Laporan Fisika Modern - Pengukuran Iintensitas Radiasi Benda Hitam sebagai Fungsi Suhu (Hukum Stefan – Boltzman)

 PENGUKURAN INTENSITAS RADIASI BENDA HITAM SEBAGAI FUNGSI SUHU ( HUKUM STEFAN – BOLTZMANN)

Rustam Hafid, Muhammad Amin, Andi Asliani, Riningsih, Nur Awa

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA

Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Telah dilakukan praktikum dengan judul pengukuran intensitas radiasi benda hitam sebagai fungsi suhu (hukum stefan bolzman) yang bertujuan untuk menentukan intensitas radiasi efektif suatu benda hitam pada kisaran suhu 300 – 700  dan menentukan hubungan antara intensitas radiasi dengan suhu mutlak (Hukum stefan boltzman). Data diperoleh dengan menghubungkan rangkaian alat eksperimen dengan produksi Leybold GmBH oleh Program CASSY Lab pada computer dengan rentang suhu 300^o C – 700^o C. Eksperimen ini menggunakan oven listrik yang dilengkapi dengan asesori benda hitam yang akan berfungsi sebagai benda hitam ideal. Sensor suhu menggunakan termokopel NiCr-Ni yang dihubungkan dengan data logger CASSY ke komputer. Fungsi program Cassy adalah sebagai data perekam tentang suhu oven listrik dan tegangan sebagai fungsi temperatur. Hasil penelitian ini menghasilkan kisaran suhu mutlak T . Ini menunjukkan bahwa nilai dari T yang diperoleh berbeda dengan nilai T teori yakni 4 dikarenakan adanya kesalahan pada saat melakukan praktikum. Nilai dari konstanta pendinginan k adalah  -0,0000074 s^-1 sesuai analisis grafik dan dengan hukum pendinginan Newton adalah - 0,000092 s^-1.

KATA KUNCI: radiasi benda hitam, suhu, konstanta pendinginan Newton .

PENDAHULUAN

            Percobaan Pengukuran Radiasi Intentitas benda hitam, bertujuan untuk mengukur intentitas radiasi (relatif) dari benda hitam pada suhu 300 - 7000  dan menentukan hubungan antara intentitas radiasi dengan suhu mutlak (Hukum Stefan Boltzmann).

            Perrcobaan pertama kali dilakukan oleh Josef Stefan (1835 - 1893) di Wina pada tahun 1879 olyang menemukan bahwa seluruh spektrum energi sebanding dengan empat dari suhu benda hitam. Lima tahun kemudian, Ludwiq Boltzmann (1844 - 1906) salah satu pelopor yang memperkenalkan konsep mekanika statistik tekanan radiasi, menunjukkan bahwa persamaan empiris Stefan dapat diperoleh dari hukum kedua teori termodinamika. Kolaborasi dari dua tokoh tersebut, Stefan dan Boltzmann, yang memulai langkah pertama dalam upaya untuk menemukan fungsi Kirchoof. [I]

            Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan produksi Leybold GmBH. Dengan menyalakan oven listrik, kenaikan suhu pada 500  diamati pada layar komputer, kemudian mengamati perubahan sebagai fungsi dari peningkatan intentitas radiasi suhu.dan tekan F9 untuk merekam data .

TEORI

Seorang ilmuan fisika yaitu Kirchhoff menemukan bahwa rapat intensitas spectral, yaitu intensitas per satuan panjang gelombang dan persatuan sudut padata dari sebuah benda hitam merupakan fungsi dari panjang gelombang dan temperature. Pada tahun 1879 Josef Stefan yang pertama kali menemukan bahwa rapat energi seluruh spektrum ini sebanding dengan pangkat empat dari temperatur benda hitam. [2]

        Kirchhoff ( 1859 ) menunjukkan dari hukum kedua termodinamika, bahwa radiasi didalam rongga benda hitam bersifat isotropic, yaitu fluks radiasi bebas dari arah/orientasi, kemudian juga bersifat homogen yaitu fluks radiasi sama untuk disetiap titik, dan juga sama dalam semua rongga pada suhu yang sama, untuk setiap panjang gelombang.

 

Daya emisi ( dengan alasan geometrik sederhana ) lalu dikaitkan dengan rapat energy u (  ) didalam rongga adalah :

   Selanjutnya pada tahun 1879, seorang ahli fisika yaitu Stefan-Boltzmann mengemukakan suatu hasil eksperimen bahwa “emisivitas dari benda padat yang panas sebanding dengan temperature absolut benda pangkat empat”. Dengan demikian total emisi adalah radiasi intensitas pada semua frekuensi.

        Hukum Stefan – Boltzmann yang   menyatakan bahwa radiasi total yang 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,

M = σT⁴………..(2)

Dengan σ = 5,67×10^-8w/m²k⁴ ( konstanta Boltzmann ). [3]

Fungsi distribusi spectrum P (l,T) dapat dihitung dari termodinamika klasik secara langsung. Hasil perhitungan klasik ini yang dikenal sebagai hukum Rayleigh-Jeans, ialah:

P (l,T) = 8pkTl^-4 ……(1.7)

Dengan k merupan kostanta Boltzman. Hasil ini sesuai dengan dengan hasil yang diperoleh secara percobaan untuk panjang gelombang yang panjang, tetapi tidak untuk panjang gelombang yang pendek. Begitu l mendekati nol, fungsi           P (l,T) yang ditentukan secara percobaan juga mendekati nol, tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak terhingga karena sebanding dengan l^-4. Dengan demikian menurut perhitungan klasik, benda hitam meradiasikan jumlah energi yang tak terhingga yang terkonsentrasi pada panjang gelombang yang pendek. Hasil ini dikenal sebagai katastrof ultraviolet. [4]

METODOLOGI EKSPERIMEN

        Alat dan bahan yang digunakan pada percobaan ini yaitu, satu set alat eksperimen produksi leybold GmBH yang terdiri atas : oven listrik untuk tegangan 230 V, asesori benda hitam, safety connection box with ground, sensor cassy, cassy lab, adaptor NiCr-Ni, sensor temperatur NiCr-Ni 1,5 mm, boks µV, termofile moll, benc optic kecil shortrod, penyangga berbentuk V 28 cm, multiclamp leybold, clamp universal, dan kabel berpasangan 100 cm merah/biru. Kemudian tambahan 1 PC dengan system operasi windows 98 atau yang lebih tinggi, serta peralatan lain yang direkomendasikan : satu immersion pump 12 V, satu low-voltage power supply, satu silicone tubing, 7 mm ϕ, satu laboratory bucket, 10 I.

        Adapun Yang harus dilakukan sebelum melakukan pengambilan data adalah kita harus terlebih dahulu mempelajari semua komponen  alat seperti pada gambar 2. dibawah ini !

Setelah itu menghubungkan seluruh komponen alat kesumber tegangan PLN termasuk computer, setelah semua komponen terpasang dengan baik, selanjutnya menjalankan pompa akuades dan memastikan pipa karet dari aliran akuades terhubung dengan baik ke oven pemanas, sebelum oven pemanas di nyalakan terlebih dahulu membiarkan akuades mengalir selama kurang lebih 2 menit, kemudian oven listrik dinyalakan dan menunggu beberapa jam untuk melakukan pemanasan hingga suhunya naik 420 V  yang dapat diamati pada layar komputer, tapi sebelumnya nyalakan  terlebih dahulu komputer yang telah disediakan, kemudian menklik ikon CASSY pada komputer dan menunggu sampai muncul tampilan seperti pada gambar 3. Dibawah ini!

setelah itu, mengaturnya hingga muncul   pembacaan suhu dan tegangan pada tampilan CASSY. Mengamati suhu pada komputer, kemudian ketika suhunya maksimal, maka selanjutnya akan terjadi pendinginan, yaitu terjadi penurunan suhu, sebelum melakukan penyimpanan data, matikan terlebih dahulu oven listrik dan tunggu sampai suhunya turun 350⁰C, kemudian lakukan proses penyimpangan data denga cara menekan symbol measurement pada menu CASSY atau menggunakan kunci F9. Dan tunggu sampai suhunya turun 50⁰C,  ketika suhunya turun, maka selanjutnya menyimpan data dengan cara menekan save pada tampilan CASSY atau menggunakan kunci F2.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA

Analisis pertama dalam percobaan ini kita akan membuktikan bahwa hukum Stefen-Boltzmann

Kita akan menganalisis bahwa total radiasi yang dipancarkan dari benda hitam meningkat proporsional dengan suhu mutlak T pangkat empat.

Untuk mengetahui p dari

Kita membuat grafik hubungan antara tegangan dan temperatur (tegangan sebagai indkiator dari intensitas radiasi).

Berdasarkan dari hasil percobaan, kita memperoleh data dari grafik yang ditunjukkan pada grafik dibawah:

 Diperoleh dari garis linear pada grafik yaitu,

y =  4.2916x - 15.973, dimana nilai pangkatnya yaitu p = 4,2916, sehingga perbandingannya menjadi, 4 : 4,2916. Dan derajat kepercayaannya diperoleh dari nilai R² pada grafik, yaitu :

Derajat kepercayaan (DK) = R² =  0,858

 = 85,80 %

Kesalahan relatifnya (KR) = 100% - DK = 14 %

Selanjutnya grafik hubungan antara waktu (t/s) dengan suhu mutlak (T/K) yaitu :

Berdasarkan grafik diatas diperoleh nilai konstanta pendinginan newton yaitu :

y   = 565,04e^-9E-05x

R² = 0,9178, dimana e^-9E-05x sama dengan e^kt sehingga nilai k (konstanta pendinginan newton) adalah -9E-05 atau – 9 × 10⁵s^-1.

Derajat kebenaran (DK) = R² = 0,9178

 = 91,78%

Kesalahan relative (KR) = 100% - 91,78%

 = 8,22%

Nilai Δk = KR x k

  = 0,0822x (-0,00009 s^-1)

  = -0,0000074 s^-1

Secara ilmiah hasil analisis grafik secara ilmiah dilaporkan dalam 2 angka penting

Nilai rata-rata konstanta pendinginan Newton yang diperoleh dengan menggunakan persamaan,

Berdasarkan analisis diatas dapat lebih jelas jika nilai pangkat suhu (p) 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	4
Plot  grafik	4,2916

TABEL 2. Hasil Perbandingan Antara Konstanta Pendinginan Newton Secara Teori  dan Grafik

	Konstanta k (s-1)
Teori	- 0,000092 s-1
Plot grafik	-          -0,0000074 s-1

Berdasarkan pada eksperimen dari intensitas radiasi benda hitam, kami memperoleh nilai dari suhu mutlak T dari grafik hubungan antara log V dan log T sebagai fungsi linear. Kami memperoleh nilai T mutlak 4,2916 secara analisis grafik dan 4 secara teori sehingga nilai kesalahan relatifnya adalah 14 %.  Hal ini terjadi karena suhu awal yang digunakan 380 sedangkan yang harus kita adalah 500⁰ c.

Untuk konstanta k, kita membandingkan antara konstanta k pada grafik dengan yang ada pada hukum pendinginan Newton. Berdasarkan grafik, kami memperoleh konstanta k dari persamaan grafik hubungan antara suhu mutlak dan waktu, sehingga diperoleh |9,0 ± 0,74|x 10^-4 s^-1. Berdasarkan pada hukum pendinginan Newton, kita memperoleh kontanta k dengan membagi antara suhu mutlak dan suhu tertinggi dari hasil eksperimen. Kemudian, kita membuat ln dari hasil dan membaginya sebagai waktu. Dari 7635 data, kita membuat rata-rata dari konstanta k, dan diperoleh  - 0,000092 s^-1 ini sangat berbeda dengan nilai yang diperoleh dari grafik dimana diperoleh -0,0000074 s^-1 sehingga diperoleh nilai kesalahan relatif  8,22%.

SIMPULAN

Berdasarkan pada hasil eksperimen dan analisis data, kita memiliki nilai suhu mutlak T . Ini menunjukkan bahwa nilai dari T yang diperoleh berbeda dengan nilai T teori yakni 4 dikarenakan adanya kesalahan pada saat melakukan praktikum. Nilai dari konstanta pendinginan k adalah  -0,0000074 s^-1 sesuai analisis grafik dan dengan hukum pendinginan Newton adalah     - 0,000092 s^-1.

REFERENSI

[1] Giri, P.K. 2005. Physics Laboratory For Engineering Undergraduates. Indian Institute odf Technology Guwahati: Department of Physics.

[2] Subaer, dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I. Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.

[3] Daud M., Jasruddin. 2005. Pengantar Fisika Modern. Makassar: Badan Penerbit UNM Makassar.

[4] Tipler, Paul. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga.