LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA MODERN (KONSTANTA STEFAN-BOLTZMANN)
Oleh : Asisten Praktikum Fisika Modern
PROGRAM P. FISIKA JURUSAN PMIPA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2013
A. Judul Konstanta Stefan-Boltzmann B. Latar Belakang Kajian mengenai radiasi benda hitam dapat menjelaskan mengenai fenomena yang terkait dengan intensitas radiasi (daya emisi) suatu benda pada temperatur tertentu. Pada tahun 1972, T. Wedjwood mendapati bahwa sifat universal dari sebuah objek yang dipanaskan tidak bergantung pada komposisi dan sifat kimia, bentuk dan ukuran benda. Selanjutnya, pada tahun 1859 G. Kirchoff membuktikan sebuah teorema yang didasarkan pada sifat termodinamika benda bahwa pada benda dalam kesetimbangan termal, daya emisi (pancar) dan daya absorpsi (serap) sama besar. Teorema tersebut sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya ketika ia menunjukkan argumen berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keadaan kesetimbangan termal dengan daya radiasi yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam, teorema Kirchoff dinyatakan: R f f = J (f,T) Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f, frekuensi cahaya dan T, suhu mutlak benda. Persamaan tersebut menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan per satuan luas per satuan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda hitam, hasil ini sesuai dengan pengamatan. Selanjutnya untuk memahami karakter universal dari radiasi benda hitam, datang dari ahli fisika Josef Stefan tahun 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, I total adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Persamaan empirisnya:
Itotal R f df T 4 Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan hukum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell.
Percobaan ini akan menentukan dan mengetahui besarnya tetapan StefanBoltzmann dari suatu benda yang meradiasi dan membandingkannya dengan teori. C. Tujuan Menentukan tetapan Stefan-Boltzmann D. Landasan Teori Sebuah benda dalam suhu berapapun akan memancarkan radiasi termal dari permukaannya. Karakteristik radiasi ini bergantung pad suhu dan sifat permukaannya. Distribusi panjang gelombang radiasi dari benda berongga telah diteliti pada akhir abad ke-19. Penemuan eksperimental pada abad itu yaitu: “Daya total dari radiasi yang dipancarkan akan bertambah ketika suhu bertambah”
AeT 4 P = daya dalam watt yang dihasilkan dari permukaan benda
= konstanta Stefan-Boltzmann yang besarnya setara dengan 5,670 x 10 -8
W/m2K 4 A = luas permukaan benda dalam m 2 e = emisivitas permukaan T = suhu permukaan dalam Kelvin (Serway Jewett, 2010: 275-277) Bahwa energi radiasi benda per satuan luas per satuan waktu atau rapat fluks energi dari benda sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlak benda yaitu (~T4 ). Problem utama untuk membuktikan hukum Stefan-Boltzman tentang radiasi adalah menentukan suhu suatu benda yang meradiasi serta mengukur rapat fluks energi radiasi benda tersebut. Bagaimana bunyi hukum Stefan-Boltzman tentang radiasi sebuah benda? Bagaimana rumusnya? Untuk membuktikan suatu benda yang meradiasi dapat digunakan hubungan antara hambatan listrik dari benda dengan suhunya yaitu
R t =R0 1 - αt ; t = t
1 R t
1 R - 1 ; T = 273 + t - 1 α R 0 α R 0
= Suhu benda dalam derajat celcius
R t = Hambatan dari benda yang meradiasi pada suhu t α = Koefisien resistansi dari wolfram (4,8 x 10-3/ K)
T = suhu dalam kelvin. R o = Hambatan Wolfram pada 0 oC A V
~ Gambar 1. Percobaan Stefan-Boltzmann (Dwi Teguh Rahardjo, 2013: 12) Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagentik. Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umumnya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena ia memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah, seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putih. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda. (http://atophysics.files.wordpress.com/2008/11/materi-23.pdf) Saat benda meradiasikan energi pada laju sesuai persamaan AeT 4 , benda tersebut juga menyerap radiasi elektromagentik. Jika proses yang kedua ini tidak terjadi, benda itu akhirnya akan meradiasikan seluruh energinya dan suhunya akan mencapai nol mutlak. Ketika sebuah benda pada keadaan seimbang dengan sekelilingnya, benda tersebut akan meradiasikan dan menyerap energi yang sama besarnya dan suhunya akan tetap. Ketika benda tersebut lebih panas daripada sekelilingnya, benda tersebut akan meradiasikan lebih banyak energi dibandingkan energi yang diserapnya, dan suhunya akan menurun. (Serway-Jewett, 2004: 71)
E. Alat dan Bahan No.
Nama alat dan bahan
Jumlah
1.
Regulator voltage
1
2.
Voltmeter digital
1
3.
Amperemeter digital
1
4
Lampu wolfram
1
5.
Papan rangkaian dan saklar
1
6.
Kabel penghubung+penjepit buaya
1
7.
Sumber tegangan PLN
1
F. Prosedur Kerja 1. Alat dan bahan disiapkan 2. Rangkai alat dan bahan seperti skema di atas. 3. Nyalakan amperemeter digital dan voltmeter digital sesuai
yang
dikehendaki (ubah ke AC dan atur digit koma) 4. Nyalakan saklar 5. Nyalakan voltage regulator 6. Putar pengatur pada regulator tegangan sampai nilai tegangan yang terbaca di voltmeter sebesar 2 volt, kemudian baca nilai arus pada amperemeter (pada suhu kamar t = 25 0C) 7. Ulangi langkah 6 untuk mengambil data sesuai yang diinginkan 8. Selama percobaan, amati lampu wolfram ketika mulai menyala dan menandai data (arus dan tegangan) pada saat kondisi tersebut 9. Memasukkan data ke dalam tabel pengamatan 10. Menentukan hambatan kawat wolfram pada suhu kamar R t di mana (t = 250C). Ini dapat dilakukan dengan mengatur agar lampu radiasi yang telah dialiri arus belum/hampir memijar. 11. Setelah mendapatkan R t tentukan R 0 harga hambatan listrik dari filamen wolfram pada suhu 0oC. 12. Tentukan nilai R t setiap pengukuran arus dan voltase kemudian tabulasikan ke dalam tabel
13. Plotlah grafik antara log P dengan log T dan tentukan kemiringan grafik. 14. Dari grafik tersebut tentukan nilai tetapan Stefan Bolztmann
.
Artinya
untuk membuktikan hukum Stefan Boltzmann harus dapat membuat grafik seperti di bawah ini dan menemukan kemiringannya (slope) = 4 Log P Log T Gambar 2. Hubungan antara log P dengan log T
Gambar 3. Rangkaian Fisis G. Data Pengamatan No.
V (volt)
I (mA)
1.
2
28,2
2.
4
45,1
3.
6
55,1
4.
8
62,1
5.
10
67,4
6.
12
71,6
7.
14
75,4
8.
16
78,7
9.
18
81,6
10.
20
84,5
11.
25
91,1
12.
30
97,2
13.
40
108,9
14.
50
120,0
15.
100
168,0
16.
150
207,3
17.
200
241,3
Keterangan :
Artinya lampu tepat akan menyala
H. Analisis Data 1. Analisis Kuantitatif 1) Mencari Rt dengan Hukum Ohm (saat lampu tepat akan menyala) V
Rt
I
20V 3
84 ,5 x10 A
2,36 x10 2
2) Mencari R 0 pada suhu kamar t = 25o C sehinggan T = 298 K
4,8 x10 3 J / K
Rt
R0 (1 T )
R0
Rt
(1 T ) 2,36 x10 2 (1 4,8 x10 3.298) 2,36 x10 2 (1 1,4304) 236 2,4304
97,1 3) Mencari P dan T a. V = 2 V I = 28,2 mA = 28,2 x 10 -3 A
Rt
V I
2 28,2 x10 3
70,92
P VxI 2(28,2 x10 3 ) 0,0564watt log P 1,2487
1 R0 1 70,92 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 56,17 216,83 K log T 2,3661
T 273
1 Rt
b. V = 4 V I = 45,1 mA = 45,1 x 10 -3 A Rt
V
I
P VxI
4 45,1 x10 3
88,69
4(45,1 x10 3 ) 0,1804watt
log P 0,7437
1 R0 1 88,69 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 18,04 254,96 K log T 2,4064
T
273
1 Rt
c. V = 6 V I = 55,1 mA = 55,1 x 10 -3 A
Rt
V I
6 55,1 x10 3
108,89
P VxI 6(55,1 x10 3 ) 0,3306watt log P 0,4806
1 R0 1 108,89 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 25,29 298,29 K log T 2,4746
T 273
1 Rt
d. V = 8 V I = 62,1 mA = 62,1 x 10 -3 A Rt
V I
8 62,1 x10 3
128,82
P VxI 8(62,1 x10 3 ) 0,4968watt log P 0,3038
1 R0 1 128,82 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 68,05 341,05 K log T 2,5328
T 273
1 Rt
e. V = 10 V I = 67,4 mA = 67,4 x 10 -3 A
Rt
V I
10 67,4 x10 3
148,36
P VxI 10(67,4 x10 3 ) 0,674watt log P 0,1713
1 R0 1 148,36 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 109,98 382,98 K log T 2,5831
T 273
1 Rt
f. V = 12 V I = 71,6 mA = 71,6 x 10 -3 A Rt
V
I
12 71,6 x10 3
167,59
P VxI 12(71,6 x10
3
) 0,8592watt
log P 0,0659
1 R0 1 167,59 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 151,24 424,24 K log T 2,6276
T
273
1 Rt
g. V = 14 V I = 75,4 mA = 75,4 x 10 -3 A
Rt
V
I
14 75,4 x10 3
185,67
P VxI 14(75,4 x10
3
) 1,055watt
log P 0,0232
1 R0 1 185,67 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 190,03 463,03 K log T 2,6656
T
273
1 Rt
h. V = 16 V I = 78,7 mA = 78,7 x 10 -3 A Rt
V I
16 78,7 x10 3
203,30
P VxI 16(78,7 x10 3 ) 1,2592watt log P 0,1000
1 R0 1 203,30 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 227,85 500,85 K log T 2,6997
T 273
i.
1 Rt
V = 18 V I = 81,6 mA = 81,6 x 10 -3 A
Rt
V
I
P VxI
18 81,6 x10 3
220,58
18(81,6 x10 3 ) 1,4688watt
log P 0,1669
1 R0 1 220,58 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 264,93 537,93 K log T 2,7307
T
j.
273
1 Rt
V = 20 V I = 84,5 mA = 84,5 x 10 -3 A Rt
V I
20 84,5 x10 3
236,68
P VxI 20(84,5 x10 3 ) 1,69watt log P 0,2278
1 R0 1 236,68 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 299,47 572,47 K log T 2,7577
T 273
1 Rt
k. V = 25 V I = 91,1 mA = 91,1 x 10 -3 A
Rt
V I
25 91,1 x10 3
274,42
P VxI 25(91,1 x10 3 ) 2,2775watt log P 0,3574
1 R0 1 274,42 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 380,44 653,44 K log T 2,8152
T 273
l.
1 Rt
V = 30 V I = 97,2 mA = 97,2 x 10 -3 A Rt
V I
30 97,2 x10 3
308,64
P VxI 30(97,2 x10 3 ) 2,916watt log P 0,4647
1 R0 1 308,64 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 453,87 726,87 K log T 2,8614
T 273
1 Rt
m. V = 40 V I = 108,9 mA = 108,9 x 10 -3 A
Rt
V
I
40 108,9 x10 3
P VxI
367,30
40(108,9 x10 3 ) 4,356 watt
log P 0,6390
1 R0 1 367,30 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 579,72 852,72 K log T 2,9308
T
273
1 Rt
n. V = 50 V I = 120,0 mA = 120,0 x 10 -3 A Rt
V I
50 120 x10 3
416,66
P VxI 50(120 x10
3
) 6watt
log P 0,7781
1 R0 1 416,66 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 685,63 958,63 K log T 2,9816
T
273
1 Rt
o. V = 100 V I = 168,0 mA = 168 x 10 -3 A
Rt
V
I
100 168 x10 3
595,23
P VxI 100(168 x10
3
) 16,8watt
log P 1,2253
1 R0 1 595,23 273 1 4,8 x10 3 97,1 273 1068,76 1341,76 K log T 3,1276
T
1 Rt
273
p. V = 150 V I = 207,3 mA = 207,3 x 10 -3 A Rt
V I
150 207,3 x10 3
723,58
P VxI 150(207,3 x10 3 ) 31,095watt log P 1,4926
1 R0 1 723,58 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 1344,14 1617,14 K log T 3,2087
T 273
1 Rt
q. V = 200 V I = 241,3 mA = 241,3 x 10 -3 A
Rt
V
200
828,84
241,3 x10 3
I
P VxI
200(241,3 x10 3 ) 48,26 watt
log P 1,6835
1 R0 1 828,84 273 1 3 4,8 x10 97,1 273 1569,98 1842,98 K log T 3,2655
T
273
1 Rt
4) Tabel No.
R t ( )
V (volt)
I (mA)
P (watt)
1.
2
28,2
70,92
0,0564
2.
4
45,1
88,69
3.
6
55,1
4.
8
5.
T (K)
log P
log T
4 log T
216,83
-1,2487
2,3361
9,3444
0,1804
254,96
-0,7437
2,4064
9,6256
108,89
0,3306
298,29
-0,4806
2,4746
9,8984
62,1
128,82
0,4968
341,05
-0,3038
2,5328
10,1312
10
67,4
148,36
0,674
382,98
-0,1713
2,5831
10,3324
6.
12
71,6
167,59
0,8592
424,24
-0,0659
2,6276
10,5104
7.
14
75,4
185,67
1,055
463,03
0,0232
2,6656
10,6624
8.
16
78,7
203,30
1,2592
500,85
0,1000
2,6997
10,7988
9.
18
81,6
220,58
1,4688
537,93
0,1669
2,7307
10,9228
10.
20
84,5
236,68
1,69
572,47
0,2278
2,7577
11,0308
11.
25
91,1
274,42
2,2775
653,44
0,3547
2,8152
11,2608
12.
30
97,2
308,64
2,916
726,87
0,4647
2,8614
11,4456
13.
40
108,9
367,30
4,356
852,72
0,6390
2,9308
11,7232
14.
50
120,0
416,66
6
958,63
0,7781
2,9816
11,9264
15.
100
168,0
595,23
16,8
1341,76
1,2253
3,1276
12,5104
16.
150
207,3
723,58
31,095
1617,14
1,4926
3,2087
12,8348
17.
200
241,3
48,26
828,84
1842,98
1,6835
3,2655
13,062
5) Metode grafik (menggunakan Ms. Excel) untuk mencari hubungan data log P dengan log T
Grafik hubungan antara log P dengan log T 2 y = 2.8081x - 7.5208
1.5 l
1
o
0.5
g
y
0
P -0.5
0
1
2
3
4
Linear (y)
-1 -1.5
log T
Persamaan garis berdasarkan grafik di atas yaitu: y 2,808 x 7,520
7,520 log anti log( 7,520)
3,02 x108W / m 2 K 4
2. Analisis Kualitatif Prinsip dasar percobaan yaitu saat lampu tepat akan menyala, lampu wolfram mulai memancarkan cahaya tampak. Apabila suhu terus naik, maka panjang gelombang
akan
turun. Lampu wolfram yang semula menyala
dengan warna merah tua, lama kelamaan menjadi warna kuning. Daya radiasi total yang dipancarkan akan bertambah ketika suhu bertambah. Apabila sebuah benda lebih panas daripada sekelilingnya, benda tersebut akan meradiasikan lebih banyak energi dibandingkan energi yang diserapnya dan suhunya akan menurun.
Hasil perhitungan pada percobaan berdasarkan grafik yaitu sebesar
3,02 x10 8W / m2 K 4 . Berdasarkan teori nilai konstanta Stefan-Boltzmann
sebesar
5,67 x10 8 W / m 2 K 4 .
Dari perbandingan hasil teori dan percobaan terdapat perbedaan. Adanya perbedaan ini disebabkan oleh beberapa hal yaitu : a. Pembacaan nilai pada voltmeter dan amperemeter yang kurang tepat. b. Suhu ruang saat percobaan kurang diperhitungkan, sehingga mempengaruhi nilai. c. Emisivitas wolfram yang kurang. d. Beberapa alat aus dan umurnya sudah tua. e. Proses perhitungan yang kurang cermat. Fungsi alat-alat yang digunakan dalam percobaan yaitu: a. Voltage regulator Fungsinya untuk mengatur dan mengubah nilai tegangan yang terbaca pada voltmeter digital b. Voltmeter digital Fungsinya untuk mengukur besarnya tegangan pada percobaan c. Amperemeter digital Fungsinya untuk mengukur besarnya arus listrik pada percobaan d. Lampu wolfram Fungsinya sebagai indikator proses terjadinya radiasi dengan mengamati dan mencatat data saat lampu tepat akan menyala e. Papan rangkaian dan saklar Fungsinya sebagai tempat merangkai dan memutus/menyambung arus listrik f. Kabel penghubung+penjepit buaya Fungsinya sebagai penghubung antar rangkaian g. Sumber tegangan PLN
I. Kesimpulan Berdasarkan perhitungan, tetapan Stefan-Boltzmann yang didapatkan yaitu sebesar
3,02 x10 8W / m2 K 4 sedangkan berdasarkan percobaan sebesar
5,67 x10 8 W / m 2 K 4 .
J. Daftar Pustaka Jewett, Serway. 2004. Physics for Scientist and Engineers. Singapore: Cengage Learning Asia Pte Ltd. Jewett, Serway. 2010. Fisika untuk Sains dan Teknik Buku 3 Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika Rahardjo, Dwi Teguh. 2013. Petunjuk Praktikum Fisika Modern. Surakarta: FKIP UNS http://atophysics.files.wordpress.com/2008/11/materi-23.pdf, diakses pada tanggal 22 November 2013
K. Lampiran 1 lembar laporan sementara
Surakarta, .................................... Mengetahui,
(
Praktikan
)
(
)
LAPORAN SEMENTARA PRAKTIKUM FISIKA MODERN Nama
:
NIM
:
Kelas
:
Judul
: Konstanta Stefan-Boltzmann
Kelompok
:
Data pengamatan No.
V (volt)
I (mA)
1.
2
28,2
2.
4
45,1
3.
6
55,1
4.
8
62,1
5.
10
67,4
6.
12
71,6
7.
14
75,4
8.
16
78,7
9.
18
81,6
10.
20
84,5
11.
25
91,1
12.
30
97,2
13.
40
108,9
14.
50
120,0
15.
100
168,0
16.
150
207,3
17.
200
241,3
Keterangan: Nomor 10 keadaan ketika lampu tepat akan menyala