Radiasi Benda Hitam (Kegagalan Fisika Klasik)

Teori fisika kuantum bermula ketika ilmu fisika klasik tak lagi mampu menjelaskan sebuah

fenomena radiasi benda hitam dan hal itu dirilis oleh seorang ahli fisika yang bernama Max

Planck. Jadi, pada mulanya pada tahun 1879 Josef Stefan mengusulkan bahwa besar

intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda memenuhi persamaan:

            Dimana :           e = tetapan emistivitas, 0 ≤ e ≤ 1

                                    σ = tetapan Stefan-Boltzman = 5.67 x 10-8 w/(m2K4)

                                    T = suhu mutlak (K)

Namun ketika yang dipertanyakan adalah radiasi dari sebuah benda hitam maka para

ilmuwan menemukan suatu hal yang tak lazim. Hal itu dikarenakan ketika suatu benda hitam

dipanaskan pada tiap-tiap suhu tertentu maka ia akan meradiasikan gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik

ini memiliki panjang gelombang yang nilainya berbanding terbalik dengan suhu yang

digunakan yangkemudian oleh Wien dibentuklah suatu persamaan:

            Dimana :         b = tetapan Wien = 2.898 x 10-3 mK

Para fisikawan mencoba menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini secara teoritis.

Rayleigh-Jean mencoba menyusun suatu model sederhan untuk menjelaskan fakta ini.

Mereka menganggap bahwa molekul/muatan pada bola berongga (sebelumnya benda hitam

diilustrasikan sebagai sebuah rongga dimana tak ada cahaya yang dapat masuk di dalamnya

sebab tak memang amat sulit menemukan benda yang bersifat hitam sempurna)di dinding

benda berongga dihubungkan oleh pegas.

Gambar Model Rayleigh-Jean

Dengan model ini Rayleigh-Jean dapat menentukan intensitas radiasinya dengan menganggap

bahwa ketika suhu benda dinaikkan maka muatan akan mendapat energi kinetik untuk

bergetar. Getaran itu akan menimbulkan percepatan sehingga menghasilkan radiasi. Model

ini masih menggunakan paradigma fisika klasik yang menyatakan bahwa energi bersifat

kontinu. Sehingga intensitas benda hitam tersebut adalah:

            Dimana :         c = kecepatan cahaya = 2.99792 x 108 m/s

                                 K = konstanta Boltzman = 1.38 x 10-23 j/K

Namun ternyata teori ini hanya mampu untuk menerangkan intensitas radiasi dengan panjang

gelombang yang relatif besar dan tidak cocok untuk panjang gelombang kecil. Dan jika saja

teori ini benar maka seharusnya sinar UV yang memiliki panjang gelombang kecil akan

memiliki intensitas yang sangat besar dan bila hal ini benar-benar terjadi maka alam semesta

ini seharusnya mengalami bencana sinar UV sebab alam semesta ini dibanjiri oleh UV tapi

nyatanya hal ini tidak terjadi.

Karena kegagalan ini maka Wien kembali mengusulkan seuatu teori lagi, sehinga intensitas

yang dihasilkan oleh radiasi benda hitam adalah:

            Dimana :         A dan C merupakan konstanta.

Namun tetap saja teori Wien ini belum berlaku untuk seluruh panjang gelombang. Hal ini

karena Wien masih menerapkan prinsip kekontinuan sehingga hanya dapat digunakan untuk

gelombang dengan panjang gelombang yang relatif pendek saja.

Kegagalan-kegagalan ini membuat Max Planck mengajukan asumsi-asumsi baru yang

awalnya asumsi tersebut dianggap sebuah asumsi yang “gila” oleh para ilmuwan lainnya

karena melawan hukum fisika pada zaman itu. Asumsi-asumsi tersebut adalah:

1.      Energi yang dimiliki oleh molekul yang berosilasi bersifat diskrit (tidak kontinu). Dan besar

energi tersebut adalah:

E=nhν

Dimana           : n = bilangan bulat = 1,2,3,…

                          h = konstanta Planck = 6.626 x 10-34 Js

                          v = frekuensi getaran molekul

2.      Setiap molekul memancarkan atau menyerap energi dalam paket energi diskrit yang

dinamakan Kuanta (yang kemudian disebut dengan foton).

Energi tiap foton adalah:

Dimana           : c = kecepatan cahaya

Dari kedua asumsi yang fenomenal ini maka Planck dapat menyusun sebuah perumusan yang

menyatakan intensitas yang dipancarkan oleh benda hitam yang meradiasi adalah:

        : I (v, T) =   jumlah enrgi per unit area per satuan waktu per unitsolid angle   (intensitas)

pada range frekuensiv+dv di benda   hitam dengan suhu T

                          h            =  konstanta Planck = 6.626 x 10-34 Js

  k            =  konstanta Boltzman = 1.38 x 10-23 j/K

  c            =  kecepatan cahaya = 2.99792 x 108 m/s

  ν            =  frekuensi getaran molekul

  T            =  temperatur

                          (Terima kasih untuk Pak Roniyus, M.Si. atas bahan tulisan untuk

artikel ini)

Posted by yuant tiandho at 1:38 AM

Konstanta Boltzmann

Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Belum Diperiksa

Nilai k Satuan

1.380 6504(24)×10−23 J·K-1

8.617 343(15)×10−5 eV·K-1

1.3807×10−16 erg·K-1

Konstanta Boltzmann (k atau kB) adalah konstanta fisika yang menghubungkan energi pada

tingkatan partikel dengan temperatur teramati pada tingkatanmakroskopik. Konstanta ini

merupakan konstanta gas yang dibagi dengan konstanta Avogadro:

Konstanta ini memiliki satuan yang sama dengan entropi, dinamakan sesuai dengan

nama fisikawan Austria, Ludwig Boltzmann. Dia mempunyai kontribusi penting dalam

bidang teori mekanika statistik, dimana konstanta ini mempunyai peranan penting.

 

Artikel bertopik fisika ini adalah sebuah rintisan. Anda dapat membantu Wikipedia

dengan mengembangkannya.

Kategori: 

Konstanta fisika

Termodinamika

1.2.1 Konduksi

Konduksi adalah pada transfer melalui padatan atau cairan alat tulis. Bila Anda menyentuh

benda panas, panas Anda merasa ditransfer melalui kulit Anda dengan konduksi.  Dua

mekanisme menjelaskan bagaimana panas dipindahkan oleh konduksi: getaran kisi dan

tabrakan partikel.. Konduksi melalui zat padat terjadi karena kombinasi dari dua mekanisme;

panas dilakukan melalui cairan alat tulis terutama oleh tumbukan molekul.

Dalam zat padat, atom terikat satu sama lain dengan serangkaian obligasi, analog dengan

mata air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1. Ketika ada perbedaan suhu di padat, sisi

panas pengalaman yang solid gerakan atom lebih kuat. Getaran ditularkan melalui mata air ke

bagian yang lebih dingin dari padat. Akhirnya, mereka mencapai keseimbangan, di mana

semua atom-atom bergetar dengan energi yang sama.

Zat padat, terutama logam, memiliki elektron bebas, yang tidak terikat untuk setiap atom

tertentu dan bisa bebas bergerak solid. Elektron di sisi panas bergerak padat lebih cepat

daripada di bagian yang lebih dingin. Skenario ini ditunjukkan pada Gambar 1.2. Sebagai

elektron menjalani serangkaian tumbukan, elektron cepat mengeluarkan beberapa energi

kepada elektron lebih lambat. Akhirnya, melalui serangkaian tabrakan acak, ekuilibrium

tercapai, dimana elektron bergerak dengan kecepatan rata-rata sama. Konduksi melalui

tabrakan elektron lebih efektif daripada melalui getaran kisi, inilah mengapa logam umumnya

konduktor panas yang lebih baik dari bahan keramik, yang tidak memiliki banyak elektron

bebas.

Gambar 1.1 Konduksi oleh getaran kisi

Gambar 1.2 Konduksi oleh tabrakan partikel

1.2.2 Konveksi

Konveksi menggunakan gerak cairan untuk mentransfer panas.Dalam  perpindahan panas

konveksi khas, permukaan yang panas memanaskan fluida sekitarnya, yang kemudian dibawa

pergi oleh pergerakan fluida seperti angin. Cairan hangat digantikan oleh cairan dingin, yang

dapat menarik lebih banyak panas dari permukaan. Karena cairan dipanaskan terus-menerus

diganti dengan cairan pendingin, perpindahan panas ditingkatkan.

konveksi Alam (atau konveksi bebas) mengacu pada kasus di mana gerakan fluida yang

dibuat oleh cairan hangat itu sendiri. Kepadatan penurunan rumit karena dipanaskan, dengan

demikian, cairan panas lebih ringan daripada cairan dingin. cairan hangat yang mengelilingi

sebuah objek naik panas, dan digantikan oleh cairan pendingin.. Hasilnya adalah sirkulasi

udara di atas permukaan hangat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.4.

Gambar 1.4 konveksi alam

konveksi paksa menggunakan alat eksternal untuk menghasilkan pergerakan fluida. konveksi

paksa inilah yang membuat sebuah berangin, hari musim dingin terasa jauh lebih dingin

daripada hari tenang dengan suhu yang sama. Panas yang hilang dari tubuh Anda bertambah

karena penambahan konstan udara dingin oleh angin. angin alam dan fans adalah dua sumber

yang paling umum konveksi paksa.

 

1.2.3 Radiasi

Radiative heat transfer does not require a medium to pass through; thus, it is the only form of

heat transfer present in vacuum. perpindahan panas radiasi tidak memerlukan medium untuk

melewati, oleh karena itu merupakan satu-satunya bentuk perpindahan panas hadir dalam

ruang hampa. It uses electromagnetic radiation (photons), which travels at the speed of light

and is emitted by any matter with temperature above 0 degrees Kelvin (-273 °C).

Menggunakan radiasi elektromagnetik (foton), yang bergerak pada kecepatan cahaya dan

dipancarkan oleh materi apapun dengan suhu diatas 0 derajat Kelvin (-273 ° C). Kita semua

mengalami radiasi perpindahan panas sehari-hari, radiasi matahari, diserap oleh kulit kita,

adalah mengapa kita merasa lebih hangat di bawah sinar matahari daripada di tempat teduh.

Spektrum elektromagnetik mengklasifikasikan radiasi sesuai dengan panjang gelombang

radiasi.  jenis radiasi (dari pendek ke panjang gelombang panjang) : sinar gamma, x-ray,

ultraviolet (UV), cahaya tampak, inframerah (IR), microwave, dan gelombang radio.

Radiation with shorter wavelengths are more energetic and contains more heat. Radiasi

dengan panjang gelombang pendek lebih energik dan mengandung lebih banyak panas. X-

rays, memiliki panjang gelombang ~ 10 -9 m, sangat energik dan dapat berbahaya bagi

manusia, sedangkan cahaya tampak dengan panjang gelombang ~ 10 -7 m mengandung

sedikit energi dan karena itu memiliki sedikit efek pada kehidupan. Kedua karakteristik yang

akan menjadi penting kemudian adalah bahwa radiasi dengan panjang gelombang lebih

panjang umumnya dapat menembus benda padat tebal. Cahaya tampak, seperti yang kita

semua tahu, diblokir oleh dinding.Namun, gelombang radio, memiliki panjang gelombang

pada urutan meter, dapat dengan mudah menembus dinding beton.

Setiap tubuh dengan suhu di atas 0 Kelvin memancarkan radiasi.  Jenis radiasi ditentukan

terutama oleh suhu tubuh. Paling “panas” objek, dari sudut pandang memasak, memancarkan

radiasi infra merah. Hotter objek, seperti matahari di ~ 5800 K, memancarkan radiasi lebih

energik termasuk terlihat dan UV. Bagian terlihat jelas dari terang silau matahari, radiasi UV

menyebabkan kulit cokelat dan luka bakar.

Ada empat cara pemindahan panas yakni: 

a. Konduksi

Konduksi ialah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara permukaan-

permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau menghubungkan

permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda mempunyai konduktivitas

termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang

dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas

termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi

yang lain.

b. Konveksi

Pemindahan panas berdasarkan gerakan fluida disebut konveksi. Dalam hal ini fluidanya

adalah udara di dalam ruangan.

c. Evaporasi (penguapan)

Dalam pemindahan panas yang didasarkan pada evaporasi, sumber panas hanya dapat

kehilangan panas. Misalnya panas yang dihasilkan oleh tubuh manusia, kelembaban

dipermukaan kulit menguap ketika udara melintasi tubuh.

d. Radiasi.

Radiasi ialah pemindahan panas atas dasar gelombang-gelombang elektromagnetik. Misalnya

tubuh manusia akan mendapat panas pancaran dari setiap permukaan dari suhu yang lebih

tinggi dan ia akan kehilangan panas atau memancarkan panas kepada setiap obyek atau

permukaan yang lebih sejuk dari tubuh manusia itu. Pancaran panas yang diperoleh atau

hilang, tidak dipengaruhi oleh gerakan udara, juga tidak oleh suhu udara antara permukaan-

permukaan atau obyek-obyek yang memancar, sehingga radiasi dapat terjadi di ruang hampa.