Benda Hitam

Pengertian Benda Hitam. Permukaan teoritis yang menyerap semua energi radiasi yang jatuh di atasnya, dan memancarkan energi elektromagnetik di semua frekuensi, dari gelombang radio hingga sinar gamma, dengan distribusi intensitas tergantung pada suhu. Karena semua cahaya tampak jatuh pada permukaan seperti diserap tanpa refleksi, permukaan akan tampak hitam selama suhu adalah sedemikian rupa sehingga puncak emisi tidak dari bagian terlihat.
Emisitas diberi lambing (e)adalah koefisien yang disebut emisivitas . Emisivitas
adalah ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam.
Nilai emisivitas (e) bergantung pada jenis permukaan benda. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek nilai e = 0, sedangkan benda hitam sempurna dengan nilai e = 1 adalah benda penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna radiasi kalor. Sedangkan nilai   0 < e < 1, benda yang dapat menyerap dan pemancarkan radiasi hanya sebagian saja.
Radiasi Benda Hitam dan Hukum Wien
Ketika benda hitam dipanaskan akan memancarkan radiasi karena energi termal dari objek. Tapi tidak hanya memancarkan panjang gelombang tunggal, melainkan distribusi cahaya yang mencapai puncaknya pada panjang gelombang tertentu. Puncak gelombang dapat ditentukan dengan menggunakan ekspresi yang dikenal sebagai Hukum Wien. Secara khusus, Hukum Wien menyatakan bahwa panjang gelombang puncak dapat ditentukan dengan membagi nomor yang dikenal sebagai konstanta pergeseran Wien (sekitar 2,9 × 10-3 K m) dengan suhu tubuh hitam (dalam kelvin).
Contoh Badan Hitam dan Radiasi Tubuh
Tidak ada yang namanya benda hitam “sempurna”, tapi banyak benda, seperti kumparan pada kompor Anda atau bahkan tubuh manusia, adalah contoh pendekatan benda hitam. Salah satu yang lebih jelas, khususnya yang berkaitan dengan astronomi, adalah matahari kita. Permukaannya kira-kira 6.000 Kelvin (atau derajat Celcius jika Anda lebih suka, pada suhu ini perbedaannya hampir diabaikan). Bumi juga dianggap sebagai radiator benda hitam, meskipun pasti kurang dari ideal.
Berapa besar energi kalor yang diradiasikan oleh permukaan benda ? Pada tahun 1879 Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam. Dia menyatakan bahwa energi radiasi tiap detik itu sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian , Ludwig Boltzman menurunkan rumus yang sama. Persamaan yang didapat dari hubungan ini dikenal sebagai Hukum Stefan Boltzman, yang berbunyi : energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan (T⁴). Secara matematika ditulis :

Tetapan s (dibaca sigma) dikenal dengan sebagai tetapan Stefan-Boltman dalam satuan SI mempunyai nilai:

Tidak semua benda dapat dianggap benda hitam. Oleh karena itu, diperlukan modifikasi pada pada persamaan, sehingga dapat digunakan pada setiap benda. Jadi persamaan Stefan-Bolzman untuk setiap bebda dapat ditulis :

P= Daya radiasi/energi kalor tiap sekon (W/m2)
Q= kalor/panas yang diradiasikan (kalori)
1 Kal = 4,2 Joule
e= emisitas, nilai e®   0 ≤e≤ 1
s = 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4
A = luas permukaan benda (m²)
T⁴ = Suhu Mutlak (K^-4)
W = Energi radiasi kalor (joule)
t= waktu selama benda meradiasai (sekon)
Contoh Soal :
1. Sebuah pelatr baja tipis berbentuk persegi dengan panjang sisi 10 cm, dipanaskan dalam suatu tungku sehingga suhunya mencapai 727^o Tentukan energi radiasi kalor setiap sekon.
Penyelesaian :
Dikertahui : A= Luas permukaan atas dan bawah = 2(10 cm)² = 0,02 m², e = 1
T= 727 +273 = 1000 K
Ditanyakan : W:…?
Jawab


2. Energi listrik menjadi energi kalor
Kawat spiral lampu pijar luas permukaan 50 mm2, suhunya 1127o, 60 5 dari energi listrik  yang dihantarkan pada lampu diradiasikan dalam bentuk kalor, dan kawat pijar bersifat seperti benda hitam. Berapa ampere arus yang mengalir dalam lampu yang dihubungkan dengan stop kontak (bertegangan 220 Volt) , agar lampu tersebut dapat berfungsi ?
Penyelesaian Soal
Diketahui : A= 50 mm² = 50 x 10^-6 m², T (1127+273) = 1400 K, e = 1
60% daya listrik menjadi radiasi kalor
Ditanyakan : i.   ?
Jawab :
P = e. s A T⁴= 1 x 5,67 x 10^-8 x  50 x 10^-6 x (1400)4 = 10,89 Watt
P listrik = 10,89/60%= 10,89/0,60 = 18,15 W
P listrik = V.i = 200 x i= 10,15 ® i = 18,15/220 = 0,0825 A