LAPORAN FISIKA EKSPERIMEN : Pengukuran Emisivitas Efektif Rata-rata suatu Material Padat (Solid Materials)

Abstrak.  Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan energi yang dirasikan oleh benda hitam (black body) pada temperatur yang sama. Emisivitas mengindikasikan seberapa besar transfer radiasi termal yang dapat dipancarkan oleh suatu material padat. Dari hasil analisis nilai emisivitas kuningan pada percobaan tidak lebih dari 0,07 sedangkan pada literature yaitu 0,6. Faktor yang mempengaruhi nilai emisivitas adalah suhu dan jarak antara radiometer dengan lingkaran yang lebih kecil pada Clonical Shield

Keywords: emisivitas efektif, kuningan, radiasi

1          Pendahuluan

Pada akhir abad ke-19 perhatian para ahli fisika tercurahkan pada emisi cahaya oleh suatu permukaan material logam yang dipanaskan, khususnya pada spectrum emisi tersebut. Kita ketahui bagaimana cahaya berubah dari warna merah tua menjadi pijar apabila suhu logam terus ditingkatkan sampai titik leburnya. Perubahan warna itu berarti pergeseran intensitas maksimum dari panjang gelombang panjang ke panjang gelombang pendek. Spectrum radiasi termal inilah yang menarik minat para fisikawan pada akhir abad ke-19, terutama karena teori-teori fisika yang ada tidak dapat menerangkan bentuk lengkung radiasi termal tersebut.
Berkaitan dengan hal tersebut diatas maka salah satu proses yang sangat penting dan menjadi dasar dari studi tentang transfer radiasi termal adalah bagaimana menentukan emisivitas efektif rata-rata suatu material padat (solid materials) secara akurat pada berbagai temperature. Untuk mencapai tujuan tersebut maka diperlukan disain instrument untuk menentukan besaran fisis tersebut sekaligus kita dapat mengetahui factor-faktor apa saja yang mempengaruhi nilai emisivitas efektif rata-rata suatu material padat, misalnya suhu material padat, sifat material padat, jenis material padat dan sebagainya.

2          Dasar Teori

Energy radian yang dipancarkan dari sebuah radiator ideal (Planckian) dapat dinyatakan dengan persamaan Stefan-Blotzman:
E_i=⁴             (1)
dimana :
E_i = daya emisif dari sebuah radiator        ideal pada temperature T
 = konstanta Stefan-Blotzman
T = suhu mutlak permukaan
Dengan menandai E_𝜆i sebagai energy radiant yang dipancarkan per satuan panjang gelombang pada panjang gelombang 𝜆 untuk sebuah radiator ideal, maka daya emisif selanjutnya dapat dinyatakan sebagai:
E_𝜆i =            (2)
Untuk sebuah radiator non-ideal, daya emisif menjadi:
E_𝜆i =       (3)
dimana e_𝜆 adalah rasio antara radiasi ideal dengan radiasi actual untuk temperature permukaan yang sama pada panjang gelombang yang tertentu dan diartikan sebagai emisivitas monokromatik.
Dengan meninjau nilai emisivitas monokromatik e_𝜆i sebagai fungsi dari arah radiasi yang berkenaan dengan normal dari permukaan pancaran dan R diartikan sebagai penentuan E diambil atas energy yang dipancarkan dari permukaan atas, maka pengukuran dibuat untuk penentuan E diambil atas daerah kecil di sekitar normalnya. Kemudian dengan membagi yang dipancarkan dari permukaan E berkenaan dengan pengukuran yang dibuat pada normalnya dengan radiasi ideal, maka nilai emisivitas efektif rata-rata yang berkenaan dengan panjang gelombang pada normalnya diperoleh.
Berikutnya ditinjau:
e_me= (4)
persamaan (4) merupakan definisi dari eisivitas efektif rata-rata e_me berkenaan dengan radiasi dari permukaan sembarang sudut.
Persamaan (3) menjadi:
E = e_me        (5)
Atau   E =e_me E_i                     (6)
Dengan melakukan substitusi persamaan (1) ke persamaan (6) diperoleh:
E =e_me ⁴                   (7)
 Definisi e_me juga dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan (7) dan (2) sebagai:
e_me=      (8)
Nilai e_me selanjutnya sebagai rasio energy radian yang dipancarkan oleh sebuah permukaan pada temperature T dengan radiasi dari sebuah radiator ideal pada temperature yang sama.
Dari persamaan (8) nilai E ditentukan dengan mengukur energy yang dipancarkan dari sebuah permukaan dengan radiator. Dengan mengacu pada hasil penelitian dari “Boelter” analisis dari hasil yang diperoleh dengan radiometer dinyatakan sebagai:
_RO (T₀⁴ –T_R⁴)     (9)
namun  sama dengan energy yang terdeteksi oleh radiometer sebagai E_mv (R). oleh karena itu:
e_me =      (10)
dimana F_RO adalah factor bentuk yang ditentukan oleh persamaan :
F_RO =                   (11)
dimana r dan L secara berturur-turut adalah jari-jari sampel dan jarak permukaan sampel ke sensor.
Pada peralatan yang digunakan ini, nilai emisivitas efektif rata-rata suatu material padat dapat diperoleh melalui rumusan berikut:
        (12)
dimana :
c= konstanta sensitivitas kalibrasi radiometer = 86,83 kcal/mh²/mV
E_mv (R)= output radiometer
F_RO= Faktor bentuk
T₀= suhu absolute permukaan sampel  = t₀+273
T_R= suhu absolut termokopel =t_R+273

3          Metode Penelitian

3.1              Bahan dan Alat:

Bahan-bahan yang digunakan pada eksperimen ini adalah:

1. Plat aluminium
2. Plat seng
3. Plat tembaga
4. Plat besi

Alat-alat yang digunakan adalah seperangkat peralatan Radiasi Heat Transfer OSK 456.

3.2              Prosedur Eksperimen:

Berikut ini prosedur eksperimen untuk pengukuran emisivitas eektif rata-rata suatu material padar (solid materials) :

1. “Radiometer Conical Shield” dan lempengan logam terletak pada satu garis lurus.
2. Perangkat Radiasi Heat Transfer OSK 4569 dihubungkan dengan sumber tegangan 220 volt, 50 Hz.
3. Lempengan bahan uji dipanaskan dengan “Electric Heater Unit” dan mengatur suhunya “Temperature regulator” yaitu dengan memutar ke kanan untuk menaikkan suhunya dan ke kiri untuk menurunkan suhunya.
4. Suhu lempengan logam diukur dengan mengarahkan saklar “Thermo Taps Selector” pada t₁ dan mengarahkan saklar pada “radio-Thermo Couple Selector” pada thermometer, serta mencatat beda potensial pada digital milivoltmeter.
5. Suhu radiometer diukur dengan mengarahkan saklar “Thermo Taps Selector” pada t₂ dan mencatat beda potensial pada digital milivoltmeter.
6. Banyaknya intensitas radiasi diukur dengan mengarahkan saklar radiometer Thermo Taps Selector pada radiometer dan mencatat beda potensialnya pada digital voltmeter.
7. Mengukur jarak antara radiometer dan lingkaran yang lebih kecil pada Conical Shield.
8. Langkah 7 diulangi dengan jarak yang berbeda.
9. Langkah-langkah sebelumnya diulangi untuk lempengan logam yang berbeda.

4          Hasil dan Pembahasan

Radiasi adalah pancaran energi melalui suatu materi atau ruang dalam bentuk panas, partikel atau gelombang elektromagnetik. Energi radiasi biasanya disebut sebagai energy radian.
Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan energi yang dirasikan oleh benda hitam (black body) pada temperatur yang sama. Emisivitas mengindikasikan seberapa besar transfer radiasi termal yang dapat dipancarkan oleh suatu material padat. Eksperimen ini dilakukan dengan cara mengubah termperatur material dan mengubah jarak antara radiometer dengan lingkaran yang lebih kecil pada Clonical Shield untuk mendapatkan nilai emisivitas pada berbagai temperature dan berbagai variasi jarak.  Material yang digunakan pada eksperimen adalah logam kuningan yang berbentuk lingkaran. Pada praktikum ini tidak dilakukan variasi bahan karena keterbatasan waktu praktikum, sehingga tidak bisa membandingkan nilai emisivitas rata-rata berbagai material padat.

4.1         Hasil Percobaan dengan  Variasi Suhu

Tabel 1. Data Hasil Percobaan  dengan Variasi Suhu pada Kuningan

Percobaan ke	T0 (0C)	Tr (0C)	Temperature Regulator
1	75	32	6
2	87	32	7
3	186	32	8
4	228	32	9

T₀  merupakan suhu energy panas yang di transfer ke bahan yakni logam kuningan. Energi panas ini merupakan konversi dari energy listrik. Sedangkan  T_r merupakan suhu yang diemisikan atau suhu pada bahan.
Pada tabel hasil praktikum di atas terlihat bahwa perubahan Temperature Regulator hanya berpengaruh pada suhu energy panas yang ditransfer ke bahan, sedangkan suhu pada bahan tetap. Hal ini dikarenakan dalam pengambilan data suhu yang tercatat di atas merupakan suhu yang belum stabil atau masih berubah-ubah. Untuk mendapatkan suhu yang stabil dibutuhkan waktu yang lama.

4.2         Hasil Percobaan dengan  Variasi Jarak

Tabel 2. Data Hasil Percobaan  dengan Variasi Jarak pada Kuningan

Percobaan ke	T0 (0C)	Tr (0C)	Jarak Sampel ke Radiometer (cm)
1	247	32	19,4
2	312	32	16,8
3	370	32	21,8
4	352	32	24,3
5	342	32	26,7

Data hasil praktikum di atas menggunakan Temperature Regulator  8 dan pada berbagai variasi jarak.  Jika Tabel 2  dibandingkan dengan Tabel 1 pada Temperatur Regulator yang sama yaitu 8, maka terlihat perbedaan suhu yang tinggi. Selain itu pada Tabel 2 terlihat  baha variasi jarak hanya berpengaruh pada  T₀ atau suhu energy panas yang ditransfer ke bahan, sedangkan suhu yang diemisikan bahan tetap (T_r). Hal ini dikarenakan dalam pengambilan data suhu yang tercatat di atas merupakan suhu yang belum stabil atau masih berubah-ubah.
Pada Tabel 2 terlihat bahwa suhu T₀ naik turun meskipun jaraknya semakin tinggi.  Hal ini dikarenakan pada saat praktikum tidak di urutkan dari jarak yang terkecil sampai jarak terbesar, sehingga suhu yang tercatat bukan merupakan suhu mutlak pada jarak tersebut, melainkan sudah dipengaruhi praktikum sebelumnya. Selain itu  pada peralatan radiasi yang digunakan tidak dilengkapi dengan mesin pendingin, sehingga suhu yang tercatat pada praktikum kurang valid.

4.3         Hasil dan Pembahasan Nilai Emisivitas Efektif Variasi Suhu

Tabel 3. Nilai Emsivitas Efektif  Logam Kuningan Variasi Suhu

Percobaan	T R	Nilai Emsivitas Efektif (
1	6
2	7
3	8
4	9

Pada hasil analisis terlihat bahwa nilai emisivitas efektif dipengaruhi oleh suhu. Selain itu nilai emisivitas hasil analisis sesuai dengan teori yakni nilainya < 1 , karena logam kuningan termasuk benda nyata. Sedangkan nilai emisivitas benda hitam sama dengan 1 karena benda hitam mampu meradiasikan semua energy yang diserapnya. Semakin tinggi suhu nilai emisivitas efektif semakin rendah. Hal ini menunjukkan bahwa  semakin tinggi suhu logam kuningan menyerap semakin banyak energy dari pada energi yang dipancarkannya, sehingga menyebabkan  logam kuningan menjadi semakin panas.

4.4         Hasil dan Pembahasan Nilai Emisivitas Efektif Variasi Jarak

Tabel 4. Nilai Emsivitas Efektif Logam Kuningan  setiap Percobaan Variasi Jarak

Percobaan	Jarak (cm)	Nilai Emsivitas Efektif (
1	19,4
2	16,8
3	21,8
4	24,3
5	26,7

       Pada hasil analisis terlihat bahwa nilai emisivitas efektif dipengaruhi oleh jarak radiometer ke lingkaran yang lebih kecil pada Clonical Shield.
       Jika dibandingkan dengan literature bahwa semakin tinggi jarak maka nilai emisivitas efektif akan semakin besar kurang sesuai dengan hasil percobaan. Hal ini di karenakan data yang diambil kurang valid atau sudah dipengaruhi oleh praktikum sebelumnya.

4.5         Perbandingan Hasil Percobaan dengan Literatur

Nilai emisivitas efektif logam kuningan pada literature adalah 0,6. Nilai emisivitas cenderung naik untuk benda yang permukaanya kasar dan akan semakin turun untuk benda yang permukaannya halus (Miko:2009).
Jika dibandingkan dengan literature, nilai emisivitas efektif hasil percobaan selisihnya jauh. Hal ini disebabkan percobaan dilakukan pada ruang terbuka, sehingga perjalanan energi panas dari radiometer ke bahan terpengaruh oleh udara luar.

5          Kesimpulan

1. Nilai emisivitas efektif pada logam kuningan jika dibandingkan dengan literature selisihnya jauh. Nilai emisivitas kuningan pada literature yaitu 0,6 sedangkan pada percobaan tidak lebih dari 0,07.
2. Faktor yang berpengaruh pada nilai emisivitas efektif rata-rata adalah suhu dan jarak antara radiometer dengan lingkaran yang lebih kecil pada Clonical Shield.

6          Daftar Pustaka

Instruction Manual For Radiation Heat Transfer Experiment Apparatus, Ogawa seiki Co., Ltd, Tokyo, Japan.
Saputra, Widhi dkk, Radiasi, Makalah Operasi Teknik Kimia II, Lampung, Universitas Lampung.
Tipler, Paul A.,1991, Fisika untuk Sains dan Teknik, Edisi Ketiga, Alih Bahasa: Dra. Lea Prasetio, M.sc., Rahmad W. Adi, Ph.D., Penerbit: Erlangga, Jakarta.