Benda hitam adalah istilah yang pertama kali diperkenalkan pada tahun 1862 oleh Gustav Robert Kirchhoff. Sederhananya, benda hitam adalah istilah untuk benda yang menyerap radiasi termal yang diperoleh dengan tidak memantulkan cahaya dan tidak membiarkan cahaya dalam bentuk apapun keluar dari segala arah.
Energi yang berhasil diserap kemudian akan mulai memanas dan memancarkan radiasi. Inilah yang dikenal sebagai radiasi benda hitam. Sebenarnya, tidak ada benda hitam yang benar-benar ideal. Hanya saja, ada beberapa objek yang seperti benda hitam.
Misalnya, pembakar pada kompor listrik. Ketika suhu kompor dinaikkan dari rendah ke tinggi, terlihat bahwa kompor akan memancarkan radiasi benda hitam sehingga terjadi perubahan dari hitam menjadi merah.
Prinsip Radiasi Benda Hitam
Prinsip kerja radiasi benda hitam sebenarnya cukup sederhana. Saat memasuki rongga, cahaya kemudian akan dipantulkan berulang kali tanpa pernah meninggalkan atau keluar dari rongga.
Pada setiap pantulan yang terbentuk, cahaya kemudian akan diserap oleh dinding hitam jika suhunya lebih rendah dari suhu sekitar. Sebaliknya, cahaya akan dipancarkan ketika suhu lebih tinggi dari lingkungan.
Penyebab Radiasi Benda Hitam
Secara garis besar, radiasi benda hitam sebenarnya termasuk salah satu jenis radiasi elektromagnetik panas atau termal yang berlangsung di bagian dalam atau area sekitar benda dalam kondisi kesetimbangan termodinamika dengan lingkungannya. Atau, sederhananya, saat terjadi proses pengusiran dari benda hitam.
Benda hitam adalah benda buram yang tidak memantulkan cahaya. Benda hitam juga bertindak sebagai pemancar dan penyerap panas radiasi yang sempurna dengan nilai efisiensi hingga 100%.
Jumlah energi yang dipancarkan oleh permukaan benda hitam dalam bentuk radiasi kalor per satuan waktu berbanding lurus dengan luas permukaan dan pangkat empat suhu mutlak benda tersebut.
Manfaat Radiasi Benda Hitam
Pemanfaatan radiasi benda hitam dapat dilihat pada instrumen panel surya yang menyerap panas dan mengubahnya menjadi energi listrik. Panel surya itu sendiri terdiri dari wadah logam berongga dan dicat hitam serta panel yang terbuat dari bahan kaca.
Radiasi panas yang berasal dari matahari akan diserap oleh permukaan benda hitam, kemudian dipancarkan dari logam secara konduksi. Bagian dalam panel masih memiliki suhu yang hangat karena mendapat perlindungan dari efek rumah kaca. Kemudian, sirkulasi air yang terjadi pada wadah logam akan membawa panas untuk selanjutnya dimanfaatkan oleh sistem pemanas air dan kolam renang.
Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Radiasi Pada Benda
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi radiasi suatu benda, antara lain:
- Suhu. Ketika suhu lebih tinggi, objek cenderung memancarkan radiasi dalam jumlah yang lebih besar.
- Sifat permukaan benda. Permukaan yang cenderung lebih kasar dan dapat memancarkan radiasi dibandingkan dengan permukaan yang lebih halus.
- Bentuk dan luas permukaan benda. Jika luas permukaan benda lebih luas, maka radiasi yang dipancarkan lebih banyak.
- Tegangan. Semakin tinggi tegangan, semakin banyak radiasi yang dipancarkan.
Selain itu, beberapa faktor lain juga mempengaruhi radiasi benda hitam pada suatu objek, antara lain:
- konstanta matahari.
- Tingkat kejernihan atmosfer.
- Periode paparan sinar matahari.
- Arah sinar matahari.
- Garis lintang bumi.
Sifat Spektrum Radiasi Benda Hitam
Radiasi yang muncul dari benda hitam mungkin tidak sama dengan radiasi cahaya. Ini karena radiasi benda hitam lebih bisa dirasakan daripada dilihat. Adapun beberapa sifat spektrum radiasi benda hitam antara lain:
- Benda hitam dengan suhu lebih tinggi akan cenderung memancarkan lebih banyak cahaya pada keseluruhan panjang gelombang.
- Spektrum benda hitam bersifat tetap dan memiliki puncak yang panjang pada panjang gelombang tertentu. Puncak ini adalah spektrum yang bergerak di bagian panjang gelombang yang relatif lebih panas daripada objek kecil.
Rumus Radiasi Benda Hitam
Setiap benda di bumi memiliki emisivitas, yaitu energi yang dipancarkan bukan energi yang diperoleh. Nilai emisivitas tertinggi adalah 1 atau e=1. Ketika suatu objek memiliki nilai maksimum, ini berarti ia telah memancarkan radiasi yang dapat diterima.
Ada beberapa rumus untuk menghitung radiasi benda hitam, yaitu Hukum Perpindahan Wien, Hukum Stefan-Boltzmann, dan Hukum Planck.
Contoh radiasi benda hitam dalam kehidupan sehari-hari
Contoh radiasi benda hitam dalam kehidupan nyata sangat mudah yaitu:
1. Mengenakan pakaian hitam
Hitam adalah warna yang lebih cepat menyerap panas jika dibantu oleh warna terang pada umumnya.
2. Termos
Selain itu, ada juga termos. Pada labu terdapat lapisan berwarna perak yang berfungsi sebagai pelindung labu sehingga terjadi perpindahan panas secara radiasi. Lapisan ini kemudian memantulkan energi panas pada termos, sehingga suhu di dalam termos menjadi hangat.
3. Efek rumah kaca
Efek rumah kaca merupakan salah satu kondisi yang menyebabkan bumi mengalami kondisi yang disebut pemanasan global. Radiasi yang berasal dari panas matahari yang masuk ke bumi akan kembali dipantulkan dan diserap oleh gas-gas atmosfer. Radiasi yang terperangkap di atmosfer inilah yang menyebabkan suhu bumi memanas.
4. Panel surya
Terakhir, panel surya menyerap energi panas dan mengubahnya menjadi energi listrik. Panel surya merupakan wadah yang terbuat dari logam berongga, kemudian diberi cat hitam dengan panel yang terbuat dari bahan kaca.
Permukaan hitam kemudian akan menyerap panas radiasi yang berasal dari matahari, kemudian mentransfer panas secara konduksi dari logam. Bagian dalam panel memiliki suhu yang hangat karena dipertahankan oleh efek rumah kaca.
Proses Terjadinya Radiasi Benda Hitam
Radiasi benda hitam terjadi ketika suatu benda menyerap dan menghalangi cahaya. Kemudian, benda tersebut memancarkan radiasi ke sekelilingnya. Jadi, radiasi benda hitam akan lebih terasa dari peningkatan suhu atau perubahan warna tertentu.
Contoh Masalah Radiasi Benda Hitam Untuk lebih memahami tentang radiasi benda hitam, perhatikan contoh berikut.
1. Benda hitam memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 8700 Å ketika intensitas radiasi mencapai nilai maksimumnya. Tentukan suhu permukaan benda yang memancarkan gelombang tersebut!
Dikenal:
λm = 9000 Å = 9 x 10ˉ⁷ m
c = 2,90 x 10ˉ³ mK
Menjawab:
λm x T = c
9 x 10ˉ⁷ mx
T = 2,90 x 10ˉ³ mK
T = (2,90 x 10ˉ³ mK)/ (9 x 10ˉ⁷ m)
T = 3222 K
2. Seberkas sinar jingga memiliki panjang gelombang 6600 Å dari benda hitam yang disinari. Berapa banyak energi foton yang terkandung dalam cahaya oranye?
Dikenal:
λ = 6600 Å = 6,6 x 10ˉ⁷ m
c = 3 x 10⁸ m/s
h = 6,6 x 10ˉ³⁴ Jd
Contoh soal radiasi benda hitam:
E = hx ƒ
E = hx (c/λ)
E = (6,6 x 10ˉ³⁴ Js) x (3 x 10⁸/6,6 x 10ˉ⁷)
E = 3 x 10ˉ1⁹ Joule
Demikian tadi penjelasan lengkap tentang radiasi benda hitam beserta contoh soal menghitungnya. Semoga bermanfaat.
