Benda hitam menjadi istilah yang pertama kali dikenalkan tahun 1862 oleh Gustav Robert Kirchhoff. Mudahnya, benda hitam adalah sebutan untuk suatu benda yang menyerap radiasi termal yang didapat dengan tidak memantulkan cahaya dan tidak membolehkan cahaya dalam bentuk apapun keluar dari arah manapun.
Energi yang berhasil diserap tadi selanjutnya akan mulai memanas dan memancarkan radiasi. Inilah yang selanjutnya disebut dengan radiasi benda hitam. Sebenarnya, tidak ada suatu benda yang ideal sepenuhnya sebagai benda hitam. Hanya, terdapat beberapa benda yang sifatnya seperti benda hitam.
Misalnya, pembakar pada kompor listrik. Saat suhu kompor dinaikkan dari rendah ke tinggi, dapat dilihat bahwa kompor akan memancarkan radiasi benda hitam, sehingga terjadi perubahan dari hitam menjadi merah.
Prinsip Radiasi Benda Hitam
Prinsip kerja dari radiasi benda hitam sebenarnya cukup mudah. Saat masuk pada rongga, cahaya selanjutnya akan dipantulkan berulang kali tanpa pernah meninggalkan atau keluar dari rongga itu.
Pada setiap pantulan yang terbentuk, cahaya kemudian akan diserap oleh dinding yang berwarna hitam apabila suhunya lebih rendah dari suhu sekitar. Sebaliknya, cahaya akan dipancarkan apabila suhu lebih tinggi daripada sekitarnya.
Penyebab Radiasi Benda Hitam
Secara garis besar, radiasi benda hitam sebenarnya termasuk salah satu jenis dari radiasi elektromagnetik panas atau termal yang berlangsung pada bagian dalam atau area sekitar benda dalam kondisi kesetimbangan termodinamika dengan lingkungan. Atau, mudahnya, ketika terjadi proses pengeluaran dari benda hitam.
Benda hitam sendiri adalah suatu benda buram yang tidak memantulkan cahaya. Benda hitam juga berperan sebagai pemancar sekaligus penyerap panas radiasi sempurna dengan nilai efisiensi mencapai 100%.
Besar jumlah energi yang dipancarkan permukaan benda hitam dalam wujud radiasi panas pada setiap satuan waktu berbanding lurus dengan luas permukaan dan pangkat empat suhu mutlak dari benda tersebut.
Manfaat Radiasi Benda Hitam
Pemanfaatan radiasi benda hitam bisa dilihat pada instrumen panel surya yang menyerap panas dan mengubahnya menjadi energi listrik. Panel surya sendiri tersusun atas wadah logam berongga dan dicat dengan warna hitam serta panel yang terbuat dari material kaca.
Panas radiasi yang berasal dari matahari akan diserap oleh permukaan benda hitam tersebut, lalu dipancarkan dari logam secara konduksi. Bagian dalam panel tetap punya suhu hangat karena mendapat perlindungan pada efek rumah kaca. Lalu, peredaran air yang terjadi pada wadah logam akan membawa panas menjauh untuk selanjutnya dimanfaatkan oleh sistem pemanas air dan kolam renang.
Faktor yang Memengaruhi Radiasi pada Benda
Adapun beberapa faktor yang berpengaruh terhadap radiasi suatu benda, antara lain:
- Suhu. Ketika suhunya lebih tinggi, benda cenderung akan memancarkan radiasi dalam jumlah yang lebih besar.
- Sifat permukaan benda. Permukaan yang cenderung lebih kasar dan bisa memancarkan radiasi daripada area permukaan yang lebih halus.
- Bentuk dan luas permukaan benda. Jika permukaan benda lebih luas, maka radiasi yang dipancarkan menjadi lebih banyak.
- Tegangan. Semakin tinggi tegangan, semakin banyak pula pancaran radiasinya.
Selain itu, beberapa faktor lainnya yang turut memengaruhi radiasi benda hitam pada suatu benda, antara lain:
- Konstanta matahari.
- Tingkat kejernihan atmosfer.
- Periode penyinaran matahari.
- Arah datangnya sinar matahari.
- Lintang bumi.
Sifat Spektrum Radiasi Benda Hitam
Radiasi yang timbul dari benda hitam bisa jadi tidak sama dengan radiasi cahaya. Sebab, radiasi benda hitam lebih dapat dirasakan daripada dilihat. Adapun beberapa sifat dari spektrum radiasi benda hitam antara lain:
- Benda hitam dengan suhu lebih tinggi akan cenderung memancarkan cahaya lebih banyak pada panjang gelombang secara keseluruhan.
- Spektrum benda hitam bersifat tetap dan mempunyai titik puncak panjang pada panjang gelombang tertentu. Puncak ini merupakan suatu spektrum yang bergerak pada bagian panjang gelombang yang relatif lebih panas daripada benda kecil.
Rumus Radiasi Benda Hitam
Setiap benda yang ada di bumi mempunyai emisivitas, yaitu sebuah energi yang diradiasi daripada energi yang didapat. Nilai paling tinggi dari emisivitas yaitu 1 atau e=1. Saat benda mempunyai nilai maksimal, ini berarti ia telah mengeluarkan radiasi yang bisa diterima.
Terdapat beberapa rumus perhitungan radiasi benda hitam, yaitu Hukum Perpindahan Wien, Hukum Stefan-Boltzmann, dan Hukum Planck.
Contoh radiasi benda hitam dalam kehidupan sehari-hari
Contoh dari radiasi benda hitam pada kehidupan sebenarnya sangat mudah, yaitu:
1. Memakai pakaian warna hitam
Hitam menjadi warna yang lebih cepat menyerap panasi apabila dibantu dengan warna cerah pada umumnya.
2. Termos
Selain itu, ada pula termos. Pada termos, ada lapisan berwarna perak yang berperan sebagai pelindung termos sehingga perpindahan kalor radiasi. Lapisan ini selanjutnya memantulkan energi panas pada termos, sehingga suhu yang ada pada termos berubah menjadi hangat.
3. Efek rumah kaca
Efek rumah kaca menjadi salah satu kondisi yang menyebabkan bumi mengalami kondisi yang disebut pemanasan global. Radiasi yang berasal dari panas matahari yang memasuki bumi akan kembali dipantulkan dan diserap oleh gas atmosfer. Radiasi yang terperangkap pada atmosfer inilah yang menjadi penyebab bumi suhu di bumi menjadi lebih panas.
4. Panel surya
Terakhir adalah panel surya yang menyerap energi panas dan mengubahnya menjadi energi listrik. Panel surya adalah wadah yang dibuat dari logam berongga, selanjutnya diberi cat warna hitam dengan panel dari material kaca.
Permukaan hitam kemudian akan menyerap panas radiasi yang berasal dari matahari, lalu menghantarkan panas secara konduksi dari logam. Bagian dalam panel memiliki suhu yang hangat karena terjaga dengan adanya efek rumah kaca.
Proses Terjadinya Radiasi Benda Hitam
Radiasi benda hitam terjadi ketika suatu benda menyerap dan menahan cahaya. Lalu, benda tersebut memancarkan radiasi kepada sekitarnya. Jadi, radiasi benda hitam akan lebih terasa dari peningkatan suhu atau perubahan warna tertentu.
Contoh Soal Radiasi Benda HitamSupaya lebih memahami tentang radiasi benda hitam, coba simak beberapa contoh soal berikut ini.
1. Benda hitam memancarkan gelombang elektromagnetik dengan besar panjang gelombang 8700 Å ketika intensitas radiasi mencapai nilai maksimum. Tentukan suhu permukaan benda yang memancarkan gelombang tersebut!
Diketahui:
λm = 9000 Å = 9 x 10ˉ⁷ m
c = 2,90 x 10ˉ³ mK
Jawab:
λm x T = c
9 x 10ˉ⁷ m x
T = 2,90 x 10ˉ³ mK
T = (2,90 x 10ˉ³ mK)/ (9 x 10ˉ⁷ m)
T = 3222 K
2. Sebuah pancaran sinar jingga memiliki panjang gelombang sebesar 6600 Å dari suatu benda hitam yang mengalami radiasi. Berapakah besar energi foton yang dikandung di dalam sinar jingga tersebut?
Diketahui:
λ = 6600 Å = 6,6 x 10ˉ⁷ m
c = 3 x 10⁸ m/s
h = 6,6 x 10ˉ³⁴ Js
Jawaban contoh soal radiasi benda hitam:
E = h x ƒ
E = h x (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 mengenai radiasi benda hitam berikut contoh soal untuk menghitungnya. Semoga bermanfaat.