RADIASI TERMAL: SIFAT, CONTOH, APLIKASI - FISIK - 2025

The radiasi termal adalah energi ditularkan oleh tubuh dengan suhu dan dengan panjang gelombang spektrum elektromagnetik inframerah. Semua benda tanpa kecuali memancarkan radiasi infra merah, tidak peduli seberapa rendah suhunya.

Kebetulan ketika mereka dalam gerakan dipercepat, partikel bermuatan listrik berosilasi dan berkat energi kinetiknya, mereka terus menerus memancarkan gelombang elektromagnetik.

Gambar 1. Kita sangat mengenal radiasi termal yang berasal dari Matahari, yang merupakan sumber utama energi panas. Sumber: Pxhere.

Satu-satunya cara agar benda tidak memancarkan radiasi termal adalah agar partikelnya benar-benar diam. Dengan cara ini, suhunya akan menjadi 0 pada skala Kelvin, tetapi mengurangi suhu suatu benda ke titik tersebut adalah sesuatu yang belum tercapai.

Sifat radiasi termal

Sifat luar biasa yang membedakan mekanisme perpindahan panas ini dari yang lain adalah tidak memerlukan media material untuk memproduksinya. Jadi, energi yang dipancarkan Matahari, misalnya, menempuh jarak 150 juta kilometer melalui angkasa dan terus menerus sampai ke Bumi.

Ada model matematis untuk mengetahui besarnya energi termal per satuan waktu yang dipancarkan benda:

Persamaan ini dikenal sebagai hukum Stefan dan kuantitas berikut muncul:

- Energi panas per satuan waktu P yang disebut daya dan satuannya dalam Sistem Satuan Internasional adalah watt atau watt (W).

-Luas permukaan benda yang memancarkan panas A, dalam meter persegi.

-A konstanta, disebut Stefan - konstanta Boltzman , dilambangkan dengan σ dan nilainya adalah 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-The emisivitas (juga disebut daya pancar) dari objek e, berdimensi kuantitas (tanpa unit) yang nilainya antara 0 dan 1. Hal ini terkait dengan sifat materi: misalnya cermin memiliki emisivitas rendah, sementara tubuh sangat gelap memiliki emisivitas tinggi.

-Dan akhirnya suhu T dalam kelvin.

Contoh radiasi termal

Menurut hukum Stefan, laju radiasi suatu benda sebanding dengan luas, emisivitas, dan pangkat empat suhu.

Karena laju emisi energi panas bergantung pada pangkat empat T, jelaslah bahwa perubahan kecil suhu akan berdampak besar pada radiasi yang dipancarkan. Misalnya, jika suhu dua kali lipat, radiasi akan meningkat 16 kali lipat.

Kasus khusus dari hukum Stefan adalah radiator sempurna, benda yang sama sekali tidak tembus cahaya yang disebut benda hitam, yang emisivitasnya tepat 1. Dalam hal ini, hukum Stefan terlihat seperti ini:

Kebetulan hukum Stefan adalah model matematika yang secara kasar menggambarkan radiasi yang dipancarkan oleh benda apa pun, karena menganggap emisivitas sebagai konstanta. Emisivitas sebenarnya bergantung pada panjang gelombang radiasi yang dipancarkan, permukaan akhir, dan faktor lainnya.

Jika e dianggap konstan dan hukum Stefan diterapkan seperti yang ditunjukkan di awal, maka benda tersebut disebut benda abu-abu.

Nilai emisivitas untuk beberapa zat yang diperlakukan sebagai benda abu-abu adalah:

-Poles aluminium 0,05

-Karbon hitam 0,95

-Kulit manusia dengan warna apapun 0.97

-Kayu 0.91

-Ice 0,92

-Air 0.91

-Copper antara 0,015 dan 0,025

-Steel antara 0,06 dan 0,25

Radiasi termal dari Matahari

Contoh nyata benda yang memancarkan radiasi termal adalah Matahari. Diperkirakan setiap detiknya, sekitar 1.370 J energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik mencapai Bumi dari Matahari.

Nilai ini dikenal sebagai konstanta matahari dan setiap planet memiliki satu, yang bergantung pada jarak rata-ratanya dari Matahari.

Radiasi ini secara tegak lurus melewati setiap m ² lapisan atmosfer dan didistribusikan dalam panjang gelombang yang berbeda.

Hampir semuanya datang dalam bentuk cahaya tampak, tetapi sebagian besar datang sebagai radiasi infra merah, yang persis seperti yang kita rasakan sebagai panas, dan beberapa juga sebagai sinar ultraviolet. Ini adalah sejumlah besar energi yang cukup untuk memenuhi kebutuhan planet ini, untuk menangkapnya dan menggunakannya dengan benar.

Dalam hal panjang gelombang, ini adalah rentang di mana radiasi matahari yang mencapai Bumi ditemukan:

- Inframerah , yang kita anggap panas: 100 - 0,7 μm *

- Cahaya tampak , antara 0,7 - 0,4 μm

- Ultraviolet , kurang dari 0,4 μm

* 1 μm = 1 mikrometer atau sepersejuta meter.

Hukum Wien

Gambar di bawah ini menunjukkan distribusi radiasi pada panjang gelombang untuk berbagai temperatur. Distribusi tersebut mematuhi hukum perpindahan Wien, yang menurutnya panjang gelombang radiasi maksimum λ _max berbanding terbalik dengan suhu T dalam kelvin:

λ _max T = 2.898. 10 ⁻³ m⋅K

Gambar 2. Grafik radiasi sebagai fungsi panjang gelombang benda hitam. Sumber: Wikimedia Commons.

Matahari memiliki suhu permukaan sekitar 5.700 K dan memancarkan radiasi utamanya pada panjang gelombang yang lebih pendek, seperti yang telah kita lihat. Kurva yang paling mendekati Matahari adalah 5000 K, berwarna biru dan tentu saja memiliki kisaran maksimum cahaya tampak. Tapi itu juga memancarkan bagian yang bagus dalam inframerah dan ultraviolet.

Aplikasi radiasi termal

Energi matahari

Sejumlah besar energi yang diradiasikan matahari dapat disimpan dalam perangkat yang disebut kolektor, untuk kemudian mengubahnya dan menggunakannya dengan nyaman sebagai energi listrik.

Kamera inframerah

Mereka adalah kamera yang, seperti namanya, beroperasi di wilayah inframerah, bukan di cahaya tampak, seperti kamera pada umumnya. Mereka memanfaatkan fakta bahwa semua benda memancarkan radiasi termal ke tingkat yang lebih besar atau lebih kecil tergantung pada suhunya.

Gambar 3. Gambar seekor anjing yang ditangkap dengan kamera inframerah. Awalnya, area yang lebih terang mewakili area dengan suhu tertinggi. Warna, yang ditambahkan selama pemrosesan untuk memfasilitasi interpretasi, menunjukkan perbedaan suhu dalam tubuh hewan. Sumber: Wikimedia Commons.

Pirometri

Jika suhu sangat tinggi, mengukurnya dengan termometer merkuri bukanlah pilihan terbaik. Untuk ini, pirometer lebih disukai, di mana suhu suatu objek disimpulkan dengan mengetahui emisivitasnya, berkat emisi sinyal elektromagnetik.

Astronomi

Cahaya bintang dimodelkan dengan sangat baik dengan perkiraan benda hitam, serta seluruh alam semesta. Dan pada bagiannya, hukum Wien sering digunakan dalam astronomi untuk menentukan suhu bintang, sesuai dengan panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya.

Industri militer

Rudal tersebut ditujukan ke target menggunakan sinyal infra merah yang berusaha mendeteksi area terpanas di pesawat, seperti mesin misalnya.

Referensi

1. Giambattista, A. 2010. Fisika. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Konduksi, konveksi dan radiasi. Diperoleh dari: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Aplikasi radiasi termal. Diperoleh dari: www.ehu.eus.
4. Observatorium Bumi NASA. Anggaran Iklim dan Energi Bumi. Diperoleh dari: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Aplikasi panas. Diperoleh dari: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7. Ed. Pembelajaran Cengage.