SUHU DAN KALOR: RADIASI

Radiasi

Perpindahan kalor dengan cara Radiasi

Selain berpindah dari tempat yang memiliki suhu lebih tinggi menuju tempat yang memiliki suhu lebih rendah dengan cara konduksi dan konveksi, kalor juga bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Bedanya, perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi membutuhkan medium. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak membutuhkan medium. Dirimu jangan pake bingung dengan istilah medium. Yang dimaksudkan dengan medium adalah benda-benda yang berfungsi sebagai penghantar kalor. Penghantar kalor yang baik menggunakan cara konduksi adalah zat padat. Sedangkan penghantar kalor yang baik menggunakan cara konveksi adalah zat cair dan zat gas. Nah, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak menggunakan penghantar. Kok bisa ya ?…. yupz

Radiasi sebenarnya merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, seperti cahaya tampak (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dll), infra merah dan ultraviolet alias ultra ungu. Mengenai gelombang elektromagnetik akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri.

Salah satu contoh perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah perpindahan kalor dari matahari menuju bumi. Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 K), sedangkan bumi memiliki suhuyang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara matahari dan bumi, maka secara otomatis kalor mengungsi dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara aliasmedium , maka kalor tidak mungkin tiba di bumi. Persoalannya si kalor harus melewati ruang hampa (atau hampir hampa alias kosong melompong). Jika tidak ada sumbangan kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada. Ingat ya, kalor tuh energiyang berpindah. Kehidupan kita di planet bumi sangat bergantung pada energi yang disumbangkan oleh matahari. Nah, energi bisa berpindah dari matahari ke bumi dalam bentuk kalor alias panas.

Contoh lain dari perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah panas yang dirasakan ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang kita rasakan bukan disebabkan oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. Seperti yang telah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan konveksi, biasanya udara yang kepanasan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Akibatnya, udara yang massa jenisnya berkurang tadi meluncur ke atas, tidak meluncur ke arah kita. Mirip seperti asap yang keluar lewat cerobong. Kita bisa merasa hangat atau kepanasan ketika berada di dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah). Dengankata lain, kita bisa merasa hangat atau kepanasan karena adanya energi yang berpindah dengan cara radiasi dari nyala api menuju tubuh.

Perpindahan kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi terjadi ketika benda-bendayang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. Matahari dan bumi tidak saling bersentuhan, tetapi kalor bisa mengungsi dari matahari menuju bumi. Demikian juga nyala api dan tubuh kita tidak saling bersentuhan, tetapi tubuh bisa kepanasan kalau kita berdiri di dekat nyala api.

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi ditemukan sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlak (Skala Kelvin) benda tersebut. Benda yang memiliki luas permukaan yang lebih besar memiliki laju perpindahan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang memiliki luas permukaan yang lebih kecil. Demikian juga, benda yang bersuhu 2000 Kelvin, misalnya, memiliki laju perpindahan kalor sebesar 2⁴ = 16 kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang bersuhu 1000 Kelvin. Hasil ini ditemukan oleh om Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh om Ludwig Boltzmann sekitar 5 tahun kemudian. Secara matematisbisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Catatan :

Pertama, kalor merupakan energi yang berpindah. Lebih tepatnya kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Kedua, laju perpindahan kalor = jumlah kalor yang berpindah tempat selama selang waktu tertentu.

Ketiga, kata radiasi bisa berarti pancaran, demikian juga kata meradiasikan bisa berarti memancarkan. Kita menggunakan kata memancarkan karena kalor berpindah tempat menggunakan gelombang elektromagnetik (tidak pake perantara).

Keempat, kata memancarkan dan menyerap tuh artinya berbeda. Kalau memancarkan, berarti kalor ditendang keluar. Tapi kalau menyerap, berarti kalor disedot habis2an.

Kelima, kadang gurumuda pakai istilah perpindahan kalor, kadang pake istilah radiasi energi. Kalor tuh energi yang berpindah. Si kalor bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Karenanya, kita juga bisa menggunakan istilah radiasi energi atau radiasi. Jangan pake bingung… Lanjut ya

Benda yang permukaannya berwarna gelap (hitam pekat, seperti arang) memiliki emisivitas mendekati 1, sedangkan benda yang berwarna terang memiliki emisivitas mendekati 0. Semakin besar emisivitas suatu benda (e mendekati 1), semakin besar laju kaloryang dipancarkan benda tersebut. Sebaliknya, semakin kecil emisivitas suatu benda (e mendekati 0), semakin kecil laju kalor yang dipancarkan. Kita bisa mengatakan bahwa benda yang berwarna gelap (warna hitam dkk) biasanya memancarkan kalor yang lebih banyak dibandingkan dengan benda yang berwarna terang (warna putih dkk).

Besarnya emisivitas tidak hanya menentukan kemampuan suatu benda dalam memancarkan kalor tetapi juga kemampuan suatu benda dalam menyerap kaloryang dipancarkan oleh benda lain. Benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang berwarna gelap) menyerap hampir semua kalor yang dipancarkan padanya. Hanya sebagian kecil saja yang dipantulkan. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) menyerap sedikit kalor yang dipancarkan padanya. Sebagian besar kalor dipantulkan oleh benda tersebut.

Benda yang menyerap semua kalor yang dipancarkan padanya memiliki emisivitas = 1. Benda jenis ini dikenal dengan julukan benda hitam. Dinamakan benda hitam bukan berarti benda tersebut berwarna hitam. Benda hitam sebenarnya merupakan sebuah benda ideal saja. Btw, konsep benda hitam ideal ini penting karena laju radiasi benda ini secara teoritisbisa dihitung. Mengenai benda hitam akan kita oprek dalam pokok bahasan tersendiri.

Berdasarkan ulasan panjang pendek di atas, bisa disimpulkan bahwa benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang nyaris hitam pekat) merupakan pemancar sekaligus sebagai penyerap kalor yang baik. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, setiap benda, apapun itu, selain memancarkan kalor, juga bisa menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Misalnya terdapat dua benda, sebut saja benda 1 dan benda 2. Benda 1 berada di dekat benda 2. Benda 1 memancarkan kalor, benda 2 juga memancarkan kalor. Nah, selain memancarkan kalor, benda 1 pasti menyerap kalor yang dipancarkan benda 2. Demikian juga sebaliknya, selain memancarkan kalor, benda 2 pasti menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda 1. Karenanya untuk menghitung laju total perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 atau benda 2, kita tidak bisa menggunakan persamaan om Stefan-Boltzmann di atas. Persamaan di atas hanya bisa digunakan untuk menentukan laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda (dengan anggapan tidak ada benda lain yang berada di sekitar benda tersebut). Jadi kita perlu mengoprek persamaan di atas untuk memperoleh persamaan yang sesuai dengan kondisi ini. Untuk menurunkan persamaan yang dimaksud, gurumuda tetap menggunakan ilustrasi benda 1 dan benda 2.

Misalnya benda 1 memiliki emisivitas e, suhu T₁ dan luas permukaannya A. Laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak T₁, emisivitas e dan luas permukaan A. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

Agar perpindahan kalor bisa terjadi maka harus terdapat perbedaan suhu. Karenanya suhu benda 1 berbeda dengan suhu benda 2. Benda 2 memiliki suhu T₂. Laju kalor yang dipancarkan benda 2 sebanding dengan pangkat empat suhu T₂. Karena kalor yang dipancarkan benda 2 diserap oleh benda 1, maka laju kalor yang diserap benda 1 juga sebanding dengan pangkat empat suhu T₂.

Karena terdapat kalor yang dipancarkan dan kalor yang diserap oleh benda 1, maka laju total kalor yang dipancarkan oleh benda 1 adalah :

Ini persamaan yang kita cari. Persamaan ini digunakan untuk menentukan laju total kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Yang dimaksudkan dengan laju total kalor adalah selisih antara laju kalor yang pancarkan dan laju kalor yang diserap.

Pemancaran dan penyerapan kalor dengan cara radiasi akan terhenti jika kedua benda tersebut berada dalam keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Jadi apabila T₁ = T₂, maka Q/t = 0.

Apabila kalor yang dipancarkan benda 1 lebih banyak daripada kalor yang diserapnya, maka suhu benda 1 menurun sedangkan suhu benda 2 meningkat. Suhu benda 2 meningkat karena benda 2 menyerap kalor yang dipancarkan benda 1. Sebaliknya, jika kalor yang diserap benda 1 lebih banyak daripada kalor yang dipancarkannya maka suhu benda 1 meningkat sedangkan suhu benda 2 menurun.

Contoh soal 1 :

Sebuah benda berbentuk kubus dengan panjang salah satu sisi kubus = 2 meter. Suhu benda = 100 ^oC dan emisivitas benda = 0,2. Tentukan laju kalor yang dipancarkan benda setiap detik…

Panduan Jawaban :

Suhu benda (T) = 100 ^oC + 273,15 = 373,15 K (suhu benda harus diubah ke dalam skala Kelvin)

Emisivitas (e) = 0,2 (emisivitas tidak punya satuan)

Luas benda (A) = sisi x sisi = 2 m x 2 m = 4 m²

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10^-8 W/m².K⁴

Sekarang kita oprek laju aliran kalor yang dipancarkan benda

Watt = Joule/sekon = J/s (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

1 Watt = 1 Joule/sekon

879,5 Watt = 879,5 Joule/sekon

Benda memancarkan 879,5 Joule per detik.

Contoh soal 2 :

Seorang anak yang lagi bugil alias tidak berpakaian sedang berada dalam sebuah kamar. Luas permukaan tubuh anak tersebut = 2 m², suhu kulitnya = 30 ^oC dan emisivitasnya = 0,8. Jika suhu kamar = 20 ^oC, berapakah laju kalor yang hilang setiap detik dari tubuh si anak ?

Panduan Jawaban :

Suhu anak (T₁) = 30 ^oC + 273,15 = 303,15 K

Suhu kamar (T₂) = 20 ^oC + 273,15 = 293,15 K

Emisivitas (e) = 0,8

Luas tubuh (A) = 2 m²

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10^-8 W/m².K⁴

Ok, tancap gas….

96,16 Watt = 96,16 Joule/sekon

Laju kalor yang lenyap dari tubuh si anak adalah 96,16 Joule per detik.

Laju kalor yang dipancarkan matahari (Laju radiasi matahari)

Sejak pagi sampai sore, kita selalu kebanjiran kalor dari matahari. Saking baik hatinya matahari, kalor yang disumbangkan kepada kita kadang overdosis sehingga tubuh kita kepanasan. Apalagi orang yang kulitnya agak hitam seperti gurumuda. Wah, kalau siang rasanya dingin sekali… Ok, kembali ke laptop. Seperti biasa, untuk menghitung laju perpindahan kalor dari matahari, tentu saja kita membutuhkan bantuan rumus. Rumus lagi, rumus lagi…. pusink dah

Berdasarkan hasil perhitungan (sesuai dengan kenyataan), ditemukan bahwa terdapat kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi yang mengungsi dari matahari menuju planet bumi di mana dirimu dan diriku berada. Pada hari yang cerah (tidak ada awan), terdapat kalor sebesar 1000 Joule per sekon per meter persegi yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Pada hari yang tidak cerah (banyak awannya), sekitar 70 % kalor diserap oleh atmosfir bumi. Rakus juga ya si atmosfir… Jadi hanya 30 % kalor yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Besarnya kalor yang lenyap di atmosfir bumi tergantung pada banyak atau sedikitnya awan yang menggelayut manja di langit.

Jumlah kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi dikenal dengan julukan konstanta matahari. Karena Joule per sekon (J/s) = Watt, maka kita bisa menulis kembali konstanta matahari menjadi 1350 Watt per meter persegi = 1350 W/m²

Ketika kalor yang dipancarkan oleh matahari tiba di permukaan bumi, kalor tersebut diserap oleh benda hidup dan benda mati yang berada di permukaan bumi. Laju penyerapan kalor bergantung pada emisivitas (e) benda tersebut, luas permukaan benda dan sudut yang dibentuk oleh sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan benda. Untuk memudahkan pemahamanmu, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

Secara matematis, laju penyerapan kalor bisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Pada siang hari, sinar matahari sejajar atau berhimpit dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi (Sudut yang dibentuk = 0). Amati gambar di bawah…

Karena sudut yang dibentuk = 0^o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju penyerapan kalor (Q/t) bernilai maksimum jika sudut yang dibentuk sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi = 0^o (cos 0 = 1). Biasanya ini terjadi pada siang hari, di mana matahari kesayangan kita tepat berada di atas kepala. Jadi tidak perlu heran kalau siang hari rasanya panas sekali.

Pada pagi hari dan sore hari, sudut yang terbentuk mendekati 90^o. Amati gambar di bawah…

Besar sudut yang mendekati 90^o bisa saja 70^o, 75^o, 80^o, 85^o dll. Berdasarkan gambar di atas, sudut yang terbentuk sekitar 80^o (Ini cuma perkiraan kasar saja). Seandainya sudut yang terbentuk adalah 80^o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju kalor (Q/t) pada pagi hari dan sore hari bernilai minimum karena cos teta mendekati nol. Semakin kecil cos teta, semakin kecil laju penyerapan kalor (Q/t). Hal ini yang menjadi alasan mengapa pada pagi hari atau sore hari kita tidak merasa panas.

Pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur, sudut yang terbentuk = 90^o. Amati gambar di bawah…

Karena sudut yang dibentuk = 90^o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju penyerapan kalor (Q/t) pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur = 0. Jadi tidak ada kalor yang disedot. Ya iyalah, sinar matahari saja tidak ada. Mau disedot apanya…. Pada siang hari matahari baik hati sekali ya, tapi kalau menjelang malam matahari berubah menjadi sangat pelit Kayanya perlu dikasih pelajaran tuh

Penerapan radiasi

Salah satu penerapan perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah termografi. Alatnya dinamakan termograf. Termograf biasa digunakan untuk mendeteksi tumor, kanker dkk. Jalan ceritanya seperti ini… Biasanya proses metabolisme pada bagian tubuh yang ada tumor atau kanker cukup tinggi. Karenanya suhu bagian tubuh tersebut lebih tinggi. Ingat ya, semakin tinggi suhu, semakin banyak kalor yang dipancarkan alias diradiasikan. Nah, tugas si termograf adalah menscan alias mengukur besarnya kalor yang diradiasikan oleh semua bagian tubuh. Bagian tubuh yang memancarkan kalor paling banyak tentu saja pantas dicurigai… Selanjutnya harus dimata-matai, jika sangat membahayakan sebaiknya dipoton.