EKSPERIMEN FISIKA: RADIASI TERMAL

Download Free e-books Fisika di http://www.elhobela.co.cc Persembahan Web-Blog Edukasi ELHOBELA

RADIASI TERMAL (KUBUS LESLIE)

LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA I

Diajukan guna memenuhi tugas praktikum Eksperimen Fisika I

Oleh:

Abdus Solihin

NIM 071810201067

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA DAN FISIKA MODERN

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS JEMBER

2009


KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah, Tuhan semesta alam yang telah memberi sangat

banyak kenikmatan kepada makhluknya, sehingga dengankenikmatan itu hamba

ini mampu menyelesaikan tulisan ini. Shalawat an salam tetap tercurahkan kepada

Rasullullah Muhammad SAW yang telah menyampaikan risalah kebaikan akhlak,

keobjektifan berpikir, dan kemaksimalan humanisme lewat ayat-ayat Qur’aniah

yang dibawanya berupa Al-Qur’an, Al-Hadits, dan peluang kemajuan yang berupa

ayat-ayat kauniah.

Salah satu dari sedemikian banyaknya ayat kauniah tersebut adalah

fenomena radiasi termal yang terjadi pada suatu permukaan benda. Dan

demikianlah eksperimen ini dapat menambah kerangka filosofis bagi penulis, dan

semoga juga bagi pembaca, guna kemaksimalan ilai-nilai kemanusiaan kita

dihadapan sesama dan dihadapan Sang Pencipta.

Demikian kami ucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada:

1. Ketua Jurusan Fisika: Bpk. Dr. Edy Sutrisno

2. Dosen pembimbing praktikum: Bpk. Supriadi, S.Si

3. Asisten pembimbing

Sebagaimana peribahasa tak ada gading yang tak retak, maka penulis

mengharapkan kritik dan saran guna penyempurnaan tulisan selanjutnya. Penulis

ucapkan terimakasih banyak atas perhatiannya.

Penulis

Abdus Solihin


Abdus Solihin

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Alam, Universitas Jember

ABSTRAK

Radiasi atau sinaran merupakan perpindahan kalor melalui fenomena gelombang

elektromagnetik yang digunakan untuk berbagai proses. Radiasi erat

hubungannya dengan daya serap dan daya daya pancar gelombang radiasi yang

biasa disebut dengan emisivitas. Rumusan mengenai emisivitas telah dijelaskan

oleh Steven Boltzman. Berdasar teori dan konsep dasar Steven Boltzman

tersebutlah ekperimen ini dilakukan. Eksperimen ini dijalankan dengan

menggunakan kubus leslie yang selanjutnya di lakukan perlakuan pada keempat

sisi yang memiliki warna yang berbeda. Dari hasil eksperime diperoleh

kesimpulan bahwa warna permukaan benda yang berwarna hitam memiliki nilai

emisivitas paling tinggi dari pada jenis permukaan dengan warna yang lain.

(Kata kunci: Radiation, Calor, Thermal radiation)


BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Radiasi adalah transfer noise energi dari satu sistem ke sistem yang

lain dalam ruang lingkup perspektif berbagai proses yang melibatkan

fenomena gelombang elektromagnetik. Ada beberapa jenis radiasi, misalnya:

radiasi ionisasi, radiasi elektromagnetik dan radiasi termal. Dalam

ekpsperimen radiasi termal, radiasi termal diamati sebagai energi yang

dipancarkan oleh sebuah benda atau permukaan karena temperatur yang

dimilikinya. Radiasi termal ini (yang dipancarkan dapat diukur dengan

menggunakan millivolt meter pada sensor radiasinya). Pengamatannya

dilakukan dengan beberapa permukaan sensor yang jenisnya berbeda-beda

dengan power yang digunakan berbeda pula.

Untuk mengetahui ada tidaknya radiasi pada eksperimen radiasi

termal ini, dilakukan perlakuan pada serapan dan transmisi radiasi termal

dengan cara seperti yang disebutkan diatas, akan tetapi antara mata sensor

dan dindingnya di beri jarak 5 cm, jarak ini diberi lempeng kaca, logam dan

gabus secara bergantian, hal ini dilakukan untuk mengetahui adanya radiasi.

Secara teoritis, yang mampu memancarkan dan menyerap panas dengan baik

hanyalah benda hitam. Sehingga pada percobaan yang kedua ini hanya

menggunakan permukaan kubus yang berwarna hitam tetapi dengan lempeng

yng berbeda-beda yang diharapkan dapat memberikan data cukup dalam

mendeskrpsikan sifat-sifat radiasi energi termal.

Banyak fenomena radiasi termal dapat ditemui dalam kehidupan

sehari-hari. Misalnya dalam ruang lingkup peralatan rumah tangga seperti

pada pemanas listrik, microwave, radio dan lain sebagainya. Sehingga

dipertimbangkan bahwa eksperimen mengenai radiasi termal penting untuk

dilakukan sehingga dapat memberikan kontribusi yang besar dalam

kehidupan bermasyarakat.


1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dari eksperimen ini adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana perbandingan kuantitas dan kualitas radiasi termal yang

dipancarakan oleh sumber termal pada sisi permukaan kubus yang

berbeda-beda?

2. Bagaimana pengaruh jenis-jenis lempeng yang berbeda yang digunakan

sebagai pembatas atau sekat antara sensor dan kubus?

3. Bagaimana nilai hambatan R dan radiasi yang terpancar pada suhu diatas

suhu ruang?

1.3 Tujuan Praktikum

Tujuan praktikum berdasarkan rumusan masalah yang didapat:

1. Mengamati dan mengukur radiasi termal yang dipancarkan sumber termal.

2. Mengetahui pengaruh lempeng yang berbeda antara sensor dan kubus.

3. Mengetahui besarnya hambatan R dan radiasi yang terpancar padaa suhu

diatas suhu ruang.

1.3 Manfaat Praktikum

Praktikum ini diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam identifikasi

sifat-sifat radiasi termal yang dipancarkan oleh sumber termal, sehingga dapat

diketahui pengaruh lempeng yang berbeda antara sensor dan kubus yang

selanjutnya dapat digunakan untuk pengambangan lebih lanjut. Dengan

demikian akan diketahui konsep dasar dari timbulnya panas pada proses kerja

peralatan listrik semisal pemanas listrik, microwave, radio dan lain

sebagainya.


BAB 2. DASAR TEORI

Ada suatu perbedaan antara kalor (heat) dan energi dalam dari suatu

bahan. Kalor hanya digunakan bila menjelaskan perpindahan energi dari satu

tempat ke yang lain. Kalor adalah energi yang dipindahkan akibat adanya

perbedaan temperatur.. Sedangkan energi dalam (termis) adalah energi karena

temperaturnya.(Bahrudin, 2006: 148)

Para ilmuwan berpandangan bahwa kalor adalah sejenis zat cair (kalorik)

yang terkandung dalam tiap benda dan tidak terlihat oleh mta manusia.” Kalor

dapat diartikan sebagai bentuk energy yang berpindah dari benda yang suhunya

lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika benda itu bersentuhan.

(Halliday, 1984: 83).

Radiasi kalor yang dipancarkan oleh suatu benda bergantung pada

suhunya, makin tinggi suhu suatu benda, makin besar pula energi kalor yang

dipancarkan · Joseph Stefan dan Ludwig Boltzman telah melakukan pengukuran

laju energi kalor radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda, kemudian dikenal

dengan Hukum Stefan-Boltzman.

E = 𝜀𝜎𝐴𝑇4 = Q/T

Keterangan :

E : daya radiasi (laju energi yang dipancarkan)

Q : energi kalor (J)

t : waktu (t)

s : konstanta Stefan-Boltzman (5,67 10-8 W/m2 K4)

A : luas permukaan benda (m2)

T : suhu mutlak permukaan benda (K)

Emisivitas suatu benda menyatakan kemampuan benda untuk memancarkan

radiasi kalor, semakin besar emisivitas maka semakin mudah benda tersebut

memancarkan energi. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas (e = 1) yaitu

benda yang dapat menyerap semua. Energi kalor yang datang dan dapat

memancarkan energi kalor dengan sempurna.(Bueche, 2007: 133)


Radiasi atau sinaran merupakan perpindahan kalor melalui fenomena

gelombang elektromagnetik yang digunakan untuk berbagai proses. Radiasi

termal didefinisikan sebagai bagian spectrum yang mempunyai panjang

gelombang antara 1x10−7m dan 1x10−4m.” Atau sering kita dengar sebagai

energy yang dipancarkan oleh sebuah benda atau permukaan karena temperature

yang dimilikinya. Radiasi termal ini akan dipancarkan oleh benda panas dalam

bantuk gelombang elektromagnetik Benda-benda yang mudah menyerap panas

maka juga mudah memancarkan panas. (Jasjfi, 1987: 255-257)

Radiasi yang dipancarkan suatu benda biasa tidak hanya bergantung pada

suhu, tetapi juga pada sifat-sifat lainnya, seperti rupa benda, sifat permukaannya

dan bahan pembuatnya. Tetapi untuk praktikum kali ini, kita tidak akan meninjau

benda biasa, tetapi benda yang permukaannya yang sama sekali hitam (benda

hitam / Black Body). Jika sebuah benda sama sekali hitam, maka cahaya yang

jatuh padanya tidak ada yang dia pantulkan. Pada radiasi termal ini, permukaan

ideal dalam pengkajian perpindahan kalor radiasi adalah benda hitam tersebut

dengan nilai emisivitas(𝜀=1), benda hitam ini memiliki kemampuan menyerap dan

memancarkan panas paling sempurna, jadi benda hitam ini menyerap semua

radiasi termal yang menimpanya, betapapun dia karakteristik spectrum dan

karakteristik arahnya. “Kalau secara umum untuk kebanyakan benda(𝜀 < 1).

Menurut Stephen Bolzman, energy radiasi yang dipancarkan oleh prermukaan

benda.

E = 𝜀𝜎𝐴𝑇4 = 𝑄𝑡

Dengan 𝜀 merupakan emisivitas permukaan, besarnya mencapai 0≤ 𝜀 ≤ 1,

tetapan 𝜎 dibaca (sigma) dikenal sebagai tetapan Stephen Bolzman yang memiliki

nilai 𝜎=5.67 x 10−5M𝑚−2𝐾−4. Tidak semua bend dikatakan sebagai benda

hitam. (Krane, 1992: 88)

Dalam hal ini, radiasi merupakan perpindahan kalor tanpa adanya zat

perantara. Contohnya panas matahari yamg sampai ke bumi. Contoh dari

konduksi yaitu logam dimana kalor dipindahkan melalui electron-elektron bebas


yang terdapat dalam struktur atom logam sehingga electron bebas mudah

berpindah. Perpindahan electron ini dapat diberikan ke electron-elektron lain

dengan cepat (Zemansky, 1994: 67)


BAB 3. METODE PENELITIAN

3.1 Alat dan Bahan

1. Sensor Radiasi: untuk mengukur radiasi termal yang di pancarkan oleh

sumber panas

2. Kubus Leslie: sebagai alat yang akan di ukur nilai radiasi termalnya (alat

yang mempunyai empat sisi permukaan yang berbeda yaitu hitam, putih,

kilap, dan kusam).

3. Statis: tempat untuk meletakkan sensor radiasi

4. Multimeter: untuk mengukur berapa besar radiasi termal yang di

pancarkan oleh sumber panas

5. Lempeng kaca, logam, dan gabus: digunakan sebagai sekat untuk menutup

radiasi.

3.2 Langkah Kerja

A. Emisifitas berbagai jenis permukaan

1. Peralatan dirangkai seperti gambar berikut,

Gambar 1. Set-up alat kubus leslie

2. Kubus Leslie dinyalakan dan aturlah power ke posisi “HIGH”

pembacaan pada ohmmeter.Jika terbaca 40 KΩ, reset tombol power

ke posisi 5,0 dan tunggu beberapa saat.


3. Pada saat kubus telah mencapai kesetimbangan termal pada seting 5,0

yang ditunjukkan oleh ohmmeter yang nilainya relative stabil pada

suatu nilai tertentu, sensor radiasi ditempatkan sedemikian rupa hingga

mata sensor menyentuh dinding kubus Leslie untuk menjamin jarak

pengukuran sama untuk semua jenis permukaan kubus. Dengan sensor

ini maka radiasi dari kubus akan diukur.

4. Kemudian dilakukan pencatatan terhadap hasil pengamatan.

5. Percobaan diulang kembali kembali pada seting power 6.0, 7.0, 8.0 dan

catat hasilnya pada tabel pengamatan.

B. Serapan dan Transmisi Radiasi Termal

1. Kubus Leslie diatur pada seting power 5,0 dan dibiarkan sampai

kesetimbangan termal terjadi.

2. Ujung sensor ditempatkan 5cm di depan dinding hitam kubus dengan

muka sensor sejajar dinding dan lakukan pengamatan seperti percobaan

A.

3. Sekarang lempeng kaca ditempatkan diantara sensor dengan kubus.

4. Percobaan diulangi untuk berbagai jenis lempeng lainnya.

C. Hukum Stefan – Boltzmann (temperature rendah)

1. Peralatan diatur seperti percobaan A namun sensor di tempatkan 3 cm

sampai 4 cm didepan kubus.

2. Kubus Leslie dioperasikan dalam keadaan off, tahanan termistor Rtm

dan hasil pengamatan dicatat pada tabel.

3. Sensor dari radiasi di tutup dengan menggunakan lempeng perisai

dengan sisi yang memantul menghadap kubus.


4. Kubus dinyalakan dan seting power diatur 8,0.

5. Pada saat ohmmeter menunjukkan 12º C, tombol daya diputar ke posisi

off. Dilakukan pencatatan terhadap hambatan R beserta radiasi

terpancar yang dideteksi dengan sensor (milivoltmeter). Pembacaan

dilakukan dengan memindahkan penutup secara bersamaan dengan

pengamatan.

6. Hasil pengamatan dicatat pada tabel.

3.3 Metode Pengolahan Data

Metode pengolahan data yang dilakukan meliputi pengolahan data secara

kualitatif dan secara kuantitatif. Dimana variabel-variabel yang diamati

meliputi:

Daya (P)= V2

R →P = Daya(W)

V = Tegangan(volt)

R = Hambatan(Ω)

∆P=|𝜕𝑃

𝜕𝑉||∆𝑉| + |

𝜕𝑃

𝜕𝑅||∆𝑅|

=|2𝑉

𝑅||∆𝑉| + |

−𝑉2

𝑅2 ||∆𝑅 dengan nilai ∆𝑉=1

20.05=0.025

∆𝑅=1

20.05=0.025

𝐼 =∆P

𝑃 X 10

𝐾 = 100% − 1

P=(∆P ± P) W


Besarnya emisi untuk percobaan A dan B

Emisi =P x

P hitam× 100%

Sedangkan emisi untuk percobaan C

E netto = ε σ Α (𝑇4-𝑇4𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟)

ε = Emisivitas

σ = Ketetapan Stefan Boltzmann (5,67× 10−8 W/𝑚𝑚2𝐾4)

Α = Luas Penampang

T= Suhu ⁄ Temperatur Penampan


BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil

A. Emisivitas berbagai jenis permukaan

Setting power 5.0

N

o

Warna

Permukaan

Output

Sensor

(𝑚𝑉)

P (Watt) K (%) I (%) PA EMISI

1 Hitam 3,2 3,65x10

-10 ±

6,36x10-12

100 3,66x10

-11 3 100

2 Putih 2,5 2,23x10

-10 ±

4,86x10-12

100 2,23x10

-11 3

61.035

1563

3 Kilap 0,5 8,9x10

-12 ±

9,1x10-13

100 8,93x10

-13 2

2.4414

0625

4 Kusam 1,4 7,0x10

-11 ±

2,6x10-12

100 7x10

-12 2

19.140

625

Setting power 0.6

N

o

Warna

Permukaan

Output

Sensor

(𝑚𝑉)

P (Watt) K(%) I (%) PA EMISI

1 Hitam 3,2

4,53x10-10

±

7,32x10-12

100 4,537x10

-11 3 100

2 Putih 2,5 2,90x10

-10 ±

5,72x10-12

100

2,9037x10-

11

3 64

3 Kilap 0,5

3,3x10-12

±

5,6x10-13 100

3,3333x10-

13 2

0.7346

9388

4 Kusam 1,4

7,2x10-11

±

2,7x10-12

100

7,2593x101

2

2 16

Setting power 0.7


NO Warna

Permukaan

Output

Sensosr

(𝑚𝑉)

P (Watt) K (%) I (%) PA EMISI

1 Hitam 3,9 5,96x10

-10 ±

8,81x10-12

100 5,9647x10

-

11

3 100

2 Putih 3,4 4,53x10

-10 ±

7,55x10-12

100 4,5333x10

-

11

3 76.002

6298

3 Kilap 0,4 6,2x10

-12 ±

7,9x10-13

100 6,2745x10

-

13

2 1.0519

3951

4 Kusam 1,7 1,13x10

-10 ±

3,55x10-12 100

1,1333x10-

11

3 19.000

6575

B. Serapan Transmisi Radiasi Termal

PERMUKAAN KUBUS INPUT SENSORS

LOGAM GABUS KACA

Hitam 0,2 0,1 0

C. Hukum Stefen – Boltzmann

R(Ω) Rad(mV) E netto

Hitam 58 0,8 0.199775

57 0,9 0.199775

56 1 0.267668

55 1 0.267668

Kilap 58 0,1 0.009989

57 0,2 0.009989

56 0,3 0.013383

55 0,3 0.013383


Grafik yang dihasilkan pada praktikum ini adalah:

a. Grafik hubungan antara radiasi terpancar terhadap 𝑇𝑘4 - 𝑇𝑟𝑚4 (𝐾4) pada

permukaan kubus hitam .

b. Grafik hubungan antara radiasi terpancar terhadap 𝑇𝑘4 - 𝑇𝑟𝑚4 (𝐾4) pada

permukaan kubus kilap.

y = 6E-10xR² = 1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 20000000 40000000 60000000

Rad

iasi

Te

rpan

car(

V)

Tk^4-Trm^4(K)

Grafik Benda Hitam

Series1

Linear (Series1)

y = -4E-13x + 0.015R² = -5E-1

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

-5E+09 5E+09 1.5E+10

Rad

iasi

Te

rpan

car(

V)

Tk^4-Trm^4(K)

Grafik Benda Kilap

Series1

Linear (Series1)


4.2 Pembahasan

Dari eksperimen yang telah dilakukan, didapatkan data dan grafik yang

menunjukkan kebenaran-kebenaran hipotesa awal dari eksperimen ini. Data-data

tersebut mencakup data pada eksperimen emisivitas berbagai permukaan , data

mengenai seraan transmisi radiasi termal, dan mengenai pembuktian hukum

Steven Boltzman.

Pada eksperimen pertama, yaitu emisivitas berbagai jenis permukaan

benda, diperoleh data bahwa daya serap permukaan benda bergantung pada warna

yang dimilikinya. Dari eksperimen ini didapatkan bahwa, permukaan benda yang

berwarna hitam memiliki daya serap yang lebih besar dengan akselerasi kenaikan

yang cukup tinggi dibanding warna lainnya. Selanjutnya, nilai emisivitas disusul

oleh warna putih, kusam dan kilap (berdasar urutan tingkat daya serap mulai yang

paling bagus ke rendah). Ini dapat dilihat dari hasil yang diberikan output sensor

yang menunjukkan bahwa warna hitam memiliki harga yang paling tinggi diantara

permukaan yang lainnya.

Selain dipengaruhi oleh warna permukaan benda, berdasarkan eksperimen

ini didapatkan data bahwa emisivitas atau daya serap juga dipengaruhi oleh

besarnya temperatur benda. Hubungannya dengan temperatur adalah semakin

kecil temperaturnya maka daya serapnya semakin bagus, begitu pula sebaliknya

semakin tinggi temperaturnya maka daya serapnya kurang begitu maksimal.

Dengan demikian maka besarnya daya serap dan temperatur berbanding terbalik.

Dari panjelasan diatas, dapat diketahui bahwa besarnya radiasi termal yang

dipancarkan oleh sumber termal berbeda-beda tergantung dari warna permukaan

benda dan besar temperature yang digunakan dala perlakuan sistem. Dari

praktikum ini pula dapat diketahui bahwa benda hitam (Black Body) berfungsi

ganda karena dapat menyerap panas dengan baik sekaligus sebagai pemancar

yang baik.

Praktikum kedua, yaitu mengenai serapan dan trasnsisi radiasi termal

didapatkan bahwa radiasi termal yang dipancarkan oleh benda hitam dengan


penutup yang berbeda meskipun dengan menggunakan suhu yang sama yaitu

diatas suhu ruang tetap memberikan hasil yang berbeda pula. Lempeng sangat

berpengaruh pada sesi ini. Hasil terbaik diberikan pada logam kemudian diikuti

oleh kaca dan gabus.

Proses pendinginan sistem setelah pemanasan dalam proses ini harus

menunggu cukup lama sehingga digunakan bantuan kipas angin elektrik guna

akselerasi kestabilan. Hal tersebut dipertimbangkan karena apabila tidak stabil

maka akan mempengaruhi data yang lainnya. Dari proses radiasi tersebut, kita

dapat melihat fenomena bahwa panas hilang setelah melewati sebuah benda, hal

ini dikarenakan panas tersebut telah diserap oleh benda tersebut terlebih dahulu.

Radiasi yang terpancar dan hambatan termistor berbanding lurus sehingga

apabila hambatan yang digunakan besar maka radiasi yang terpancar secara linear.

Untuk grafik yang diberikan disesuaikan dengan data yang diperoleh. Grafik yang

dihasilkan sesuai dengan grafik Stefen Bolzman dan berupa garis lurus.


BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Beberapa kesimpulan dari eksperimen yang dilakukan adalah:

1. Nilai emisivitas suatu benda atau kemampuan suatu benda untuk

memancarkan maupun menyerap radisi dipengaruhi oleh warna permukaa

benda dan juga suhu atau intensitas awal radiasi tersebut.

2. Benda yan berwarna gelap atau hitam cenderung memiliki nilai emisivitas

leih tinggi dari pada permukaan yang memiliki warna lebih cerah. Dari

eksperimen didapatkan bahwa urutan emisivitas tertinggi hingga terendah

dari variabe yang dicoba adalah benda hitam kemudian disusul permukaan

putih, kusam dan kilap.

3. Luas lempeng mempengaruhi besarnya kuantitas radiasi yang dipancarkan.

Pengaruh terbesar diberikan oleh Lempeng logam, dengan nilai paling

bagus.

4. Nilai hambatan (R) berbanding lurus dengan radiasi yang terpancar.

5.2 Saran

Sebaiknya dilakukan pengamataan lebih seksama terhadap lebih banyak

lagi bahan, sehingga akan didapatkan data yang lebih valid dengan nilai

kemanfaatan yang lebih maksimal.


DAFTAR PUSTAKA

Bueche, Frederick J. 1997. Fisika Universitas, Edisi Ke-Sepuluh. Jakarta:

Erlangga

Halliday, David. 1984. Fisika Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta: Erlangga.

Saad, Michael A. 2000. Therodinamika: Prinsip dan Aplikasi. Jakarta:

Prenhallindo

Jasjfi, E. 1987. Perpindahan Kalor. Jakarta: Erlangga.

Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta: Universitas Indonesia.

Bahrudin. 2006. Kamus Pintar Plus Fisika. Bandung: Epsilon Group

Zemansky, Zears. 1994. Fisika Untuk Universitas 1. Bandung: Bina Cipta.


Lampiran Perhitungan Excel:

EKSPERIMEN FISIKA: RADIASI TERMAL

Documents

Transcript of EKSPERIMEN FISIKA: RADIASI TERMAL