Intensitas Radiasi, Teori Max Planck

Teori Max Planck

Teori Wien cocok dengan spektrum radaisi benda hitam untuk panjang gelombang yang pendek, dan menyimpang untuk panjang gelombang yang panjang.Teori Rayleigh-Jeans cocok dengan spektrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombnag yang panjang, dan menyimpang untuk panjang gelombang yang pendek.Jelas bahwa fisika klasik gagal menjelaskan tentang radiasi benda hitam.Inilah dilema fisika klasik di mana Max Planck mencurahkan seluruh perhatiannya.

Teori spektrum radiasi benda hitam Rayleigh dan Jeans yang meramalkan intensitas yang tinggi pada panjang gelombang rendah (atau dikenal dengan ramalan bencana ultraungu).Ramalan bencana ultraungu dapat dipecahkan oleh teori Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta.

Pada tahun 1900 Max Planck mengemukakan teorinya tentang radiasi benda hitam yang sesuai dengan hasil eksperimen.Planck menganggap bahwa gelombang elektromagnetik berperilaku sebagai osilator di rongga.Getaran yang ditimbulkan osilator kemudian diserap dan dipancarkan kembali oleh atom-atom.Planck sampai pada kesimpulan bahwa energy yang dipancarkan dan diserap tidaklah kontinu.Tetapi, energi dipancarkan dan diserap dalam bentuk paket-paket energi diskret yang disebut kuanta.

Dengan hipotesanya, Planck berhasil menemukan suatu persamaan matematika untuk radiasi benda hitam yang benar-benar sesuai dengan data hasil eksperimennya.Persamaan Planck tersebut kemudian disebut hukum radiasi benda hitam Planck.Ia berpendapat bahwa ukuran energi kuantum (foton) sebanding dengan frekuensi radiasinya. Rumusannya adalah:

Energi minimum (hf) yang diradiasikan osilator disebut dengan kuantum energi.

Read More

Intensitas Radiasi, Hukum Pergeseran Wien

Hukum pergesera wien

Jika suatu benda misalnya logam dipanaskan terus pada suhu tinggi maka warna pijarnya  berubah mulai dari pijar merah ( kira-kira C ) sampai ke putih 9 kira-kira C ). Bentuk grafik antara intensitas radiasi cahaya terhadap panjang gelombangnya dinamakan grafik , pada berbagai suhu. Untuk suhu yang lebih tinggi , panjang gelombang untuk intensitas maksimum bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek.

Wilhelm Wien pada tahun 1896 menyatakan hukumnya yang dikenal dengan hukum Pergeseran Wien:  Panjang gelombang untuk intensitas cahaya maksimum berkurang dengan meningkatnya suhu.

Bila suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relative dari spectrum cahaya yang dipancarkan berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna spectrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda seperti pada gambar

 Gambar diatas menunjukkan grafik antara intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda hitam terhadap panjang gelombang (grafik I –l) pada berbagai suhu. Total energi kalor radiasi yang dipancarkan adalah sebanding dengan luas di bawag grafik. Tampak bahwa total energi kalor radiasi radiasi meningkat dengan meningkatnya suhu  (menurut hokum Stefan- Bolztman. Energi kalor sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak.

Radiasi kalor muncul sebanding suatau spectra kontinu, bukan spectra diskret seperti garis-garis terang yang dilihat dalam spectra nyala api. Atau garis-garis gelap yang dapat dilihat dalam cahaya matahari (garis Fraunhofer) (Spektra adalah bentuk tunggal spectrum) Sebagai gantinya, semua panjang gelombang hadir dalam distribusi energi kalor yang luas ini.  Jika suhu bendahitam meningkat, panjang gelombang untuk intensitas maksimum (lm) bergeser ke nilai panjang gelombang yang lebih pendek.

Pengukuran spectra benda hitam menunjukkan bahwa panjang gelombang untuyk intensitas maksimum (lm) berkurang dengan meningkatnya suhu, seperti pada persamaan berikut :

Read More

Intensitas Radiasi, Hukum Stefan-Boltzman

Hukum Stefan-Boltzman

Pada tahun 1879 seorang ahli fisika dari Austria, Josef Stefan melakukan eksperimen untuk mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam.Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga dapat dirumuskan:

Dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10^-8 Wm^-2K^-4. Gambar berikut memperlihatkan spektrum cahaya yang dipancarkan benda hitam sempurna pada beberapa suhu yang berbeda.Grafik tersebut memperlihatkan bahwa antara antara panjang gelombang yang diradiasikan dengan suhu benda memiliki hubungan yang sangat rumit.

Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga:

Read More

Siklus Tenaga Uap Rankine

     Siklus Rankine adalah siklus daya uap yang digunakan untuk menghitung atau memodelkan proses kerja mesin uap / turbin uap. Siklus ini bekerja dengan fluida kerja air. Semua PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) bekerja berdasarkan prinsip kerja siklus Rankine. Siklus Rankine pertama kali dimodelkan oleh: William John Macquorn Rankine, seorang ilmuan Scotlandia dari Universitas Glasglow.

Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).

·                                         Proses 1: Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.

·                                         Proses 2: Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.

·                                         Proses 3: Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.

·                                         Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.

Dalam siklus Rankine ideal, pompa dan turbin adalah isentropic yang berarti pompa dan turbin tidak menghasilkan entropi dan memaksimalkan output kerja. Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic. Dengan kata lain, proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkan erosi dan korosi mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi.

Efisiensi termodinamika bisa didapatkan dengan meningkatkan temperatur input dari siklus.

Ada beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi termal siklus rankine dengan memodifikasi siklusnya.

Reheater  Pada Siklus Rankine

Cara pertama adalah dengan menggunakan dua turbin uap (High Pressure dan Low Pressure) yang keduanya berada pada satu poros. Uap air yang keluar dari turbin High Pressure masuk kembali ke boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap superheat. Setelah itu uap air tersebut kembali masuk ke turbin uap Low Pressure. Dari turbin kedua ini uap air masuk ke kondensor. PLTU modern sudah banyak menggunakan tiga atau bahkan 4 turbin uap, yaitu High Pressure Turbine, Intermediate Pressure Turbine, dan Low Pressure Turbine. Uap air reheater masuk kembali ke turbin intermediate pressure, selanjutnya tanpa mengalami reheater lagi uap air yang keluar dari intermediate pressure turbine masuk ke low pressure turbine.

Efek Kenaikan pada Siklus Rankine

Read More

Sistem Termodinamika

Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah bejana itu sendiri.

Jenis-jenis sistem

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :

1)   Sistem terbuka

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume. 

Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah

a  Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem

b  Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.

2)   Sistem tertutup

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. 

Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, apabila panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan menyebabkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut control mass.

Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

§  Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

§  Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat). 

3)   Sistem terisolasi

Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium). 

Read More

Video: Hidrolik Sederhana

Read More

Video: The Bubble's Propeller

Read More

Hukum Ketiga Termodinamika

Hukum Termodinamika Ketiga menyatakan bahwa:

"pada suhu 0 K (-273 C) sistem ada dalam kondisi diam atau statis. Kondisi suhu lingkungan kita, anggap saja suhu ruang (25 C- 298 K) berada pada suhu yang tidak memungkinkan sistem untuk diam. Muncul lah Entropi."

Entropi merupakan derajat ketidakteraturan sistem. Dimana, semakin tidakteraturnya sistem, maka entropinya semakin besar. Dalam kondisi suhu lingkungan tadi, kita diminta alam untuk terus bergerak. Maka diam, menimbulkan kematian, is’nt right? Karena jika ingin diam, tinggallah di lingkungan dengan suhu 0 K (-273 C). Ya, kematian lah yang menjemput.

Namun, ingat ketidakteraturan pun akan mengantarkan kita pada sesuatu yang “tidak baik”, maka perhatikan gerak kita. Buatlah gerak yang lebih berirama, gerak yang lebih terarah, sehingga entropi yang terjadi dapat minimal. Tidak terjadi tabrak menabrak hingga timbul korban.

Berdasarkan persamaan  perubahan entropi suatu zat dapat mencapai nilai absolutnya pada suhu tertentu, sehingga pengukuran perubahan entropi dari satu suhu tersebut ke suhu lainnya.

Hukum ketiga termodinamika memberikan dasar untuk menetapkan entropi absolut suatu zat, yaitu entropi setiap kristal sempurna adalah nol pada suhu nol absolut atau nol derajat Kelvin (K). Pada keadaan ini setiap atom pada posisi yang pasti dan memiliki energi dalam terendah.

Entropi dan energi bebas Gibbs juga merupakan fungsi keadaan sehingga kedua besaran ini memiliki nilai pada keadaan standart, seperti halnya dengan entalphi. Hasil pengukuran standart untuk entropi dan Energi bebas Gibbs juga dilakukan pada keadaan 25oC dan dengan tekanan 1 atm.

Energi bebas Gibbs pembentukan standart memiliki arti perubahan energi bebas yang menyertai reaksi pembentukan satu mol senyawa dari unsur-unsur penyusunnya. Demikian pula untuk entropi standar yang dapat dipergunakan untuk menentukan entropi reaksi sebagai harga pembandingnya. Entropi dan Energi bebas Gibbs standar pembentukan, disajikan pada Tabel.

Tabel Entropi dan Energi bebas Gibbs pembentukan standar yang diukur pada 25oC tekanan 1 atm

Read More

Hukum Kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika berpusat pada masalah entropi. Hukum kedua termodinamika bisa dinyatakan sebagai berikut: “Entropi dapat diciptakan tetapi tidak dapat dimusnahkan.” Berdasarkan postulat ini, entropi yang ada pada sebuah proses bisa tetap tidak berubah dan bisa pula naik, namun tidak mungkin berkurang. Entropi hanya bisa tetap tidak berubah pada sebuah proses reversible (s1 = s2). Contoh sebuah proses reversible adalah ayunan bandul teoritis, dimana sama sekali tidak ada friksi yang menghambat ayunan. Dengan demikian, jika bandul diayunkan ke arah kanan sejauh x maka bandul akan kembali ke sebelah kiri sejauh x pula. Namun dalam kenyataannya, proses semacam ini sangat sulit ditemui karena friksi – meski hanya sedikit – pasti akan ada. Dalam kenyataannya, hampir semua proses yang terjadi di alam adalah irreversible. Dalam sebuah proses irreversible, pasti akan terjadi kenaikan entropi (s2 > s1).

Mnurut Kelvin – Planck

Kelvin – Planck telah merumuskan satu rumusan yang merupakan manifestasi dari hukum kedua termodinamika. Postulat Kelvin – Planck adalah rumusan hukum kedua termodinamika yang berlaku pada semua heat engine:

“Sebuah mesin yang bekerja dalam sebuah siklus tidaklah mungkin menerima panas dari sebuah reservoar termal lalu mengubah seluruh panas tersebut menjadi kerja.”

Postulat ini menegaskan bahwa tidak mungkin sebuah heat engine bisa memiliki efisiensi 100 persen.

Berikut ini adalah gambaran heat engine yang tidak mungkin bisa terjadi:

Setiap heat engine pasti bekerja sebagaimana dalam skema berikut:

Menurut Clausius

Postulat Clausius untuk hukum kedua termodinamika merupakan landasan kerja semua heat pump ataupun refrigerator:

“Sebuah mesin yang bekerja dalam sebuah siklus untuk memindahkan panas dari temperatur rendah ke temperatur tinggi pasti membutuhkan asupan kerja (work input).”

Heat pump adalah mesin siklik yang berfungsi sebagai pemanas. Adapun refrigerator adalah mesin siklik yang berfungsi sebagai pendingin. Setiap heat pump pasti bekerja sebagaimana dalam skema berikut:

Read More

Radiasi (Pancaran)

Perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi memerlukan adanya materi sebagai medium untuk membawa kalor dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Akan tetapi, perpindahan kalor secara radiasi (pancaran) terjadi tanpa medium apapun. Semua kehidupan di dunia ini bergantung pada transfer energi dari Matahari, dan energi ini ditransfer ke Bumi melalui ruang hampa (hampa udara). Bentuk transfer energi ini dalam bentuk kalor yang dinamakan radiasi, karena suhu Matahari jauh lebih besar (6.000 K) daripada suhu permukaan bumi. Radiasi pada dasarnya terdiri dari gelombang elektromagnetik. Radiasi dari Matahari terdiri dari cahaya tampak ditambah panjang gelombang lainnya yang tidak bisa dilihat oleh mata, termasuk radiasi inframerah (IR) yang berperan dalam menghangatkan Bumi.

Kecepatan atau laju radiasi kalor dari sebuah benda sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak (μ ∝ T 4 ) benda tersebut. Sebagai contoh, sebuah benda pada suhu 2.000 K, jika dibandingkan dengan benda lain pada suhu 1.000 K, akan meradiasikan kalor dengan kecepatan 16 (24 ) kali lipat lebih besar. Kecepatan radiasi juga sebanding dengan luas A dari benda yang memancarkan kalor. Dengan demikian, kecepatan radiasi kalor meninggalkan sumber tiap selang waktu tertentu (Q /Δt ) dirumuskan: t Q Δ = e σ AT 4 .................................................... (6.23) Persamaan (6.23) disebut persamaan Stefan-Boltzmann, dan σ adalah konstanta universal yang disebut konstanta Stefan-Boltzmann ( σ = 5,67 × 10-8 W/m2 K4 ). Faktor e disebut emisivitas bahan, merupakan bilangan antara 0 sampai 1 yang bergantung pada karakteristik materi. Permukaan yang sangat hitam, seperti arang mempunyai emisivitas yang mendekati 1, sedangkan bahan yang permukaannya mengkilat mempunyai e yang mendekati nol sehingga memancarkan radiasi yang lebih kecil. Permukaan mengkilat tidak hanya memancarkan radiasi yang lebih kecil, tetapi bahan tersebut juga hanya menyerap sedikit dari radiasi yang menimpanya (sebagian besar dipantulkan). Benda hitam dan yang sangat gelap, menyerap kalor hampir seluruh radiasi yang menimpanya. Dengan demikian, bahan penyerap kalor yang baik juga merupakan pemancar kalor yang baik. Benda apapun tidak hanya memancarkan kalor dengan radiasi, tetapi juga menyerap kalor yang diradiasikan oleh benda lain. Sebuah benda dengan emisivitas e dan luas A berada pada suhu T1 , benda ini meradiasikan kalor dengan laju 4 AT1 e t Q = � Δ . Jika benda dikelilingi lingkungan dengan suhu T2 dan emisivitasnya tinggi (e ≈ 1), kecepatan radiasi kalor oleh sekitarnya sebanding dengan T2 4 , dan kecepatan kalor yang diserap oleh benda sebanding dengan T2 4 . Kecepatan total pancaran kalor dari benda ke lingkungan tersebut dirumuskan: t Q Δ = ( ) 4 2 4 e�A T1 −T ........................................... (6.24) dengan: Q = kalor yang dipancarkan benda ( J) e = emisivitas bahan/benda σ = konstanta Stefan-Boltzmann (5,67 10-8 W/m2 K4 ) A = luas penampang benda (m2 )
T1 = suhu mutlak benda (K) T2 = suhu mutlak lingkungan (K) Δt = selang waktu yang diperlukan (s) Berdasarkan persamaan (6.24) dapat dikatakan bahwa kecepatan penyerapan kalor oleh sebuah benda dianggap sebesar 4 AT2 e� ; yaitu, konstanta pembanding sama untuk pemancaran dan penyerapan. Hal ini berhubungan dengan fakta eksperimen bahwa kesetimbangan antara benda dan sekelilingnya dicapai ketika keduanya mempunyai suhu yang sama. Dalam hal ini, Q/ Δt harus sama dengan nol ketika T1 = T2 , sehingga koefisien pemancaran dan penyerapan harus sama. Hal ini menguatkan pernyataan bahwa pemancar yang baik merupakan penyerap yang baik.

Read More