gelombang inframerah yang dipancarkan oleh radiasi panas badan dapat dideteksi dalam gelap oleh kamera elektronik. Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umumnya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, dan bukan karena ia memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya 1000 K.

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya radiasi termal, yaitu :

a. suhu benda;

b. luas permukaan benda;

c. sifat permukaan benda, dan

d. jenis material.

Pengukuran radiasi termal pada dasarnya merupakan pengukuran fluks energi radiasi. Deteksi fluks-energi ini dapat dilaksanakan dengan melakukan pengukuran atas suhu sebuah bilah logam tipis yang dikenakan radiasi. Bilah ini biasanya dikelamkan supaya dapat menyerap sebagian besar daripada radiasi yang menimpanya; dan dibuat setipis mungkin untuk menimumkan kapasitas kalornya, sehingga dengan  demkian di dapatkanlah karakteristik transien yang paling di kehendaki. Skema detektor radiasi termal bisa di tunjukkan pada gambar di bawah ini. Suhu yang dicapai unsur itu bukan hanya merupakan fungsi energi radiasi yang diserap, tetapi juga bergantung pada rugi konveksi ke lingkungan, dan juga konduksi kedudukan. Rugi konveksi unsur itu dapat dikurangi dengan mengurung detektor itu di dalam suatu sistem vakum yang diberi jendela seperlunya untuk menyalurkan radiasi. Karakteristik transmisi-inframerah beberapa bahan digunakan sebagai jendela diberikan pada gambar dibawah ini.

            Untuk mendeteksi suhu unsur peka-radiasi yang dihitamkan itu, kita dapat menggunakan termokopel atau termopil. Termopil lebih menguntungkan karena keluaran tegangannya tinggi. Berbagai metode konduksi yang cerdik telah diciptakan orang untuk termokopil itu; contoh komersialnya terlihat pada gambar di bawah ini. Gambar termokopil yang diperbesar itu menunjukkan bagaimana pasangan-sambungan yang dihitamkan itu dikelilingi oleh gelang annulus yang terbuat dari mika yang berfungsi sebagai isolasi listrik dan termal.

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1    Jenis Penelitian

Jenis penelitian yang digunakan adalah penelitian murni. Penelitian murni diarahkan pada pengujian teori dengan hanya sedikit atau bahkan tanpa menghubungkan hasilnya dengan kepentingan praktikum. Penelitian ini memberikan sumbangan besar terhadap pengembangan dan pengujian teori- teori. Bertolak dari suatu teori, penelitian dasar diarahkan untuk mengetahui, menjelaskan dan memprediksi fenomena-fenomena alam dan sosial. Tujuan penelitian dasar adalah menambah pengetahuan kita dengan prinsip-prinsip dasar dan hukum-hukum ilmiah dan meningkatkan pencarian dan metodologi ilmiah.

Metodologi penelitian yang di gunakan adalah metode eksperimen. Metode ini di lakukan dengan melakukan pengujian/eksperiment terhadap obyek tertentu dalam praktek ini kaitanya dengan obyek yang di uji adalah pengaruh suhu terhadap radiasi suatu benda.

3.2    Tempat dan Waktu

Tempat     : Lab. Elektronika Fisika FKIP UNTAD

Waktu      : Rabu, 16 Desember 2015

3.3    Prosedur Kerja

1.    Menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan.

2.    Mengatur alat seperti gambar di bawah ini.

    
              

3.    Menghubungkan termokopel dengan multimeter yang berfungsi untuk mengukur besarnya radiasi yang dipancarkan (milivoltmeter).

4.    Menghubungkan kotak radiasi termal dengan multimeter yang berfungsi sebagai ohmmeter untuk mengukur hambatan lampu.

5.    Mengukur suhu ruangan dengan menggunakan termometer.

6. Menggantungkan termometer tepat diatas kotak radiasi termal dimana ujung dari termometer menyentuh penutup kotak radiasi termal.

7.    Mengukur suhu awal atau suhu ruangan sebagai T_rm.

8. Mengukur besarnya hambatan bola lampu yang terdapat pada kotak radiasi termal sebelum dipanaskan dengan menggunakan ohmmeter.

9.    Menyalakan kotak radiasi termal dengan menghubungkannya ke sumber listrik besarnya tegangan yang dipakai sebesar 20 V dengan memutar tombol power pada angka 5 V pada power supply yang terdapat pada kotak radiasi termal.

10.    Mencatat pembacaan voltmeter pada termokopell tiap kenaikkan 4⁰C dari suhu rungan sampai 5 kali kenaikkan. 

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Tabel Hasil Pengamatan

      

4.2 Analisa Data

a.    Perhitungan Umum 

                

       b.     Grafik Hubungan Temperatur dan Radiasi

              

                  c.    Perhitungan Ralat

                
              
                   


                      

                    
                        

                       

                             



 

4.3.Pembahasan

Radiasi adalah Perpindahan energi yang terjadi melalui suatu medium perantara bisa solid maupun liquid, bisa juga melalui medium ruang hampa. Benda yang mudah menyerap radiasi akan mudah pula memancarkan radiasi. Radiasi termal adalah energi yang dipancarkan oleh sebuah benda atau permukaan karena temperatur yang dimilikinya.

Temperatur merupakan besaran skalar yang dimiliki oleh semua sistem termodinamika sehingga kesamaan suhu adalah syarat yang perlu dan cukup untuk keseimbangan termal. Hukum Stefan-Boltzmann, yang berbunyi “Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.

Pada praktikum ini kita akan mengamati pengaruh temperatur terhadap radiasi Stefan Boltzmann, menggambar grafik hubungan temperatur dan radiasi serta menghitung besarnya daya radiasi Stefan Boltzmann.

Dalam percobaan ini digunakan alat dan bahan yaitu termometer berfungsi untuk mengukur suhu dari kotak radiasi termal dan suhu ruangan, multimeter 2 buah yang masing–masing di gunakan sebagai ohm meter dan milivoltmeter, sensor radiasi di gunakan untuk mendeteksi panas dari kotak radiasi termal, kotak radiasi termal di dalamnya terdapat sebuah lampu pijar yang di gunakan sebagai sumber panas, statif dan klem di gunakan sebagai tempat meletakan kotak radiasi termal dan mengantungkan thermometer tepat di atas kotak radiasi termal, kabel penghubung di pakai sebagai penghubung antara kotak radiasi termal dan milivoltmeter serta penahan panas yang berfungsi untuk menahan panas agar tidak terbaca oleh sensor panas pada saat proses pemanasan.

Pada saat mengamati pengaruh temperatur terhadap radiasi, dimana dalam melakuan pengamatan terhadap besarnya hambatan lampu setelah mengalami kenaikan temperatur 4⁰C dari suhu ruangan yang terbaca pada ohmmeter, dan kenaikan temperatur terbaca pada termometer yang diletakkan diatas kotak radiasi termal. Kotak radiasi termal dianggap sebagai benda hitam dan diberi cahaya yang berasal dari lampu.

Temperatur dari suatu sumber termal sangat berpengaruh terhadap besarnya energi radiasi yang dipancarkannya. Sebagaimana dengan hukum Stefan-Boltzman yang menyatakan bahwa radisi termal setara dengan pangkat empat dari temperatur sumber termal. Dimana semakin tinggi temperatur, maka energi yang diradiasikan juga semakin besar. Sementara untuk suatu benda yang memiliki temperatur lebih rendah dari lingkungan, maka benda tersebut akan menyerap energi yang diradiasikan oleh lingkungan.

Adapun grafik hubungan antara suhu dan daya radiasi berbentuk linier. Hal ini dapat dilihat dari hasil pengamatan yang menunjukkan bahwa radiasi sebanding dengan besar temperatur suatu benda, dimana semakin besar temperatur suatu benda maka semakin panas benda tersebut. Sedangkan untuk hambatan lampu semakin menurun ketika temperatur semakin tinggi. Hal ini sudah sesuai dengan literatur bahwa semakin besar/tinggi tempertaur suatu benda maka hambatannya semakin kecil. Begitu pula sebaliknya, semakin kecil/rendah temperatur suatu benda maka hambatannya semakin besar.

Berdasarkan hasil perhitungan ralat yang di lakukan di peroleh hasil sebagai berikut besarnya Ktpm rata-rata yang diperoleh adalah  dengan nilai Ktpr rata-rata yaitu 14,78%. Berdasarkan data tersebut tingkat kesalahan dalam praktikum ini cukup besar salah satu penyebabnya ialah kurang telitinya pengamat pada saat mengamati pergerakan suhu pada thermometer dan nilai hambatan pada ohmmeter.

BAB V

KESIMPULAN

    

       5.1. Kesimpulan

       Dari praktikum yang telah di lakukan dapat di tarik beberapa kesimpulan di antaranya : 

1. Semakin tinggi suhu suatu benda maka radiasi yang di hasilkan besar pula, sebaliknya apabila suhu suatu benda rendah maka radiasi yang dihasilkan kecil/rendah. Hal ini menunjukan bahwa temperature sebanding dengan besarnya radiasi.
2. Semakin tinggi suhu suatu benda maka hambatan dari benda tersebut kecil, sebaliknya apabila suhunya rendah maka hambatanya besar.
3. Grafik hubungan suhu dan radiasi

          

4.      Berdasarkan perhitungan yang telah di lakukan di peroleh nilai radiasi sebagai berikut :

                 

      5.2. Saran

        Sebaiknya dalam melakukan percobaan atau praktikum disesuaikan dengan materi perkuliahan, karena fakta dalam lapangan lain materi yang disampaikan oleh dosen lain pula yang dipraktekkan. Sehingga jangan heran mahasiswa kurang tau tentang materi yang dipraktekkan.

Daftar Pustaka

Anonim. 2015. Hukum Stefan Boltzmann. http://www.wikipedia.com.(diakses pada 14 Desember 2015).

Anonim. 2015. Pengukuran Radiasi Termal. http://blogspot.co.id/2015/10/pengukuran-radiasi-termal-dan-radiasi.html (diakses pada 15 Desember 2015).

Anonim. 2015. Radiasi Termal. http://www.google.com. (diakses pada 14 Desember 2015).

Tim Penyusun. 2014. Penuntun Praktikum Fisika Modern. Lab, Fisika FKIP UNTAD: PALU

Universitas Tadulako