Artikel Unit 1 Pengukuran Intensitas Radiasi Benda Hitam Sebagai Fungsi Suhu (Hukum Stefan-Boltzmann) Dan Pendinginan Newton [PDF]

Citation preview

PENGUKURAN RADIASI BENDA HITAM SEBAGAI FUNGSI SUHU (HUKUM KONSTANTA STEFAN–BOLTZMANN) DAN PENDINGINAN NEWTON Nadiah Rahmayani Imran1), Khaerul Faiz2), Andi Ulismayanti3), Nurazizah Sarip4) Survita Dewi Laboratorium Fisika Modern Universitas Negeri Makassar e-mail:[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]



Abstrak –Percobaan yang berjudul “Pengukuran Radiasi Benda Hitam sebagai Fungsi Suhu (Hukum StefanBoltzmann) dan Pendinginan Newton” bertujuan untuk mengukur intensitas radiasi (relatif) sebuah benda hitam pada rentang suhu 300ºC-750ºC dengan termophile moll dan menentukan hubungan antara intensitas radiasi dengan suhu mutlak (hukum Stefan–Boltzmann). Pada Eksperimen ini digunakan oven listrik sebagai benda hitam ideal dan asesori benda hitam sebagai objek yang akan digunakan pada praktikum. Untuk pengukuran suhu digunakan sensor Ni-Cr yang dihubungkan dengan CASSY ke computer. Radiasi termal diukur dengan menggunakan thermophile moll yang dihubungkan ke CASSY pada kotak µV. Hasil eksperimen menunjukkan pangkat empat dari temperatur benda hitam yang diperoleh dengan memplot grafik hubungan antara log V (volt) dengan log T (kelvin) yaitu =|0,02 ± 4,03|10−13 dengan derajat kepercayaan yaitu 97,9% dan  perbandingan nilai konstanta Hukum Pendinginan Newton (nilai k) secara teori yaitu |8,57± 0,01| 10-5s-1dan grafik yaitu = | 8,57± 900| 10-5s-1 dengan derajat kepercayaan yaitu 99,7%. Kata kunci:radiasi termal, benda hitam, intensitas radiasi, pendinginan Newton. Abstract –The experiment entitled "Measurement of Black Body Radiation as a Function of Temperature (Stefan–Boltzmann's Law of Constant) and Newton's Cooling" aims to measure the radiation intensity (relative) of a black body in the temperature range of 300ºC-750ºC with a thermophile moll and determine the relationship between radiation intensities with absolute temperature (Stefan–Boltzmann law). In this Experiment an electric oven is used as an ideal black body and black object accessories as an object to be used in a practicum. For temperature measurement, a Ni-Cr sensor that is connected with CASSY to the computer is used. Thermal radiation is measured using a thermophile moll connected to CASSY in the µV box. The experimental results show a square of the black body temperature obtained by plotting the graph of the relationship between log V (volts) with log T (kelvin) that is = | |0,02 ± 4,03|10−13 with a degree of confidence that is 97,9% and a comparison of the values of Newton's Cooling Laws (k values) in theory is |8,57± 0,01| 10-5s-1and graphs that is | 8,57± 900| 10-5s-1 with a degree of confidence that is 99,7%. Key words: thermal radiation, black object, radiation intensity, Newton’s cooling.



PENDAHULUAN Saat ini kita mengenal adanya istilah Fisika Modern. Apakah fisika modern jauh lebih baik dari fisika klasik? Kebangkitan fisika klasik sebagai dasar bagi semua cabang bahasan fisika saat ini, termasuk fisika modern, adalah perumusan hukum gerak yang dikembangkan oleh Newton. Hukum – hukum ini mapan sampai akhir abad ke–19. Awal kebingungan terhadap hukum – hukum Newton berawal dari berbagai percobaan awal abad ke – 20 dan fenomena yang diamati oleh para ilmuwan yang jelas – jelas tidak dapat dijelaskan oleh hukum – hukum Newton. Fenomena tersebut di antaranya adalah fenomena radiasi benda hitam. Fenomena radiasi benda hitam telah lama diketahui oleh para ilmuwan. Jika benda dipanaskan, maka suhu benda akan meningkat dan terlihat cahaya berwarna – warni pada permukaannya. Terlihatnya cahaya tersebut menunjukkan bahwa terjadi radiasi elektromagnetik. Para ilmuwan berusaha mengaitkan besara intensitas daya radiasi yang terpancar dari benda hitam seiring



1



perubahan panjang gelombang dan perubahan waktu. Untuk dapat menghitung emisi atau pancaran energi benda yang kita panaskan dibutuhkan benda yang dapat menyerap semua energi emisi tersebut. Dari sinilah muncul konsep benda hitam. Benda hitam tidak harus selalu berwarna hitam. Benda hitam dapat dibuat dengan membuat kotak yang mempunyai lubang kecil, agar radiasi hanya memasuki lubang kecil akan terpantul – pantul di antara dinding sehingga tidak ada kemungkinan radiasi (berupa cahaya) untuk keluar dari kotak (atau sebagai penyerap sempurna) melewati lubang tersebut. Radiasi benda hitam dianggap sebagai penyerap sempurna terhadap radiasi yang mengenainya. Dalam keadaan setimbang, benda hitam (walaupun benda yang benar – benar benda hitam belum ditemukan), secara teori, akan mengeluarkan cahaya tersebut dalam spektrum frekuensi f atau panjang gelombangλ. Para ilmuwan berusaha menjelaskan hubungan antara daya terpancar, yaitu energi emisi pada panjang gelombang λper satuan luas per satuan waktu. Dua orang ilmuwan, Lord Rayleigh dan Sir James Jeans menjelaskan bahwa intensitas radiasi benda hitam akan semakin meningkat seiring dengan kecilnya panjang gelombang cahaya (terutama cahaya ultraviolet). Hal ini dikenal dengan nama ultraviolet catastrophe atau bencana ultraviolet. Perkiraan mereka tidak terbukti, berarti harus ada penjelasan lain yang dapat diterima. [1] Kegagalan hukum Rayleigh – Jeans pada daerah panjang gelombang pendek ini, yang memperlihatkan suatu permasalahan serius yang dihadapi fisika klasik, mengingat teori elektromagnet dan termodinamika, yang mendasari hukum Rayleigh – Jeans, telah diuji dengan saksama dalam berbagai percobaan dan didapati sangat cocok dengan hasil pengamatan percobaan. Untuk kasus radiasi benda hitam ini, tampak bahwa teori – teori klasik tidak berhasil menjelaskannya, sehingga diperlukan suatu teori fisika. Fisika baru yang memberi tafsiran benar terhadap radiasi termal ini dikemukakan oleh fisikawan Jerman, Max Planck. Bencana ultraviolet disebabkan karena intensitas radiant yang diramalkan hukum Rayleigh – Jeans menjadi sangat besar pada daerah panjang gelombang pendek (atau pada frekuensi yang tinggi). Yang diperlukan adalah suatu cara untuk membuat R  0 bila λ 0 atau v  ∞. Menurut nalar Planck ,radias yang terpantul dari dinding rongga logam berasal dari radiasi yang diserap dan kemudian dipancarkan kembali dengan segera oleh atom – atom dinding rongga; selama selang waktu ini atom – atom bergetar pada frekuensi yang sama dengan frekuensi radiasi. Karena energi suatu sistem yang bergetar bergantung pada frekuensinya, maka Planck mencoba menemukan suatu cara untuk memperkecil jumlah gelombang berdiri berfrekuensi tinggi dengan memperkecil jumlah osilator berfrekuensi tinggi dalam dinding rongga. Dalam teori Planck, setiap osilator dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah yang merupakan kelipatan dari suatu energi dasar E=nɛ n = 1, 2, 3, . . . (1) n menyatakan jumlah kuanta. Selanjutnya, energi setiap kuanta ini ditentukan oleh frekuensi menurut ɛ = hv (2) h adalah suatu tetapan banding, yang sekarang dikenal sebagai tetapan Planck. Berdasarkan anggapan ini, spektrum intensitas radiant yang dihitung Planck adalah



R|λ|=



( c4 )( 8λπ ) [( hcλ ) ɛ 4



1 ћc/ λkT



−1



]



(3)



Penurunan hukum Stefan dari rumus Planck memberikan hubungan tetapan Stefan – Boltzmann dan tetapan Planck berikut :



2



2 π 5 k4 (4) 15 c2 h3 Karena kita mengetahui σ dari percobaan, maka kita dapat menentukan nilai tetapan Planck dari hubungan ini, dan hasilnya adalah σ=



h = 6,626 x 10-34 J.s Ketika Planck mengumumkan hasil temuannya ini di depan salah satu pertemuan Himpunan Fisikawan Jerman pada tahun 1900, tidak ada kegemparan yang dirasakan dalam dunia teori fisika yang telah mapan pada masa itu. Malahan Planck sendiri tidak percaya bahwa ia telah melakukan sesuatu yang besar, dan menilai pekerjaannya semata – mata merupakan suatu penjealsan ad hoc belaka bagi suatu gejala fisika.[2] Hukum Stefan – Boltzmann menyatakan bahwa radiasi total 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 (5) M 0=σ T 04



Dengan σ ¿ 5,67 x 10 4 W /m 2 K 4 (konstanta Stefan – Boltzmann). Pada saat 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 ditulis sebagai (6) M 0=σ T 04 Dengan demikian diperoleh



M ' =σ (T 4 −T 04 )



(7)



Dalam percobaan ini, sebuah oven listrik yang dilengkapi dengan asesori benda hitam akan berfungsi sebagai ‘benda hitam ideal’. Sensori suhu menggunakan termokopel NiCr-Ni yang dihubungkan dengan data logger CASSY ke komputer. Radiasi termal diukur dengan menggunakan termopile Moll yang dihubungkan ke CASSY pada kotak μV .[3] METODE EKSPERIMEN Pada eksperimen ini, digunakan satu set alat eksperimen produksi Leybold GmBH, yang terdiri dari perangkat oven listrik untuk tegangan 230 V, asesori benda hitam, safety connection box with ground, sensor CASSY, adaptorNiCr-Ni,sensortemperature NiCr-Ni, 1,5 mm, sensor µV, termophile moll, penyangga berbentuk v, 28 cm, bench optik kecil, multiclamp leybold, clamp universal, dan kabel berpasangan (merah/biru).Selainitu, sebagai tambahan digunakan1 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, dan satu laboratory bucket, 10 L.



3



Gambar 1. Rangkaian alat percobaan radiasi benda hitam 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. Setelah itu, melepas jendela kaca pada Termophile Moll. Lalu menjalankan pompa air dan pastikan pipa karet dari aliran air terhubung dengan baik ke oven pemanas, kemudian membiarkan 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 2. Tampilan program CASSY Lab



Pada komputer, pilih ikon CASSY Lab dan mengaktifkan sensor suhu NiCr-Ni dan kotak V. Mengatur rentang pengukuran suhu dari -100oC ... 200oC dan tegangan dari -3mV ... 3mV (lihat menu CASSY). Selanjutnya, mengamati perubahan intensitas radiasi sebagai fungsi kenaikan suhu.Saat suhu mencapai 170oC , memulai perekaman data hingga mencapai suhu 220,7oC Perekaman data dilakukan dengan menekan symbol measurement pada menu CASSY atau gunakan kunci F9. Ketika suhu mencapai 220,7oC matikan oven listrik agar mulai mengalami pendinginan. Melanjutkan pengukuran data hingga suhu menurun menjadi 70oC. Simpan data rekaman Anda dengan menekan kunci F2 atau gunakan symbol save pada menu CASSY.



Potensial U (X 10^-5 Volt)



HASIL DAN PEMBAHASAN 16 14 12 10 8 6 4 2 0



f(x) = 0.02 x + 10.04 R² = 0.98



0



50



100



150



200



Suhu Mutlak T^4-To^4 (X 10^8K^4)



4



250



Grafik 1. Hubungan antara Suhu Mutlak T4-To4 (X 108K4) dengan Potensial U (X 10-5 Volt)



Suhu 0C (Celcius)



250 f(x) = 222.46 exp( − 0 x ) R² = 1



200 150 100 50 0 0



500



1000



1500



2000



2500



3000



3500



4000



4500



Waktu t (detik)



Grafik 2. Hubungan antara Waktu t (detik) dengan Suhu 0C (Celcius) Berdasarkan analisis pada Laporan Eksperimen Fisika Unit 1 Nadiah Rahmayani Imran [4], dapat lebih jelas jika nilai pangkat suhu (T) dan nilai konstanta pendinginan Newton disajikan dalam bentuk tabel analisis sebagai berikut. Tabel 1.Hasil Perbandingan Temperatur Mutlak Secara Teori dan Grafik Pangkat  T Teori 5,67 x 10-8 Eksperimen/plot grafik |0,02 ± 4,03|10−13 Tabel 2.Hasil Perbandingan Antara Konstanta Pendinginan Newton Secara Teori  dan Grafik Konstanta k (s-1) Teori 8,57 x 10-5 Eksperimen/plot grafik | 8,57± 900| 10-5s-1 Berdasarkan hasil analisis data yang diperoleh dari grafik hubungan antara suhu mutlak dan tegangan berbanding lurus, hal ini dapat dilihat dari data yang dihasilkan dengan derajat kebenaran sebesar 97,9 % . Hasil yang diperoleh berbeda dengan teori karena suhu yang digunakan tidak mencapai maksimun yakni 500ºC . Hal ini disebabkan kondisi ruangan saat diadakannya pratikum yang menggunakan AC sehingga memperlambat proses pemanasan oven. Namun dari eksperimen ini diperoleh bahwa tegangan yang dihasilkan berbanding lurus dengan suhu mutlak pangkat empat dari bahan, hal ini sesuai dengan Hukum Stefan-Bolztman. Selanjutnya, untuk grafik hubungan antara suhu mutlak dan waktu kita dapat menentukan nilai konsatanta pendingin Newton (k)  yang merupakan nilai pangakat eksponensial yang terbentuk dari garis ,dengan derajat kebenaran sebesar 99,7%. Berdasarkan hasil perhitungan, diperoleh konstanta (k) | 8,57± 900| 10-5s-1. KESIMPULAN Adapun kesimpulan dari percobaan ini adalah intensitas radiasi benda hitam identik dengan tegangan berbanding lurus dengan suhu mutlak berpangkat empat. Hubungan intensitas radiasi dengan



5



suhu mutlak berpangkat empat. Hubungan intensitas radiasi dengan suhu mutlak berpangkat empat yaitu berbanding lurus, semakin besar intensitas radiasi benda hitam maka semakin tinggi suhu mutlak berpangkat empat. Konstanta pendinginan newton K yang merupakan hubungan antara suhu T dan waktu s yang dapat ditentukan dengan melihat pangkat eksponensial grafik, didapatkan 3 x 10 s -1 sedangkan menurut perhitungan yaitu 8,57 x 10-5 s-1 DAFTAR PUSTAKA [1] Yaz, Ali. 2007. Fisika 3 SMA Kelas XII, Jakarta : Penerbit Yudhistira, pp. 179 – 180. [2] Krane, Kenneth S.1992. Fisika Modern, Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia (UI –Press), pp. 179 – 180. [3] Subaer, & Yusuf, A., M. 2015. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika 1, Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika UNM, pp. 2 – 3. [4] Imran, Nadiah Rahmayani. 2019. Laporan Unit 6 Pengukuran Intesitas Radiasi Benda Hitam sebagai Fungsi Suhu (Hukum Stefan-Boltzmann dan Pendinginan Newton Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM, pp. 10–13



6