Laporan Praktikum Radiasi Inframerah

Telah dilakukan percobaan mengenai radiasi inframerah. Tujuan diadakannya percobaan ini ialah menentukan energi kalor yang diterima oleh air, mengetahui pengaruh suhu terhadap kalor, dan mengetahui hubungan panjang gelombang dengan energi kalor. 

Radiasi Inframerah

I. PENDAHULUAN

Radiasi merupakan salah satu peristiwa yang hubungan-nya erat sekali dengan kehidupan disekitar kita ini. radiasi atau yang dikenal dengan pancaran dapat dikatakan sebagai energi yang bergerak melalui media yang dapat diserap oleh lingkungan. Namun tidak semua benda atau bahan dapat menyerap energi itu. Radiasi yang terjadi bermacam-macam. Bahkan radiasi juga disebut perpindahan kalor. Misalnya dalam radiasi inframerah ini, misalkan saja bila sepotong logam yang dipanaskan,mula-mula akan tampak memijar dengan mengeluarkan warna merah tua, apabila suhunya terus dinaikkan warnanya berangsur-angsur berubah menjadi kuning. Menurut toeri hal ini dapat terjadi karena ketika suhu rendah maka banyaknya radiasi kecil dan panjang gelombangnya relatif panjang. Oleh karena itu untuk mengetahui pengaruh suhu terhadap kalor, dan menentukan energi yang diserap air, serta hubungan panjang gelombang dengan energi kalor maka dilakukanlah percobaan Radiasi Inframerah ini.

Pembuktian mengenai cahaya yang dilakukan selama ini kebanyakan memperlakukan cahaya sebagai suatu gejala gelombang. Sebenarnya cahaya memiliki sifat yang ada kaitannya dengan pertikel. Energinya tidak disebar merata pada muka gelombang, tetapi energinya dilepaskan dalam bentuk buntelan-buntelan seperti partikel. Sebuah buntelan kuantum energi elektro-magnetik seperti itu disebut sebuah foton. Cahaya memiliki sifat dualisme, dimana cahaya dapat dikatan sebagai gelombang dan juga pertikel. Jika sebuah cahaya diamati dengan metode gelombang maka akan menghasilkan sifat gelombang. Dimana cahaya mempunyai panjang gelombang, bisa dibiaskan, dapat difraksikan, dan sifat yang lain. Tetapi apabila diteliti dengan metode partikel akan menunjukkan sifat partikel. Dimana cahaya bisa mempengaruhi elektron dan mempunyai energi yang terkuantisasi. Persamaan mengenai cahaya bersifat gelombang adalah sebagai berikut :

Sedangkan persamaaan cahaya yang bersifat partikel sebagai berikut :

(1.2)

Paul Dirac menyatakan bahwa cahaya dan gelombang elektromagnetik pada umumnya adalah partikel yang berperilaku seperti gelombang ^[4]_.

Kalor merupakan perpindahan energi internal. Kalor mengalir ke bagian lain atau dari satu sistem ke sistem yang lain. Hal ini dikarenakan adanya perbedaan temperatur. Selama pengaliran terjadi tidak dapat diketahui proses keseluruhannya. Kalor belum diketahui sewaktu proses berlangsung. Kuantitas yang diketahui selama proses berlangsung ialah laju aliran Q yang merupakan fungsi waktu. Bila benda panas ditempelkan pada benda lebih dingin maka kedua suhu berubah hingga keduanya menjadi sama. Proses ini digambarkan sebagai aliran kalor dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Sebenarnya hal ini tidak selalu benar karena kalor akan dianggap sebagai suatu zat yang terkandung di dalam materi. Sebaliknya kalor dianggap seperti kerja. Kalor merupakan cara bagaimana energi dipertukarkan antara system dengan lingkungan, karena kalor bentuk perpindahan energi^[5]_.

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walaupun tidak ada mediumnya. Keberadaan gelombang elektromagnetik didasarkan pada hipotesis para ilmuwan. Dimana, bahwa gelombang elektromagnetik diramalkan menjalar dengan kecepatan atau kelajuan cahaya. Cahaya sendiri bukanlah satu-satunya contoh dari gelombang elektromagnetik. Dimana sifat dari interaksi gelombang elektromagnetik dengan materi bergantung pada frekuensinya. Gelombang cahaya merupakan gelombang yang dapat ditangkap atau dicermati oleh manusia ^[6].

Radiasi termal dapat didefinisikan radiasi elektro magnet yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Radiasi termal juga merupakan salah satu di antara jenis-jenis radiasi elektromagnetik yang ada pda kehidupan disekitar kita^[3]_.

Sedangkan perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum-kuantum yang diskrit atau tidak continue sehingga secara matematis, nilai energi pada setiap kuantumnya yaitu sebesar :

Dimana h merupakan tetapan Planck yang besarnya h=6.625×10^-34Js. Bila menganggap setiap kuantum sebagai suatu partikel yang memiliki energi, massa, dan momentum, seperti molekul gas, maka radiasi dapat digambarkan sebagai gas foton yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Jika dihubungkan dengan teori relativistik antara massa dan energi maka secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

Bila disubstitusikan dari persamaan (1.3) dengan persamaan (1.4) didapatkan :

Gambar (1.1) : Spektrum Gelombang Elektromagnetik^[6]_.

Suatu benda yang mempunyai suhu lebih panas dari lingkungannya maka jumlah energi yang dipancarkan akan lebih besar daripada yang diserapnya tiap satuan waktu. Hal ini terjadi karena adanya kehilangan energi dan benda menjadi dingin bila tidak ditambahi panas dengan cara lain^[5] _.

Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam. Benda yangpaling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Cahaya yang masuk pada lubang ini akan dipantulkan dan energinya diserap oleh dinding rongga berulang kali, tanpa memperdulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang geombang tersebut lebih kecil dari diameter lubang). Lubang ini (bukan rongga) merupakan pendekatan dari sebuah benda hitam. Jika rongga dipanaskan spectrum yang dipancarkan lubang akan berupa spectrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga^[4]_.

Kehitaman permukaan terhadap radiasi termal tidak selalu bisa dilihat secara visual. Contohnya permukaan yang ditutup jelaga tampak hitam bila terlihat oleh mata normal, ternyata bagi spektrum radiasi termal juga hitam. Contoh lain salju dan es, keduanya tampak terang bagi mata, namun hitam untuk spectrum radiasi termal panjang gelombang panjang^[3]_.

Gelombang inframerah memiliki panjang gelombang sebesar 10^-3 m dilihat untuk panjang gelombang dari cahaya tampak sampai mencapai 7×10^-7 m. Gelombang inframerah ini dihasilkan oleh molekul dan benda pada suhu kamar yang mudah diserap oleh sebagian bahan. Sehingga energi inframerah yang diserap oleh suatu zat menjadi energi internal karena menggoncangkan atom-atom dari suatu bahan sehingga meningkatkan getaran dan gerak translasi yang mengakibatkan peningkatan temperatur^[6]_..

Contoh dalam kehidupan sehari-hari ialah matahari yang merupakan sumber alami radiasi inframerah. Contoh buatan manusia seperti laser, pemanas, LED (Light Emission Diode)^[1]_.

Nilai panjang gelombang yang menyebabkan intensitas radiasinya bernilai maksimum puncak kurva untuk suhu tertentu, Nilai panjang gelombang yang bersesuaian dengan puncak kurva disebut dengan λmaksimum. Nilainya akan menurun bila suhu benda pemancar radiasi dinaikkan. Hubungan antara λmaksimum dan suhu T bila dituliskan.

Persamaan di atas dikenal sebagai Hukum Pergeseran Wien. Maka dapat disimpulkan puncak spektrum bergeser kea rah panjang gelombang yang lebih pendek (frekuensi tinggi) ketika suhu bertambah^[2]_.

2. METODE

Gambar (2.1) : Rangkaian Percobaan Radiasi Inframerah sebelum dittutup.

Gambar (2.2) : Rangkaian Percobaan Radiasi Inframerah setelah ditutup.

Percobaan radiasi inframerah ini menggunakan alat dan bahan seperti tabung berwarna hitam, tabung dipolis (bening), termometer, lampu dengan daya 55W, 60W dan 100W, stopwatch, dan tissu. Bahan yang digunakan untuk setiap percobaan yaitu air es. Tabung hitam dan dipolis digunakan sebagai bahan penyerap kalor dari sumber energi lampu. Stopwatch untuk menghitung waktu ketika terjadi perubahan suhu.

Langkah awal percobaan radiasi inframerah ini dimulai dengan disiapkan alat dan bahan yang diperlukan dalam percobaan seperti pada gambar (2.1), kemudian suhu ruangan pada saat itu diukur dan dicatat. Dilanjutkan dengan dimasukkannya air es pada tabung yang kemudian diukur suhu air es yang akan digunakan dalam percobaan dan dicatat hasilnya. Lalu termometer dipasang menggantung pada tabung yang sudah berisi air es seperti pada gambar (2.2). Kemudian lampu dinyalakan dan diukur kenaikan suhu pada air es dengan menggunakan termometer setiap 30 detik. Hasil pengukurannya dicatat. Percobaan ini dilakukan dengan 10 kali. Percobaan ini menggunakan dua variasi tabung, yaitu tabung hitam dan tabung dipolis (bening). Percobaan pertama menggunakan tabung dipolis selanjutnya dengan cara yang sama menggunakan tabung hitam. Percobaan ini juga menggunakan tiga variasi daya lampu, yaitu lampu 55W, 60W, dan 100W. Sehingga nanti diperoleh data suhu yang kemudian dengan menggunakan persamaan (1.5) maka akan didapatkan nilai panjang gelombang dari energi kalor yang dipancarkan.

Untuk mempermudah melakukan percobaan ini, dapat dilihat Flow Chart dibawah ini :

Gambar (2.3) : Flow Chart Percobaan Radiasi Inframerah.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada percobaan radiasi inframerah ini, terjadi beberapa kejadian atau fenomena yang diawali dari pancaran sinar lampu pijar, ketika lampu pijar dinyalakan maka lampu dianggap sebagai sumber energi yang memancarkan cahaya. Pancaran cahaya dari lampu diterima oleh tabung terjadi peristiwa radiasi. Tabung menyerap energi dari lampu terjadi peristiwa konduksi. Energi yang diserap tabung yang berisi air es terjadi peristiwa konveksi sehingga suhu air naik menyebabkan perubahan suhu pada skala teermometer.

Pada dasarnya cahaya sendiri memiliki sifat kembar atau disebut dengan dualisme. Sifat ini berarti pada kondisi tertentu, cahaya dapat memiliki sifat partikel dan pada kondisi tertentu juga cahaya dapat memiliki sifat gelombang. Sebuah cahaya hanya dapat memiliki satu sifat, artinya meskipun cahaya bersifat dualisme tidak berarti cahaya bisa memiliki sifat keduanya secara bersamaan. Jika dalam suatu kondisi tertentu cahaya berupa partikel maka cahaya tersebut tidak akan memiliki sifat dualismenya sebagai gelombang. Cahaya memang memiliki kedua sifat tersebut tetapi kedua sifat tersebut tidak akan bisa muncul secara bersamaan. Percobaan ini menganggap bahwa cahaya sebagai partikel. Bukan sebagai gelombang, karena dalam percobaan ini nilai dari panjang gelombangnya tidak masuk dalam range panjang gelombang referensi yang sudah ada, meskipun dalam percobaan ini didapatkan nilai panjang gelombangnya.

Sehingga akan diperoleh data-data hasil dari percobaan inframerah ini berupa perubahan suhu serta perubahan kenaikan suhu. Dari data tersebut dihitung nilai panjang gelombang dan nilai energi kalornya. Untuk menghitung energi kalor yang diterima oleh air digunakan rumus persamaan (1.3), sedangkan untuk menghitung panjang gelombangnya maka digunakan rumus persamaan (1.5). Serta diketahui pula nilai dari konstanta Planck sebesar (h = 6.63 x 10^-34 Js, massa air (m =0.1 kg), massa jenis air (ρ_air = 1000 kg/m³⁾, kalor jenis air (c air =4200 J/kg °C), dan nilai kecepatan cahaya (c _{cahaya =} 3 x 10⁸⁾. Sehingga pada percobaan radiasi inframerah ini akan diperoleh nilai dari kalor yang diterima oleh air dan panjang gelombangnya, sebagai berikut :

Tabel 3.1 : Data Hasil Percobaan Lampu 55 Watt pada Tabung Hitam

Tabel 3.2 : Data Hasil Percobaan Lampu 55 Watt pada Tabung Dipolish

Berdasarkan data hasil percobaan radiasi inframerah pada lampu 55 Watt dapat dibandingkan hasil dari keduanya bahwa ketika lampu tersebut dinyalakan energi rata-rata yang diserap oleh tabung hitam adalah 1029 J dan terjadi perubahan suhu yang hampir konstan naik 1derajat disetiap pengulangannya, dan juga didapatkan panjang gelombang rata-ratanya sebesar 2.87 x 10^-28m. Sedangkan pada lampu yang dipolish energi rata-rata yang diserap adalah sebesar 693 J dan pada tabung ini terjadi perubahan suhu yang lama. Rata-rata panjang gelombang yang didapatkan sebesar 3.14 x 10^-28m. Perubahan suhu yang terjadi menunjukkan keterkaitan banyak sedikitnya energi yang diserap dan panjang pendeknya panjang gelombang. Dimana pada percobaan di lampu 55 Watt ini, energi yang diserap oleh tabung hitam lebih besar dibandingkan dengan tabung dipolis, sehingga panjang gelombang pada tabung hitam lebih pendek daripada tabung dipolis.

Sedangkan untuk lampu 60 Watt, diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut :

Tabel 3.3 : Data Hasil Percobaan Lampu 60 Watt pada Tabung Hitam

Tabel 3.4 : Data Hasil Percobaan Lampu 60 Watt pada Tabung Dipolis

Dari data hasil percobaan radiasi inframerah yang didapatkan pada lampu 60 Watt ini dapat dibandingkan hasil dari keduanya bahwa ketika lampu tersebut dinyalakan energi rata-rata yang diserap oleh tabung hitam adalah 1323 J dan terjadi perubahan suhu yang hampir konstan naik 1derajat disetiap pengulangannya, dan juga didapatkan panjang gelombang rata-ratanya sebesar 2.88 x 10^-28m. Sedangkan pada lampu yang dipolish energi rata-rata yang diserap adalah sebesar 1008 J dan pada tabung ini terjadi perubahan suhu yang lama. Rata-rata panjang gelombang yang didapatkan sebesar 3.03 x 10^-28m. Perubahan suhu yang terjadi menunjukkan keterkaitan banyak sedikitnya energi yang diserap dan panjang pendeknya panjang gelombang. Dimana pada percobaan di lampu 60 Watt ini, energi yang diserap oleh tabung hitam lebih besar dibandingkan dengan tabung dipolis, sehingga panjang gelombang pada tabung hitam lebih pendek daripada tabung dipolis.

Pada percobaan di lampu 100 Watt, akan didapatkan data hasil perhitungan sebagai berikut :

Tabel 3.5 : Data Hasil Percobaan Lampu 100 Watt pada Tabung Hitam

Tabel 3.6 : Data Hasil Percobaan Lampu 100 Watt pada Tabung Dipolis

Hasil percobaan radiasi inframerah yang didapatkan pada lampu 100 Watt ini dapat dibandingkan hasil dari keduanya bahwa ketika lampu tersebut dinyalakan energi rata-rata yang diserap oleh tabung hitam adalah 1470 J dan terjadi perubahan suhu yang hampir konstan naik 1derajat disetiap pengulangannya, dan juga didapatkan panjang gelombang rata-ratanya sebesar 2.04 x 10^-28m. Sedangkan pada lampu yang dipolish energi rata-rata yang diserap adalah sebesar 1260 J dan pada tabung ini terjadi perubahan suhu yang lama. Rata-rata panjang gelombang yang didapatkan sebesar 3.31 x 10^-28m. Perubahan suhu yang terjadi menunjukkan keterkaitan banyak sedikitnya energi yang diserap dan panjang pendeknya panjang gelombang. Dimana pada percobaan di lampu 100 Watt ini, energi yang diserap oleh tabung hitam lebih besar dibandingkan dengan tabung dipolis, sehingga panjang gelombang pada tabung hitam lebih pendek daripada tabung yang dipolis.

Setelah diketahui hasil perhitungan nilai panjang gelombang pada percobaan radiasi inframerah dari masing-masing lampu dan tabungnya maka dapat diambil satu garis atau kesimpulan bahwa besarnya nilai panjang gelombang pada percobaan ini tidak merupakan atau tidak termasuk dalam range panjang gelombang, karena nilai panjang gelombang yang dihasilkan sangat kecil dan jauh dari panjang gelombang referensi sinar inframerah. Sehingga dalam percobaan ini, sinar yang dikeluarkan pada lampu pijar tidak merupakan sinar radiasi inframerah sehinggatidak merupakan cahaya tampak, dimana cahaya tampak sendiri adalah cahaya yang dapat dilihat oleh manusia. Dari teori ini, dapat dihubugkan dengan fenomena yang terjadi saat melakukan percobaan, yakni cahaya yang dihasilkan oleh lampu baik yang 55W, 60W maupun 100W, cahayanya tidak dapat dilihat oleh mata manusia, sehingga dari data perhitungan yang dihasilkan ini, bahwasannya cahaya yang dikeluarkan oleh lampu pijar tidak merupakan cahaya tampak sehingga tidak dapat dilihat oleh manusia.

Berdasarkan tujuan yang ada, ternyata sinar yang dihasilkan dalam percobaan ini bukan merupakan sinar inframerah. Karena dalam percobaan ini, nilai panjang gelombangnya tidak masuk dalam range panjang gelombang referensi yang sudah ada seperti pada gambar (1.1). Hal ini terjadi karena adanya beberapa faktor yang mempengaruhi yaitu besarnya panjang gelombang dalam percobaan ini ialah perubahan suhu dari besar energi kalor yang diserap oleh benda. Nilai dari gelombang inframerah referensi nilainya jauh lebih besar dibandingkan dengan hasil panjang gelombang dari percobaan ini. Hal ini dikarenakan percobaan yang dilakukan bukan berada ditempat vakum melainkan percobaan ini dilakukan di ruang tertutup yang dimana masih dapat dipengaruhi oleh cahaya lain. Kemudian waktu yang digunakan juga terlalu singkat, sehingga energy kalor yang dihasilkan juga semakin kecil dan energi yang diserap oleh tabung juga tidak dihitung. Sehingga hal-hal inilah yang dapat mempengaruhi nilai dari panjang gelombangnya.

Dari hasil perhitungan yang didapatkan bahwasannya percobaan ini haruslah dilakukan diruangan yang benar-benar vakum dan tidak hanya pada ruangan yang tertutup, karena jika dilakukan pada ruangan yang tertutup, maka nantinya pasti masih ada cahaya luar yang masuk. Sehingga akhirnya dapat mempengaruhi dari nilai panjang gelombang yang akan didapatkan, hal ini sesuai dengan teori yang terdapat pada persamaan (1.3), dimana jika nanti dilakukan percobaan maka kelajuan atau kecepatan dari lampu akan dianggap sama dengan kelajuan cahaya matahari.

Dan dari percobaan yang telah dilakukan ini, maka akan dapat kita dihubungkan dengan fenomena-fenoma yang terjadi pada radiasi termal, radiasi inframerah dan radiasi benda hitam. Dimana contoh kejadian yang ada pada radiasi termal ini adalah jika ada suatu benda yang yang memancarkan radiasi karena suhunya dalam percobaan radiasiinframerah ini kejadian lampu pijar yang memancarkan radiasi kepada tabung merupakan contoh dari radisai termal. Sedangkan fenomena yang terjadi pada radiasi benda hitam sendiri itu yaitu ketika suatu lubang kecil yang memancarkan radiasi pada sebuah rongga, dan cahayanya dipantulkan kembali namun energinya tetap diserap oleh rongga tersebut, dan pada percobaan radiasi inframerah ini, kejadian tersebut sama seperti ketika lampu pijar memancarkan radiasi atau cahaya kepada tabung, maka tabung tersebut akan memantulkan kembali cahaya dari lampu itu namun energi dari radiasi tersebut diserap oleh tabung yang kemudian disalurkan kepada air yang ada di tabung tersebut.

3. KESIMPULAN

Dari percobaan radiasi inframerah ini maka dapat disimpulkan bahwa nilai energi kalor yang diterima air pada lampu 55W pada tabung hitam 1029 J sedangkan tabung dipolis sebesar 798 J. Lampu 60 W energi rata-rata yang diserap oleh tabung hitam sebesar 1323 J dan energi rata-rata yang diserap oleh gelas dipolis 1008 J. Lampu 100W energi rata-rata 1470 J yang diserap oleh tabung hitam dan energi rata-rata 1260 J yang diserap oleh gelas dipolis. Hal ini bisa terjadi karena semakin besar perubahan suhu maka menunjukkan energi kalor yang diserap juga semakin besar sehingga panjang gelombangnya akan semakin pendek.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Anies. 2005. Electrical Sensitivity. Jakarta : Erlangga.

[2] Beiser, Arthur. 1982. Konsep Fisika Modern. Jakarta : Erlangga.

[3] Holmat, J. P. 1997. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga.

[4] Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta : UI Press.

[5] Sears, Francis Westone dan Mark W Zemansky. 1983. Fisika untuk Universitas I. Bandung : Binacipta

[6] Jewett, Serway. 2004. Physics for Scientist and Engineers 6th edition. California State Polytechnic University, Pomona