Konstanta Stefan Boltzman

LAPORAN AKHIR PRAKTIKUM FISIKA EKSPERIMEN IIB

Aditya Satriady (140310110047)

Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran

Selasa, 8 April 2014

ABSTRAK

Setiap benda memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang

elektromagnetik dimana benda tersebut memancarkan radiasi panas saat suhunya

tinggi. Jika benda dipanaskan, maka suhu benda akan meningkat dan terlihat

cahaya berwarna-warni pada permukaannya. Terlihatnya cahaya berwarna-warni

tersebut menunjukkan bahwa terjadi radiasi elektromagnetik.

Benda hitarn atau black body dalam Fisika berarti adalah benda yang dapat

menyerap semua radiasi elektrornagnetik yang datang ke benda hitam tersebut

sehingga tidak ada radiasi yang terpancar atau dipantulkan. Menurut fisika klasik.

walaupun secara teori benda hitam menyerap semua radiasi, namun juga harus

memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin karena hanya dari

sinilah energi benda tersebut dapat diukur.

Pada percobaan ini kita akan mencari nilai konstanta Stefan-Boltzmann

dan emisivitas benda hitam dengan mengukur daya yang dihasilkan oleh benda

hitam tersebut terhadap kenaikan dan penurunan suhu. Daya akan didapatkan dari

besar tegangan yang dihasilkan menggunakan faktor konversi antara daya dan

tegangan sehingga setelah itu dapat dicari nilai konstanta Stefan-Boltzmann.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Setiap benda memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang

elektromagnetik dimana benda tersebut memancarkan radiasi panas saat

suhunya tinggi. Begitu suhunya ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum

cahaya yang dipancarkannya berubah, menyebabkan pergeseran dalam

warna-warna spektrum yang diamati. Benda yang dapat menyerap semua

radiasi yang datang padanya (tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari

benda) disebut benda hitam. Benda hitam juga harus dapat memancarkan

seluruh panjang gelombang energi yang mungkin karena dari sinilah energi

benda hitam dapat diukur.

1.2. Rumusan Masalah

1. Menghitung konstanta Stefan Boltzmann

2. Pengaruh tegangan terhadap kenaikan temperatur

3. Pengaruh jarak oven dan termokopel mall terhadap tegangan

4. Pengaruh luas pinhall terhadap tergangan

1.3. Tujuan

1. Memahami teori radiasi benda hitam

2. Menentukan konstanta Stefan Boltzmann

3. Menentukan emisivitas suatu benda

BAB II

TEORI DASAR

2.1. Radiasi Benda Hitam

Jika benda dipanaskan, maka suhu benda akan meningkat dan terlihat

cahaya berwarna-warni pada permukaannya. Terlihatnya cahaya berwarna-warni

tersebut menunjukkan bahwa terjadi radiasi elektromagnetik. Ketika itu,

fenomena tersebut dikaji dalam bahasan termodinamika dan elektromagnetik

(fisika klasik). Dalam keadaan setimbang maka benda akan memancarkan cahaya

yang tersebar secara merata dalam bentuk spektrum frekuensi atau panjang

gelombang.[1]

Para Ilmuwan berusaha mengaitkan besaran intensitas daya radiasi yang

terpancar dari benda hitam seiring perubahan panjang gelombang dan perubahan

waktu. Untuk dapat menghitung emisi atau pancaran energi benda yang kita

panaskan tersebut dibutuhkan benda yang dapat menyerap semua energi emisi

tersebut. Dari sinilah muncul konsep benda hitam. Benda hitam tidak harus selalu

berwarna hitam.

Secara praktis kita dapat membuat benda menyerupai benda hitam dengan

membuat kotak yang mempunyai lubang kecil agar radiasi hanya memasuki

lubang kecil akan terpantul-pantul di antara dinding sehingga tidak ada

kemungkinan radiasi (berupa cahaya) untuk keluar dari kotak (atau sebagai

penyerap sempurna) melewati lubang tersebut.

Dengan demikian. dapat kita katakan bahwa benda hitarn atau black body

dalam Fisika berarti adalah benda yang dapat menyerap semua radiasi

elektrornagnetik yang datang ke benda hitam tersebut sehingga tidak ada radiasi

yang terpancar atau dipantulkan. Istilah benda hitam diperkenalkan oleh Gustav

Robert Kirchoif tahun 1862 ketika mengamati adanya cahaya yang terpancar dari

benda berwarna hitam.

Gambar 2.1. Contoh alat percobaan radiasi benda hitam[2]

Menurut fisika klasik. walaupun secara teori benda hitam menyerap semua

radiasi, namun juga harus memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang

mungkin karena hanya dari sinilah energi benda tersebut dapat diukur. Dari

hukum II Termodinamika, Kirchoff menunjukkan besar radiasi benda hitam

sebagai radiasi termal dari benda yang tidak bersuhu nol kelvin akan

memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnet. Ia menyatakan

bahwa emisivitas pada suatu benda sama dengan absorbsivitasnya.

Absorbsivtas permukaan adalah perbandingan antara cahaya yang diserap

dan cahaya yang datang pada permukaan itu. Radiasi termal adalah radiasi

elektromagnet yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagal akibat suhu benda itu

sendiri. Contoh radiasi termal adalah ketika kita menggunakan pemanas listrik,

pemanas listrik akan memancarkan sinar Inframerah. Radiasi termal terjadi ketika

panas yang dihasilkan oleh gerak partikel bermuatan listrlk di dalam atom diubah

menjadi gelombang elektromagnetik.

Walaupun suhu benda sama, benda akan tetap memancarkan gelombang

elektromagnetik dengan berbagai macam gelombang. Memang ada yang disebut

gelombang utama. Misalnya. benda-benda yang berwarna merah memancarkan

gelombang cahaya yang tampak merah. Jika suhunya dinaikkan, cahaya yang

dipancarkan akan bergeser ke arah warna biru.

Gambar 2.2. Simulasi radiasi termal[3]

Total radiasi meningkat secara tajam daripada peningkatan suhu benda. Secara

matematis, besar radiasi yang memancar dari sebuah benda sebanding dengan

pangkat empat dari suhunya. Pernyataan ini dapat kita jelaskan dengan

penggunaan persamaan Stefan-Boltzmann yang berguna untuk menghitung total

radiasi benda secara umum.

Secara matematis. persamaan Stefan-Boltzmann dituliskan sebagai

berikut:

E=σ T 4 ..... (1)

Untuk pancaran radiasi termal benda hitam, nilai emisivitasnya sama dengan 1.

Dengan E adalah daya radiasi rata-rata (watt), Q/t adalah laju energi kalor radiasi

(watt), r adalah konstanta Stefan-Boltzmnann dengan nilai 5.67x10-8W/m2. K4, A

adalah luas permukaan (m2), T adalah suhu mutlak (K). dan e adalah emisivitas

benda dari nilal 0 sampal 1.

2.2. Teori Spektrum Radiasi Benda Hitam

Benda hitam merupakan sistem ideal yang menyerap seluruh radiasi yang datang

padanva. Benda hitam juga memancarkan radiasi termal karena suhunya.

Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmnann, besar intensitas radiasi termnal benda

hitam sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Dengan nilai emisivitas

e = 1, dapat disimpulkan bahwa benda hitam juga merupakan pemancar radiasi

yang sempurna. Jika suhu benda dinaikkan, nilai intensitas maksimum radiasinya

bergeser ke gelombang yang lebih pendek (sama artinya dengan menuju frekuensi

yang lebih tinggi). Hal ini dapat diamati pada perilaku batang besi yang terus

dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi. Awalnya batang besi berwarna

kemerahan. Oleh karena suhunya terus naik warnanya berubah menjadi kuning

kemerahan dan akhirnya memijar. Panjang gelombang cahaya merah lebih besar

daripada panjang gelombang cahaya kuning, artinya frekuensi gelombang cahaya

merah lebih rendah daripada frekuensi gelombang cahaya kuning.

Warna benda bergantung pada panjang gelombang yang dipancarkan. Pada

spektrum cahaya tampak cahaya merah mempunyai frekuensi terendah sedangkan

cahaya ungu (violet) mempunyai frekuensi tertinggi

Gambar 2.3. Panjang gelombang dan frekuensi gelombang elektromagnetik[4]

Perubahan warna pada benda menunjukkan perubahan intensitas radiasi benda.

Jika suhu benda berubah maka intensitas benda akan berubah atau terjadi

pergeseran. Pergeseran ini dapat digunakan untuk memperkirakan suhu suatu

benda. Untuk lebih jelas melihat pergeseran intensitas radiasi benda (disebut

pergeseran Wien) terhadap panjang gelombang benda dapat dilihat pada grafik

dibawah

Gambar 2.4. Grafik pengaruh temperatur terhadap panjang gelombang dan

intensitas[5]

Gambar 2.4 menunjukkan grafik intensitas radiasi benda hitam untuk suhu yang

berbeda. Terlihat bahwa apabila suhu benda hitam meningkat, panjang gelombang

untuk intensitas maksimum bergeser ke nilai panjang gelombang yang lebih

pendek. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh Wien diperoleh persamaan

λmax=CT

...... (2)

dengan λmax adalah panjang gelombang untuk intensitas makslmum (nm), T adalah

suhu mutlak untuk benda hitam (K), dan C adalah tetapan pergeseran Wien (2.898

x l0-3 m.K).

Ada dua teori klasik yang mencoba menjelaskan spektrum radiasi benda

hitam, yaitu teori Wien dan teori Rayleigh-Jeans. Teori Wien menyatakan

hubungan antara intensitas radiasi dengan panjang gelombang menggunakan

analogi antara radiasi dalam ruangan dan distribusi kelajuan molekul gas. Namun

teori Wien gagal menjelaskan panjang gelombang yang panjang.

Berbeda dengan Wien, teori Rayleigh-Jeans menyatakan gubungan antara

intensitas dan panjang gelombang radiasi dengan menggunakan penurunan dari

teori klasik murni. Namun ternyata, teori ini hanya berhasil menjelaskan radiasi

benda hitam untuk panjang gelombang yang panjang. Untuk panjang gelombang

yang pendek teori ini tidak dapat dipakai.

Kegagalan ini menggugah Max Planck untuk melakukan penyelidikan

spektrum radiasi benda hitam. Ia menyatakan bahwa cahaya dapat dianggap

sebagai partikel yang terdiri atas paket-paket energi yang disebut sebagai kuanta

atau foton. Teori ini lantas terbukti dengan adanya fenomena efek fotolistrik dan

efek compton yang hanya mampu dijelaskan jika cahaya dianggap sebagai

partikel. Max Planck menggunakan dasar teoritis untuk memperkuat rumus

empirisnya dengan membuat beberapa asumsi sebagai berikut:

- Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran melekul-molekul benda bersifat

diskrit, yang besarnya E = n . h . f. n adalah bilangan kuantum (n = 1, 2, 3, …)

dan f adalah frekuensi getaran molekul, sedangkan h adalah konstanta Planck.

- Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi dalam paket

diskrit yang disebut kuantum dan foton. Energi radiasi terkuantitasi, dimana

energi satu foton sama dengan konstanta Planck dikalikan frekuensi getaran

molekulnya (h x f)

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1. Alat – Alat Percobaan

1. Bangku optik (bangku penghubung), berfungsi sebagai dudukan statif

2. Termokopel Mall, berfungsi sebagai sensor suhu yang dapat mengubah

perbedaan suhu pada benda menjadi beda potensial

3. Mikrovoltmeter, berfungsi sebagai pengukur tegangan

4. Tabung oven, berfungsi sebagai alat pemanas

5. Probe suhu (temperatur), berfungsi sebagai pengukur temperatur

6. Alat ukur suhu digital, berfungsi sebagai alat untuk menampilkan suhu

7. Statif besar, berfungsi sebagai tiang untuk menempatkan alat percobaan

8. Multiclamp 4 buah, berfungsi sebagai penahan alat percobaan

9. Kabel penghubung (kuning) 2 buah @1 meter, berfungsi sebagai kabel

penghubung alat percobaan

10. Clamp (jepitan) bunsen, berfungsi sebagai penahan bunsen

11. Diafragma pinhall, berfungsi sebagai objek yang akan diukur

3.2. Prosedur Percobaan

1. Alat-alat seperti pada gambar disusun, dan terlebih dahulu diperiksakan

susunan alat-alat pada asisten sebelum disambungkan pada sumber

tegangan (PLN 220 Volt).

2. Suhu ruangan tempat percobaan dan luas pinhall diukur.

3. Mikrovoltmeter dikalibrasi.

4. Tegangan pada mikrovoltmeter dicatat sebagai tegangan awal. Alat

pemanas benda hitam dipanaskan selama 5 menit, diusahakan agar

panasnya stabil. Suhu dan tegangan setelah 5 menit tersebut diukur.

5. Proses pemanasan dilanjutkan untuk setiap kenaikan suhu tertentu,

kenaikan tegangan yang ditunjukkan mikrovoltmeter dicatat sehingga

suhu benda hitam mencapai 400⁰C.

6. Percobaan di atas dilakukan untuk jarak oven dan termokopel mall yang

berbeda.

7. Dilakukan pula pengukuran dengan beberapa luas pinhall yang berbeda.

Gambar 3.1. Susunan peralatan perrcobaan Stefan-Boltzmann[6]

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1. Data Percobaan

- Luas pinhall = 0.000314 m2

- Suhu ruang (T0) = 300 K

A. Penaikan Suhu

T (K) V (V)326 0329 0332 0335 0.000002338 0.000002341 0.000001344 0.000001347 0350 0.000001353 0.000001356 0.000001359 0.000001362 0.000001365 0.000001368 0.000002371 0.000003374 0.000003377 0.000003380 0.000003383 0.000004386 0.000004389 0.000004392 0.000004395 0.000004398 0.000005401 0.000005404 0.000006407 0.000007410 0.000008

413 0.000008416 0.000008419 0.000008422 0.000008425 0.000008428 0.000008431 0.000008434 0.000009437 0.000009440 0.000009443 0.00001446 0.000011449 0.000011452 0.000012455 0.000012458 0.000012461 0.000013464 0.000014467 0.000015470 0.000016473 0.000016476 0.000017479 0.000018482 0.000018485 0.000019488 0.00002491 0.00002494 0.000021497 0.000022500 0.000023

503 0.000024506 0.000025509 0.000026512 0.000027515 0.000028518 0.000029521 0.00003524 0.000031527 0.000032530 0.000033533 0.000034536 0.000035539 0.000037542 0.000039545 0.000041548 0.000042551 0.000044554 0.000045557 0.000047560 0.000049563 0.00005566 0.000052569 0.000054572 0.000056575 0.000058

B. Penurunan Suhu

T (K) V (V)575 0.000059572 0.000059569 0.000059566 0.000059563 0.000059560 0.000059557 0.000059554 0.000059551 0.000059548 0.000059545 0.00006542 0.00006539 0.00006536 0.000059533 0.000059530 0.000059527 0.000057524 0.000056521 0.000055518 0.000052515 0.00005512 0.000049509 0.000048506 0.000047503 0.000046500 0.000044497 0.000043494 0.000042491 0.000041488 0.00004485 0.000039482 0.000038479 0.000036476 0.000035473 0.000034470 0.000033

467 0.000031464 0.00003461 0.000028458 0.000027455 0.000027452 0.000026449 0.000024446 0.000024443 0.000022440 0.000022437 0.000021434 0.00002431 0.000019428 0.000019425 0.000017422 0.000016419 0.000016416 0.000015413 0.000015410 0.000014407 0.000014404 0.000013401 0.000012398 0.000012395 0.000011392 0.00001389 0.00001386 0.00001383 0.000009380 0.000008377 0.000007374 0.000007371 0.000006368 0.000006365 0.000005362 0.000005359 0.000005

356 0.000005353 0.000005350 0.000004347 0.000004344 0.000003341 0.000003338 0.000003335 0.000002332 0.000002329 0.000002326 0.000002

4.2. Pengolahan Data Percobaan

4.2.1. Mengonversikan tegangan yang ditunjukkan mikrovoltmeter ke dalam

daya.

Dengan faktor konversi

k = 1

1,16WattVolt

Maka P = k . V

= 1

1.16 . 0.000002

= 1.724 x 10-6 Watt

Dengan perhitungan yang sama akan diperoleh

A. Penaikan Suhu

T (K) V (V) P (Watt)326 0 0329 0 0332 0 0

3350.00000

2 1.724E-06

3380.00000

2 1.724E-06

3410.00000

1 8.621E-07

3440.00000

1 8.621E-07347 0 0

3500.00000

1 8.621E-07

3530.00000

1 8.621E-07

3560.00000

1 8.621E-07

3590.00000

1 8.621E-07

3620.00000

1 8.621E-07

3650.00000

1 8.621E-07

3680.00000

2 1.724E-06

3710.00000

3 2.586E-06

3740.00000

3 2.586E-06

3770.00000

3 2.586E-06

3800.00000

3 2.586E-06

3830.00000

4 3.448E-06

3860.00000

4 3.448E-06

3890.00000

4 3.448E-06

3920.00000

4 3.448E-06

3950.00000

4 3.448E-06

3980.00000

5 4.31E-06

4010.00000

5 4.31E-06

4040.00000

6 5.172E-06

4070.00000

7 6.034E-06

4100.00000

8 6.897E-06

4130.00000

8 6.897E-06

4160.00000

8 6.897E-06

4190.00000

8 6.897E-06

4220.00000

8 6.897E-06

4250.00000

8 6.897E-06

4280.00000

8 6.897E-06

4310.00000

8 6.897E-06

4340.00000

9 7.759E-06

4370.00000

9 7.759E-06

4400.00000

9 7.759E-06443 0.00001 8.621E-06

4460.00001

1 9.483E-06

4490.00001

1 9.483E-06

4520.00001

2 1.034E-05

4550.00001

2 1.034E-05

4580.00001

2 1.034E-05

4610.00001

3 1.121E-05

4640.00001

4 1.207E-05

4670.00001

5 1.293E-05

4700.00001

6 1.379E-05

4730.00001

6 1.379E-05

4760.00001

7 1.466E-05

4790.00001

8 1.552E-05

4820.00001

8 1.552E-05

4850.00001

9 1.638E-05488 0.00002 1.724E-05491 0.00002 1.724E-05

4940.00002

1 1.81E-05

4970.00002

2 1.897E-05

5000.00002

3 1.983E-05

5030.00002

4 2.069E-05

5060.00002

5 2.155E-05

5090.00002

6 2.241E-05

5120.00002

7 2.328E-05

5150.00002

8 2.414E-05

5180.00002

9 0.000025521 0.00003 2.586E-05

5240.00003

1 2.672E-05

5270.00003

2 2.759E-05

5300.00003

3 2.845E-05

5330.00003

4 2.931E-05

5360.00003

5 3.017E-05

5390.00003

7 3.19E-05

5420.00003

9 3.362E-05

5450.00004

1 3.534E-05

5480.00004

2 3.621E-05

5510.00004

4 3.793E-05

5540.00004

5 3.879E-05

5570.00004

7 4.052E-05

5600.00004

9 4.224E-05563 0.00005 4.31E-05

5660.00005

2 4.483E-05

5690.00005

4 4.655E-05

5720.00005

6 4.828E-05

5750.00005

8 0.00005

B. Penurunan Suhu

T (K) V (V) P (Watt)575 0.000059 5.08621E-05572 0.000059 5.08621E-05569 0.000059 5.08621E-05566 0.000059 5.08621E-05563 0.000059 5.08621E-05560 0.000059 5.08621E-05557 0.000059 5.08621E-05554 0.000059 5.08621E-05551 0.000059 5.08621E-05548 0.000059 5.08621E-05545 0.00006 5.17241E-05542 0.00006 5.17241E-05539 0.00006 5.17241E-05

536 0.000059 5.08621E-05533 0.000059 5.08621E-05530 0.000059 5.08621E-05527 0.000057 4.91379E-05524 0.000056 4.82759E-05521 0.000055 4.74138E-05518 0.000052 4.48276E-05515 0.00005 4.31034E-05512 0.000049 4.22414E-05509 0.000048 4.13793E-05506 0.000047 4.05172E-05503 0.000046 3.96552E-05500 0.000044 3.7931E-05497 0.000043 3.7069E-05494 0.000042 3.62069E-05491 0.000041 3.53448E-05488 0.00004 3.44828E-05485 0.000039 3.36207E-05482 0.000038 3.27586E-05479 0.000036 3.10345E-05476 0.000035 3.01724E-05473 0.000034 2.93103E-05470 0.000033 2.84483E-05467 0.000031 2.67241E-05464 0.00003 2.58621E-05461 0.000028 2.41379E-05458 0.000027 2.32759E-05455 0.000027 2.32759E-05452 0.000026 2.24138E-05449 0.000024 2.06897E-05446 0.000024 2.06897E-05443 0.000022 1.89655E-05440 0.000022 1.89655E-05437 0.000021 1.81034E-05434 0.00002 1.72414E-05431 0.000019 1.63793E-05428 0.000019 1.63793E-05425 0.000017 1.46552E-05422 0.000016 1.37931E-05419 0.000016 1.37931E-05

416 0.000015 1.2931E-05413 0.000015 1.2931E-05410 0.000014 1.2069E-05407 0.000014 1.2069E-05404 0.000013 1.12069E-05401 0.000012 1.03448E-05398 0.000012 1.03448E-05395 0.000011 9.48276E-06392 0.00001 8.62069E-06389 0.00001 8.62069E-06386 0.00001 8.62069E-06383 0.000009 7.75862E-06380 0.000008 6.89655E-06377 0.000007 6.03448E-06374 0.000007 6.03448E-06371 0.000006 5.17241E-06368 0.000006 5.17241E-06365 0.000005 4.31034E-06362 0.000005 4.31034E-06359 0.000005 4.31034E-06356 0.000005 4.31034E-06353 0.000005 4.31034E-06350 0.000004 3.44828E-06

347 0.000004 3.44828E-06344 0.000003 2.58621E-06341 0.000003 2.58621E-06338 0.000003 2.58621E-06335 0.000002 1.72414E-06332 0.000002 1.72414E-06329 0.000002 1.72414E-06326 0.000002 1.72414E-06

4.2.2. Menghitung Konstanta Stefan-Boltzmann

Dengan menggunakan rumus:

E = σ T4 atau σ = E

T 4

dimana σ = konstanta Stefan-Boltzmann

E = daya per satuan Luas (watt/m2)

T4 = pangkat empat dari suhu benda hitam

Untuk mencari nilai E terlebih dahulu, menggunakan rumus:

E = PA

dengan P = daya (watt)

A = luas penampang pinhall = 0.000314 m2

Maka

E = 1.724 x10−6

0.000314 = 0.005491 watt/m2

Setelah didapat nilai E maka kita bisa mencari nilai Konstanta Stefan-

Boltzmann

σ = 0.005491

3354 = 4.359 x 10-13 watt/m2K4

Dengan cara yang sama, diperoleh:

A. Penaikan Suhu

T (K) V (V) P (Watt) E (watt/m2) σ (watt/m2K4)326 0 0 0 0329 0 0 0 0332 0 0 0 0335 0.000002 1.724E-06 0.00549 4.3598E-13338 0.000002 1.724E-06 0.00549 4.207E-13341 0.000001 8.621E-07 0.00275 2.0305E-13344 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.9606E-13347 0 0 0 0350 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.8295E-13353 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.7681E-13356 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.7093E-13359 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.6529E-13362 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.5987E-13365 0.000001 8.621E-07 0.00275 1.5468E-13368 0.000002 1.724E-06 0.00549 2.994E-13371 0.000003 2.586E-06 0.00824 4.3475E-13374 0.000003 2.586E-06 0.00824 4.2097E-13377 0.000003 2.586E-06 0.00824 4.0773E-13380 0.000003 2.586E-06 0.00824 3.95E-13383 0.000004 3.448E-06 0.01098 5.1036E-13386 0.000004 3.448E-06 0.01098 4.9468E-13389 0.000004 3.448E-06 0.01098 4.7959E-13392 0.000004 3.448E-06 0.01098 4.6508E-13395 0.000004 3.448E-06 0.01098 4.5111E-13

398 0.000005 4.31E-06 0.01373 5.4708E-13401 0.000005 4.31E-06 0.01373 5.3089E-13404 0.000006 5.172E-06 0.01647 6.1836E-13407 0.000007 6.034E-06 0.01922 7.0038E-13410 0.000008 6.897E-06 0.02196 7.7726E-13413 0.000008 6.897E-06 0.02196 7.5492E-13416 0.000008 6.897E-06 0.02196 7.3338E-13419 0.000008 6.897E-06 0.02196 7.126E-13422 0.000008 6.897E-06 0.02196 6.9255E-13425 0.000008 6.897E-06 0.02196 6.732E-13428 0.000008 6.897E-06 0.02196 6.5453E-13431 0.000008 6.897E-06 0.02196 6.3649E-13434 0.000009 7.759E-06 0.02471 6.9646E-13437 0.000009 7.759E-06 0.02471 6.7753E-13440 0.000009 7.759E-06 0.02471 6.5924E-13443 0.00001 8.621E-06 0.02745 7.1285E-13446 0.000011 9.483E-06 0.0302 7.6325E-13449 0.000011 9.483E-06 0.0302 7.4305E-13452 0.000012 1.034E-05 0.03295 7.893E-13455 0.000012 1.034E-05 0.03295 7.6868E-13458 0.000012 1.034E-05 0.03295 7.4874E-13461 0.000013 1.121E-05 0.03569 7.9023E-13464 0.000014 1.207E-05 0.03844 8.2922E-13467 0.000015 1.293E-05 0.04118 8.6584E-13470 0.000016 1.379E-05 0.04393 9.002E-13473 0.000016 1.379E-05 0.04393 8.7758E-13476 0.000017 1.466E-05 0.04667 9.0915E-13479 0.000018 1.552E-05 0.04942 9.3873E-13482 0.000018 1.552E-05 0.04942 9.1558E-13485 0.000019 1.638E-05 0.05216 9.4276E-13488 0.00002 1.724E-05 0.05491 9.682E-13491 0.00002 1.724E-05 0.05491 9.4475E-13494 0.000021 1.81E-05 0.05765 9.6811E-13497 0.000022 1.897E-05 0.0604 9.8994E-13500 0.000023 1.983E-05 0.06315 1.0103E-12503 0.000024 2.069E-05 0.06589 1.0293E-12506 0.000025 2.155E-05 0.06864 1.047E-12509 0.000026 2.241E-05 0.07138 1.0634E-12512 0.000027 2.328E-05 0.07413 1.0787E-12515 0.000028 2.414E-05 0.07687 1.0928E-12

518 0.000029 0.000025 0.07962 1.1058E-12521 0.00003 2.586E-05 0.08236 1.1178E-12524 0.000031 2.672E-05 0.08511 1.1289E-12527 0.000032 2.759E-05 0.08785 1.139E-12530 0.000033 2.845E-05 0.0906 1.1482E-12533 0.000034 2.931E-05 0.09335 1.1566E-12536 0.000035 3.017E-05 0.09609 1.1642E-12539 0.000037 3.19E-05 0.10158 1.2035E-12542 0.000039 3.362E-05 0.10707 1.2407E-12545 0.000041 3.534E-05 0.11256 1.2759E-12548 0.000042 3.621E-05 0.11531 1.2786E-12551 0.000044 3.793E-05 0.1208 1.3106E-12554 0.000045 3.879E-05 0.12354 1.3116E-12557 0.000047 4.052E-05 0.12904 1.3406E-12560 0.000049 4.224E-05 0.13453 1.3679E-12563 0.00005 4.31E-05 0.13727 1.3663E-12566 0.000052 4.483E-05 0.14276 1.3911E-12569 0.000054 4.655E-05 0.14825 1.4144E-12572 0.000056 4.828E-05 0.15374 1.4362E-12575 0.000058 0.00005 0.15924 1.4567E-12

Konstanta Stefan-Boltzmann rata-rata = 7.70621x10-13 watt/m2K4

KSR = |σrata−rata−σ literatur

σ literatur| x 100%

= |7.70621 x 10−13−5.67 x 10−8

5.67 x10−8 | x 100%

= 99.99 %

B. Penurunan Suhu

T (K) V (V) P (Watt) E (watt/m2) σ (watt/m2K4)575 0.000059 5.08621E-05 0.16198 1.48181E-12572 0.000059 5.08621E-05 0.16198 1.51314E-12569 0.000059 5.08621E-05 0.16198 1.54531E-12



326 0.000002 1.72414E-06 0.00549 4.86152E-13

Konstanta Stefan-Boltzmann rata-rata = 1.47413x10-12 watt/m2K4

KSR = |σrata−rata−σ literatur

σ literatur| x 100%

= |1.47413 x10−12−5.67 x 10−8

5.67 x10−8 | x 100%

= 99.99 %

4.2.3. Mencari Emisivitas Benda Hitam

Dengan menggunakan rumus

E = e σ (T4 – T04)

e = E

σ T 4−T 04

dimana e = emisivitas benda hitam

σ = Konstanta Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 watt/m2K4)

T4 = pangkat empat dari suhu benda hitam

T04 = pangkat empat dari suhu ruangan (300 K)

Maka

e = 0.00549

4.359 x10−13(3354 – 3004) = 1

Dengan perhitungan yang sama akan diperoleh

A. Penaikan Suhu

T (K) V (V) P (Watt) E (watt/m2) e326 0 0 0 0329 0 0 0 0332 0 0 0 0

3350.00000

2 1.724E-06 0.00549 2.15E-05

3380.00000

2 1.724E-06 0.00549 1.96E-05

3410.00000

1 8.621E-07 0.00275 8.93E-06

3440.00000

1 8.621E-07 0.00275 8.2E-06

347 0 0 0 0

3500.00000

1 8.621E-07 0.00275 7.01E-06

3530.00000

1 8.621E-07 0.00275 6.52E-06

3560.00000

1 8.621E-07 0.00275 6.08E-06

3590.00000

1 8.621E-07 0.00275 5.69E-06

3620.00000

1 8.621E-07 0.00275 5.34E-06

3650.00000

1 8.621E-07 0.00275 5.02E-06

3680.00000

2 1.724E-06 0.00549 9.46E-06

3710.00000

3 2.586E-06 0.00824 1.34E-05

3740.00000

3 2.586E-06 0.00824 1.27E-05

3770.00000

3 2.586E-06 0.00824 1.2E-05

3800.00000

3 2.586E-06 0.00824 1.14E-05

3830.00000

4 3.448E-06 0.01098 1.44E-05

3860.00000

4 3.448E-06 0.01098 1.37E-05

3890.00000

4 3.448E-06 0.01098 1.31E-05

3920.00000

4 3.448E-06 0.01098 1.25E-05

3950.00000

4 3.448E-06 0.01098 1.19E-05

3980.00000

5 4.31E-06 0.01373 1.42E-05

4010.00000

5 4.31E-06 0.01373 1.36E-05

4040.00000

6 5.172E-06 0.01647 1.57E-05

4070.00000

7 6.034E-06 0.01922 1.75E-05

4100.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.92E-05

4130.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.85E-05

4160.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.77E-05

4190.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.7E-05

4220.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.64E-05

4250.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.58E-05

4280.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.52E-05

4310.00000

8 6.897E-06 0.02196 1.47E-05

4340.00000

9 7.759E-06 0.02471 1.59E-05

4370.00000

9 7.759E-06 0.02471 1.54E-05

4400.00000

9 7.759E-06 0.02471 1.48E-05443 0.00001 8.621E-06 0.02745 1.59E-05

4460.00001

1 9.483E-06 0.0302 1.69E-05

4490.00001

1 9.483E-06 0.0302 1.64E-05

4520.00001

2 1.034E-05 0.03295 1.73E-05

4550.00001

2 1.034E-05 0.03295 1.67E-05

4580.00001

2 1.034E-05 0.03295 1.62E-05

4610.00001

3 1.121E-05 0.03569 1.7E-05

4640.00001

4 1.207E-05 0.03844 1.77E-05

4670.00001

5 1.293E-05 0.04118 1.84E-05

4700.00001

6 1.379E-05 0.04393 1.9E-05

4730.00001

6 1.379E-05 0.04393 1.85E-05

4760.00001

7 1.466E-05 0.04667 1.9E-05

4790.00001

8 1.552E-05 0.04942 1.96E-05

4820.00001

8 1.552E-05 0.04942 1.9E-05

4850.00001

9 1.638E-05 0.05216 1.95E-05488 0.00002 1.724E-05 0.05491 1.99E-05491 0.00002 1.724E-05 0.05491 1.94E-05

4940.00002

1 1.81E-05 0.05765 1.98E-05

4970.00002

2 1.897E-05 0.0604 2.01E-05

5000.00002

3 1.983E-05 0.06315 2.05E-05

5030.00002

4 2.069E-05 0.06589 2.08E-05

5060.00002

5 2.155E-05 0.06864 2.11E-05

5090.00002

6 2.241E-05 0.07138 2.13E-05

5120.00002

7 2.328E-05 0.07413 2.16E-05

5150.00002

8 2.414E-05 0.07687 2.18E-05

5180.00002

9 0.000025 0.07962 2.2E-05521 0.00003 2.586E-05 0.08236 2.22E-05

5240.00003

1 2.672E-05 0.08511 2.23E-05

5270.00003

2 2.759E-05 0.08785 2.24E-05

5300.00003

3 2.845E-05 0.0906 2.26E-05

5330.00003

4 2.931E-05 0.09335 2.27E-05

5360.00003

5 3.017E-05 0.09609 2.28E-05

5390.00003

7 3.19E-05 0.10158 2.35E-05

5420.00003

9 3.362E-05 0.10707 2.41E-05

5450.00004

1 3.534E-05 0.11256 2.48E-05

5480.00004

2 3.621E-05 0.11531 2.48E-05

5510.00004

4 3.793E-05 0.1208 2.53E-05

5540.00004

5 3.879E-05 0.12354 2.53E-05

5570.00004

7 4.052E-05 0.12904 2.58E-05

5600.00004

9 4.224E-05 0.13453 2.63E-05563 0.00005 4.31E-05 0.13727 2.62E-05

5660.00005

2 4.483E-05 0.14276 2.66E-05

5690.00005

4 4.655E-05 0.14825 2.7E-05

5720.00005

6 4.828E-05 0.15374 2.74E-05

5750.00005

8 0.00005 0.15924 2.57E-05

e rata-rata = 1.694x10-5

B. Penurunan Suhu

T (K) V (V) P (Watt) E (watt/m2) e575 0.000059 5.08621E-05 0.16198 2.82E-05572 0.000059 5.08621E-05 0.16198 2.89E-05569 0.000059 5.08621E-05 0.16198 2.95E-05566 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.02E-05563 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.09E-05560 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.17E-05557 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.24E-05554 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.32E-05551 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.40E-05548 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.48E-05545 0.00006 5.17241E-05 0.16473 3.63E-05542 0.00006 5.17241E-05 0.16473 3.72E-05539 0.00006 5.17241E-05 0.16473 3.81E-05536 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.84E-05533 0.000059 5.08621E-05 0.16198 3.93E-05530 0.000059 5.08621E-05 0.16198 4.03E-05527 0.000057 4.91379E-05 0.15649 4.00E-05524 0.000056 4.82759E-05 0.15374 4.03E-05521 0.000055 4.74138E-05 0.151 4.06E-05518 0.000052 4.48276E-05 0.14276 3.94E-05515 0.00005 4.31034E-05 0.13727 3.89E-05512 0.000049 4.22414E-05 0.13453 3.91E-05509 0.000048 4.13793E-05 0.13178 3.94E-05506 0.000047 4.05172E-05 0.12904 3.96E-05


383 0.000009 7.75862E-06 0.02471 3.25E-05380 0.000008 6.89655E-06 0.02196 3.04E-05377 0.000007 6.03448E-06 0.01922 2.80E-05374 0.000007 6.03448E-06 0.01922 2.96E-05371 0.000006 5.17241E-06 0.01647 2.68E-05368 0.000006 5.17241E-06 0.01647 2.84E-05365 0.000005 4.31034E-06 0.01373 2.51E-05362 0.000005 4.31034E-06 0.01373 2.67E-05359 0.000005 4.31034E-06 0.01373 2.84E-05356 0.000005 4.31034E-06 0.01373 3.04E-05353 0.000005 4.31034E-06 0.01373 3.26E-05350 0.000004 3.44828E-06 0.01098 2.80E-05347 0.000004 3.44828E-06 0.01098 3.03E-05344 0.000003 2.58621E-06 0.00824 2.46E-05341 0.000003 2.58621E-06 0.00824 2.68E-05338 0.000003 2.58621E-06 0.00824 2.93E-05335 0.000002 1.72414E-06 0.00549 2.15E-05332 0.000002 1.72414E-06 0.00549 2.39E-05329 0.000002 1.72414E-06 0.00549 2.68E-05326 0.000002 1.72414E-06 0.00549 3.03E-05

e rata-rata = 3.42x10-5

4.3. Analisa Percobaan

Pada praktikum kali ini, kita ingin mencari konstanta Stefan-

Boltzmann dengan cara mencari keluaran tegangan yang ditunjukkan oleh

mikrovoltemeter pada tiap kenaikan suhu dan penurunan suhu. Kali ini

rentang suhu yang didapatkan dimulai dari 326 K hingga 575 K. Setelah

suhu mencapai 575 K, pemanas benda hitam dimatikan untuk dicatat nilai

tegangan yang ditunjukkan saat penurunan suhu. Untuk ukuran luas

penampang pinhall didapatkan nilai sebesar 0.000314 m2 dan suhu

ruangan sebesar 300 K.

Nilai daya didapat dari faktor konversi yang bernilai 1/1.16

Watt/Volt. Faktor konversi ini dibutuhkan untuk mencari konstanta

Stefan-Boltzmann. Dengan menggunakan rumus konstanta Stefan-

Boltzmann didapatkan nilai konstanta Stefan-Boltzmann hasil percobaan

pada setiap variasi suhu baik penaikan maupun penurunan suhu. Nilai

yang didapat berbeda dengan literatur yang bernilai 5.67 x 10-8 W/m2K4

yaitu untuk konstanta Stefan-Boltzmann pada penaikan suhu sebesar

7.70621x10-13 W/m2K4 dan penurunan suhu sebesar 1.47413x10-12 W/m2K4.

Sehingga nilai KSR yang didapat dalam dua keadaan tersebut sebesar

99.99%. Hal ini dapat disebabkan karena benda yang kita amati bukan

benda hitam sempurna, dengan kata lain nilai emisivitasnya tidak sama

dengan 1 sehingga daya yang dipancarkan oleh sumber radiasi tidak

seluruhnya terserap oleh benda hitam.

Untuk membuktikan hal ini, kita melakukan perhitungan nilai

emisivitas benda. Menggunakan rumus pada pengolahan data didapat

emisivitas benda rata-rata pada penaikan suhu sebesar 1.69x10-5 dan pada

penurunan suhu sebesar 3.42x10-5. Emisivitas benda hitam sendiri

memiliki rentang antara 0 < e < 1 dimana jika nilai emisivitas semakin

mendekati nilai 1 maka benda tersebut mendekati benda hitam sempurna

sedangkan jika semakin mendekati nilai 0 maka benda tersebut mendekati

bukan benda hitam sempurna. Maka dalam kasus ini jika menilai dari nilai

konstanta Stefan-Boltzmann yang didapat dimana memiliki KSR sebesar

99.99% maka sesuai dengan nilai emisivitas benda hitam yang digunakan

yaitu mendekati nilai 0. Artinya benda hitam yang digunakan tidak

sepenuhnya menyerap radiasi elektromagnetik yang diberikan, bahkan

tidak ada yang diserap sama sekali mengingat nilai emisivitasnya sangat

kecil.

BAB V

SIMPULAN

5.1. Simpulan

1. Teori radiasi benda hitam dapat dipahami, yaitu benda yang dapat

menyerap semua radiasi elektrornagnetik yang datang ke benda hitam

tersebut sehingga tidak ada radiasi yang terpancar atau dipantulkan

2. Konstanta Stefan Boltzmann dapat ditentukan, dengan hasil nilai konstanta

percobaan didapat pada penaikan suhu sebesar 7.70621x10-13 W/m2K4 dan

penurunan suhu sebesar 1.47413x10-12 W/m2K4, atau nilai KSR sebesar

99.99% dari literatur

3. Emisifitas suatu benda dapat ditentukan dengan emisivitas benda rata-rata

pada penaikan suhu sebesar 1.69x10-5 dan pada penurunan suhu sebesar

3.42x10-5.

5.2. Saran

Mengganti benda hitam yang digunakan dalam percobaan sehingga

bisa mendapatkan nilai konstanta Stefan-Boltzmann lebih baik dan tidak

melenceng jauh dari literatur.

TUGAS PENDAHULUAN

1. Apa yang dimaksud dengan radiasi, fluks radiasi (radiant flux) dan iradiasi ?

Jawab:

- Radiasi adalah energi yang merambat dalam bentuk gelombang

elektromagnetik atau foton tanpa memerlukan medium dalam perambatannya.

- Fluks radiasi adalah banyaknya radiasi yang diterima atau dipancarkan suatu

bahan.

- Iradiasi adalah densitas radiasi fluks yang terjadi di sebuah permukaan.

2. Untuk mendukung jawaban pertanyaan (1), cari dua buah logam dari bahan

yang sama, yang satu diberi cat hitam dan yang lain dengan cat putih. Panaskan

sampai temperatur sama/bersamaan (buat seperti tabung Leslie) dan ukur

radiasi panasnya!

Jawab:

Benda yang dicat hitam akan lebih panas karena warna putih memiliki panjang

gelombang yang pendek sehingga cahaya yang diserapnya lebih sedikit dan

memantulkan kalor lebih banyak sedangkan benda berwarna hitam menyerap

cahaya dan kalor lebih banyak.

3. Apa yang dimaksud dengan Benda hitam? Adakah kaitannya dengan warna

hitam? Jelaskan!

Jawab:

Benda hitam adalah benda yang dapat menyerap semua energi emisi atau

pancaran energi elektromagnetik yang mengenainya. Benda hitam tidak harus

selalu berwarna hitam.

4. Besaran apa yang menentukan tingkat kehitaman suatu benda?

Jawab:

Emisivitas (e)

5. Tunjukkan model ideal sebuah benda hitam?

Jawab:

Benda hitam ideal didefenisikan sebagai sesuatu yang menyerap semua radiasi

elektromagnet yang mengenainya, atau mengemisikan semua radiasi

elektromagnet yang dimilikinya. Ataupun juga suatu lubang kecil dari suatu

rongga benda. Semakin kecil lubang tersebut, maka benda hitam semakin ideal.

6. Cermati benda hitam yang digunakan dalam eksperimen ini, bahas kaitannya

dengan jawaban pertanyaan 1 dan 3 !

Jawab:

Sebuah lubang diasumsikan sebagai benda hitam (pinhole). Akan ada pengaruh

energi terhadap suhu dimana semakin tinggi temperatur, semakin banyak

energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak.

7. Apa yang dimaksud dengan emisivitas dan absorbsivitas sautu benda. Melalui

aktivitas pada (2) buktikan bahwa benda hitam menyerap dan memancarkan

kembali semua panas yang diterimanya (jika tidak memungkinkan dilakukan

eksperimen sendiri boleh menggunakan data sekunder).

Jawab:

- Emisivitas: rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan

energi yang dirasikan oleh benda pada temperatur yang sama.

- Absorbsivitas: perbandingan antara cahaya yang diserap dan cahaya yang

datang pada permukaan itu

8. Uraikan Prinsip kerja sensor temperature dan jelaskan prinsip konversinya

menjadi tegangan!

Jawab:

Prinsip kerja sensor temperatur adalah mendeteksi suhu di sekitarnya.

Besarnya suhu yang dideteksi tersebut akan terbaca di digital thermometer.

Karena dalam rangkaian alat dari benda hitam juga terhubung dengan

mikrovoltmeter, maka nilai tegangan akan terdeteksi.

9. Sama seperti pernyataan (8) untuk detektor radiasi yang digunakan!

Jawab:

Detektor radiasi digunakan untuk mengetahui radiasi yang dipancarkan oleh

sumber radiasi.

10. Jelaskan peran diafragma pinhall dan pengaruhnya diameternya terhadap hasil

pengukuran

Jawab:

Sebagai penyaring atau pemfokus dari radiasi yang dipancarkan. Luas

penampang ini akan berpengaruh terhadap nilai daya yang dihasilkan.

11. Cari contoh penerapan/pemanfaatan radiasi panas untuk keperluan praktis

ataupun non-praktis!

Jawab:

Praktis: radiasi panas digunakan untuk menjemur benda

Non-praktis: radiasi panas digunakan untuk dikonversi menjadi energi listrik

melalui panel surya

12. Jelaskan rumusan Planck tentang radiasi benda hitam! Apa kaitannya dengan

hukum Stefan Boltzmann?

Jawab:

Rumusan Planck adalah:

I= 2 π hc2

λ5 (ehc /λ kT−1)

Rumusan tersebut memperlihatkan hubungan intensitas radiasi terhadap

panjang gelombang. Hubungan tersebut dikaitkan dengan energi benda dalam

bentuk radiasi kalor per satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan

sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak.

13. Apa yang dimaksud pergeseran wien?

Jawab:

Pergeseran Wien adalah hukum yang menjelaskan hubunga panjang

gelombang yang membuat intensitas radiasi maksimum untuk suatu benda

hitam bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek begitu benda hitam

berada di temperatur yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Yaz, M. Ali. Fisika. (Jakarta: Penerbit Yudisthira. 2007). hlm. 180.[2]Optical Energy Technologies, Inc. MODEL 200HO: AMBIENT TO 200°C

BLACKBODY IR SOURCE. http://www.opticalenergy.com/200ho/ (Diakses 30

Maret 2014, 09.15)[3]UNSW, School of Physics, Sidney, Australia. Thermal Radiation and How

Clothes Works. http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/images/Joehot.gif

(diakses 30 Maret 2014, 10.30)[4] Serway-Jewett. Physics for Scientist and Engineers, 6th Edition (California:

Penerbit Thomson Brooks/Cole. 2004). hlm. 1081.[5] Skinner Science. Astrophysics – Definition & Facts

http://www.skinnerscience.com/Year%2012,13/astrophysics_definitions.htm

(diakses 30 Maret 2014, 12.30)[6]Tim. Modul Praktikum Fisika Eksperimen II (Jatinangor: Universitas

Padjadjaran. 2014). hlm. 44

Yaz, M. Ali. 2007. Fisika. Jakarta. Penerbit Yudisthira.

http://www.skinnerscience.com/Year%2012,13/astrophysics_definitions.htm

http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/images/Joehot.gif

http://www.opticalenergy.com/200ho/

Konstanta Stefan Boltzman

Documents