Selain berpindah dari tempat yang memiliki suhu lebih tinggi menuju tempat yang memiliki suhu lebih rendah dengan cara konduksi dan konveksi, kalor juga bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Bedanya, perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi membutuhkan medium. Sebaliknya, perpindahan kalor
dengan cara radiasi tidak membutuhkan medium. Dirimu jangan pake
bingung dengan istilah medium. Yang dimaksudkan dengan medium adalah
benda-benda yang berfungsi sebagai penghantar kalor. Penghantar kalor
yang baik menggunakan cara konduksi adalah zat padat. Sedangkan
penghantar kalor yang baik menggunakan cara konveksi adalah zat cair dan
zat gas. Nah, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak menggunakan
penghantar. Kok bisa ya ?…. yupz
Radiasi
sebenarnya merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang
elektromagnetik, seperti cahaya tampak (merah, jingga, kuning, hijau,
biru, nila, ungu dll), infra merah dan ultraviolet alias ultra ungu.
Mengenai gelombang elektromagnetik akan kita kupas tuntas dalam pokok
bahasan tersendiri.
Salah satu contoh perpindahan kalor dengan cara radiasi
adalah perpindahan kalor dari matahari menuju bumi. Matahari memiliki
suhu lebih tinggi (sekitar 6000 K), sedangkan bumi memiliki suhuyang
lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara matahari dan bumi,
maka secara otomatis kalor mengungsi dari matahari (suhu lebih tinggi)
menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari
matahari menuju bumi memerlukan perantara aliasmedium , maka kalor tidak
mungkin tiba di bumi. Persoalannya si kalor harus melewati ruang hampa
(atau hampir hampa alias kosong melompong). Jika tidak ada sumbangan
kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada. Ingat
ya, kalor tuh energiyang berpindah. Kehidupan kita di planet bumi
sangat bergantung pada energi yang disumbangkan oleh matahari. Nah,
energi bisa berpindah dari matahari ke bumi dalam bentuk kalor alias
panas.
Contoh lain dari perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah
panas yang dirasakan ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang
kita rasakan bukan disebabkan oleh udara yang kepanasan akibat adanya
nyala api. Seperti yang telah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan
konveksi, biasanya udara yang kepanasan memuai sehingga massa jenisnya
berkurang. Akibatnya, udara yang massa jenisnya berkurang tadi meluncur
ke atas, tidak meluncur ke arah kita. Mirip seperti asap yang keluar
lewat cerobong. Kita bisa merasa hangat atau kepanasan ketika berada di
dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala
api (suhu lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah).
Dengankata lain, kita bisa merasa hangat atau kepanasan karena adanya
energi yang berpindah dengan cara radiasi dari nyala api menuju tubuh.
Perpindahan
kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan
perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor
dengan cara konduksi dan konveksi terjadi ketika benda-bendayang
memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan
kalor dengan cara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. Matahari
dan bumi tidak saling bersentuhan, tetapi kalor bisa mengungsi dari
matahari menuju bumi. Demikian juga nyala api dan tubuh kita tidak
saling bersentuhan, tetapi tubuh bisa kepanasan kalau kita berdiri di
dekat nyala api.
Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi
Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi ditemukan sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlak (Skala Kelvin) benda tersebut.
Benda yang memiliki luas permukaan yang lebih besar memiliki laju
perpindahan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang
memiliki luas permukaan yang lebih kecil. Demikian juga, benda yang
bersuhu 2000 Kelvin, misalnya, memiliki laju perpindahan kalor sebesar 24
= 16 kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang bersuhu 1000
Kelvin. Hasil ini ditemukan oleh om Josef Stefan pada tahun 1879 dan
diturunkan secara teoritis oleh om Ludwig Boltzmann sekitar 5 tahun
kemudian. Secara matematisbisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Catatan :
Pertama, kalor merupakan energi yang berpindah. Lebih tepatnya kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.
Kedua, laju perpindahan kalor = jumlah kalor yang berpindah tempat selama selang waktu tertentu.
Ketiga, kata radiasi bisa berarti pancaran, demikian juga kata meradiasikan bisa berarti memancarkan.
Kita menggunakan kata memancarkan karena kalor berpindah tempat
menggunakan gelombang elektromagnetik (tidak pake perantara).
Keempat, kata memancarkan dan menyerap tuh artinya berbeda. Kalau memancarkan, berarti kalor ditendang keluar. Tapi kalau menyerap, berarti kalor disedot habis2an.
Kelima, kadang gurumuda pakai istilah perpindahan kalor, kadang pake istilah radiasi energi.
Kalor tuh energi yang berpindah. Si kalor bisa berpindah tempat dengan
cara radiasi. Karenanya, kita juga bisa menggunakan istilah radiasi
energi atau radiasi. Jangan pake bingung… Lanjut ya
Benda
yang permukaannya berwarna gelap (hitam pekat, seperti arang) memiliki
emisivitas mendekati 1, sedangkan benda yang berwarna terang memiliki
emisivitas mendekati 0. Semakin besar emisivitas suatu benda (e
mendekati 1), semakin besar laju kaloryang dipancarkan benda tersebut.
Sebaliknya, semakin kecil emisivitas suatu benda (e mendekati 0),
semakin kecil laju kalor yang dipancarkan. Kita bisa mengatakan bahwa
benda yang berwarna gelap (warna hitam dkk) biasanya memancarkan kalor
yang lebih banyak dibandingkan dengan benda yang berwarna terang (warna
putih dkk).
Besarnya
emisivitas tidak hanya menentukan kemampuan suatu benda dalam
memancarkan kalor tetapi juga kemampuan suatu benda dalam menyerap
kaloryang dipancarkan oleh benda lain. Benda yang memiliki emisivitas
mendekati 1 (benda yang berwarna gelap) menyerap hampir semua kalor yang
dipancarkan padanya. Hanya sebagian kecil saja yang dipantulkan.
Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang
berwarna terang) menyerap sedikit kalor yang dipancarkan padanya.
Sebagian besar kalor dipantulkan oleh benda tersebut.
Benda
yang menyerap semua kalor yang dipancarkan padanya memiliki emisivitas
= 1. Benda jenis ini dikenal dengan julukan benda hitam. Dinamakan
benda hitam bukan berarti benda tersebut berwarna hitam. Benda hitam
sebenarnya merupakan sebuah benda ideal saja. Btw, konsep benda hitam
ideal ini penting karena laju radiasi benda ini secara teoritisbisa
dihitung. Mengenai benda hitam akan kita oprek dalam pokok bahasan
tersendiri.
Berdasarkan ulasan
panjang pendek di atas, bisa disimpulkan bahwa benda yang memiliki
emisivitas mendekati 1 (benda yang nyaris hitam pekat) merupakan
pemancar sekaligus sebagai penyerap kalor yang baik. Sebaliknya, benda
yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang)
merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk.
Seperti yang telah dibahas sebelumnya, setiap benda, apapun itu, selain memancarkan kalor, juga bisa menyerap kalor yang
dipancarkan oleh benda lain. Misalnya terdapat dua benda, sebut saja
benda 1 dan benda 2. Benda 1 berada di dekat benda 2. Benda 1
memancarkan kalor, benda 2 juga memancarkan kalor. Nah, selain
memancarkan kalor, benda 1 pasti menyerap kalor yang dipancarkan benda
2. Demikian juga sebaliknya, selain memancarkan kalor, benda 2 pasti
menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda 1. Karenanya untuk
menghitung laju total perpindahan kalor yang
dipancarkan oleh benda 1 atau benda 2, kita tidak bisa menggunakan
persamaan om Stefan-Boltzmann di atas. Persamaan di atas hanya bisa
digunakan untuk menentukan laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh
sebuah benda (dengan anggapan tidak ada benda lain yang berada di
sekitar benda tersebut). Jadi kita perlu mengoprek persamaan di atas
untuk memperoleh persamaan yang sesuai dengan kondisi ini. Untuk
menurunkan persamaan yang dimaksud, gurumuda tetap menggunakan
ilustrasi benda 1 dan benda 2.
Misalnya benda 1 memiliki emisivitas e, suhu T1 dan luas permukaannya A. Laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak T1, emisivitas e dan luas permukaan A. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

Karena
terdapat kalor yang dipancarkan dan kalor yang diserap oleh benda 1,
maka laju total kalor yang dipancarkan oleh benda 1 adalah :

Pemancaran
dan penyerapan kalor dengan cara radiasi akan terhenti jika kedua
benda tersebut berada dalam keseimbangan termal (suhu kedua benda
sama). Jadi apabila T1 = T2, maka Q/t = 0.
Apabila
kalor yang dipancarkan benda 1 lebih banyak daripada kalor yang
diserapnya, maka suhu benda 1 menurun sedangkan suhu benda 2 meningkat.
Suhu benda 2 meningkat karena benda 2 menyerap kalor yang dipancarkan
benda 1. Sebaliknya, jika kalor yang diserap benda 1 lebih banyak
daripada kalor yang dipancarkannya maka suhu benda 1 meningkat sedangkan
suhu benda 2 menurun.
Contoh soal 1 :
Sebuah benda berbentuk kubus dengan panjang salah satu sisi kubus = 2 meter. Suhu benda = 100 oC dan emisivitas benda = 0,2. Tentukan laju kalor yang dipancarkan benda setiap detik…
Panduan Jawaban :
Suhu benda (T) = 100 oC + 273,15 = 373,15 K (suhu benda harus diubah ke dalam skala Kelvin)
Emisivitas (e) = 0,2 (emisivitas tidak punya satuan)
Luas benda (A) = sisi x sisi = 2 m x 2 m = 4 m2
Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4
Sekarang kita oprek laju aliran kalor yang dipancarkan benda

Watt = Joule/sekon = J/s (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)
1 Watt = 1 Joule/sekon
879,5 Watt = 879,5 Joule/sekon
Benda memancarkan 879,5 Joule per detik.
Contoh soal 2 :
Seorang anak yang lagi bugil alias tidak berpakaian sedang berada dalam sebuah kamar. Luas permukaan tubuh anak tersebut = 2 m2, suhu kulitnya = 30 oC dan emisivitasnya = 0,8. Jika suhu kamar = 20 oC, berapakah laju kalor yang hilang setiap detik dari tubuh si anak ?
Panduan Jawaban :
Suhu anak (T1) = 30 oC + 273,15 = 303,15 K
Suhu kamar (T2) = 20 oC + 273,15 = 293,15 K
Emisivitas (e) = 0,8
Luas tubuh (A) = 2 m2
Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4
Ok, tancap gas….

96,16 Watt = 96,16 Joule/sekon
Laju kalor yang lenyap dari tubuh si anak adalah 96,16 Joule per detik.
Laju kalor yang dipancarkan matahari (Laju radiasi matahari)
Sejak
pagi sampai sore, kita selalu kebanjiran kalor dari matahari. Saking
baik hatinya matahari, kalor yang disumbangkan kepada kita kadang
overdosis sehingga tubuh kita kepanasan. Apalagi orang yang kulitnya
agak hitam seperti gurumuda. Wah, kalau siang rasanya dingin sekali…
Ok, kembali ke laptop. Seperti biasa, untuk menghitung laju perpindahan
kalor dari matahari, tentu saja kita membutuhkan bantuan rumus. Rumus
lagi, rumus lagi…. pusink dah

Berdasarkan
hasil perhitungan (sesuai dengan kenyataan), ditemukan bahwa terdapat
kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi yang mengungsi
dari matahari menuju planet bumi di mana dirimu dan diriku berada. Pada
hari yang cerah (tidak ada awan), terdapat kalor sebesar 1000 Joule
per sekon per meter persegi yang tiba dengan selamat di permukaan bumi.
Pada hari yang tidak cerah (banyak awannya), sekitar 70 % kalor
diserap oleh atmosfir bumi. Rakus juga ya si atmosfir… Jadi hanya 30 %
kalor yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Besarnya kalor yang
lenyap di atmosfir bumi tergantung pada banyak atau sedikitnya awan
yang menggelayut manja di langit.
Jumlah kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi dikenal dengan julukan konstanta matahari. Karena Joule per sekon (J/s) = Watt, maka kita bisa menulis kembali konstanta matahari menjadi 1350 Watt per meter persegi = 1350 W/m2
Ketika kalor yang dipancarkan oleh matahari tiba di permukaan bumi, kalor tersebut diserap oleh benda hidup
dan benda mati yang berada di permukaan bumi. Laju penyerapan kalor
bergantung pada emisivitas (e) benda tersebut, luas permukaan benda dan
sudut yang dibentuk oleh sinar matahari dengan garis yang tegak lurus
permukaan benda. Untuk memudahkan pemahamanmu, tataplah gambar di bawah
dengan penuh kelembutan.


Secara matematis, laju penyerapan kalor bisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Pada
siang hari, sinar matahari sejajar atau berhimpit dengan garis yang
tegak lurus permukaan bumi (Sudut yang dibentuk = 0). Amati gambar di
bawah…

Karena sudut yang dibentuk = 0o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju
penyerapan kalor (Q/t) bernilai maksimum jika sudut yang dibentuk
sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi = 0o
(cos 0 = 1). Biasanya ini terjadi pada siang hari, di mana matahari
kesayangan kita tepat berada di atas kepala. Jadi tidak perlu heran
kalau siang hari rasanya panas sekali.
Pada pagi hari dan sore hari, sudut yang terbentuk mendekati 90o. Amati gambar di bawah…

Besar sudut yang mendekati 90o bisa saja 70o, 75o, 80o, 85o dll. Berdasarkan gambar di atas, sudut yang terbentuk sekitar 80o (Ini cuma perkiraan kasar saja). Seandainya sudut yang terbentuk adalah 80o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju kalor (Q/t) pada pagi hari dan sore hari bernilai minimum karena cos teta mendekati nol. Semakin kecil cos teta,
semakin kecil laju penyerapan kalor (Q/t). Hal ini yang menjadi alasan
mengapa pada pagi hari atau sore hari kita tidak merasa panas.
Pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur, sudut yang terbentuk = 90o. Amati gambar di bawah…

Karena sudut yang dibentuk = 90o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju
penyerapan kalor (Q/t) pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau
hendak terbit di ufuk timur = 0. Jadi tidak ada kalor yang disedot. Ya
iyalah, sinar matahari saja tidak ada. Mau disedot apanya…. Pada siang
hari matahari baik hati sekali ya, tapi kalau menjelang malam matahari
berubah menjadi sangat pelit
Kayanya perlu dikasih pelajaran tuh

Penerapan radiasi
Salah
satu penerapan perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah
termografi. Alatnya dinamakan termograf. Termograf biasa digunakan
untuk mendeteksi tumor, kanker dkk. Jalan ceritanya seperti ini…
Biasanya proses metabolisme pada bagian tubuh yang ada tumor atau
kanker cukup tinggi. Karenanya suhu bagian tubuh tersebut lebih tinggi.
Ingat ya, semakin tinggi suhu, semakin banyak kalor yang dipancarkan
alias diradiasikan. Nah, tugas si termograf adalah menscan alias
mengukur besarnya kalor yang diradiasikan oleh semua bagian tubuh.
Bagian tubuh yang memancarkan kalor paling banyak tentu saja pantas
dicurigai… Selanjutnya harus dimata-matai, jika sangat membahayakan
sebaiknya dipoton.(diambil dari www.gurumuda.com)