Hukum Konduktivitas Radiasi Planck Menyimpang Pada Skala Nanometer

Apa itu Hukum Planck?

Hukum radiasi planck berbicara tentang besarnya radiasi yang dikeluarkan oleh benda yang menyerap energi/panas. Radiasi sendiri adalah bentuk penyaluran energi dalam suatu ruang dalam bentuk gelombang. Suatu benda pasti akan menerima energi/panas baik itu secara konduksi, konveksi, maupun radiasi.  Demi terpenuhinya keseimbangan termal, panas yang diserap benda ini kemudian diubah menjadi radiasi. Radiasi yang berupa gelombang elertromagnetik ini dirumuskan dalam persamaan:

Persamaan spektrum radiasi elektromagnetik benda hitam

Penjelasan dari persamaan diatas dapat dibaca pada laman berikut (klik). Perlu dipahami juga bahwa persamaan diatas adalah persamaan yang menunjukkan spektrum radiasi yang terjadi pada benda hitam. Benda hitam sendiri adalah benda yang menyerap seluruh radiasi yang mengenainya[1]. Oleh karena itu benda hitam adalah benda yang memiliki tingkat konduktivitas radiasi paling tinggi diantara yang lainnya. Dampak yang teramati secara nyata adalah benda nantinya ini akan terlihat hitam sempurna. Hal ini dikarenakan benda hitam tidak merefleksikan radiasi (cahaya) sama sekali.

Pada dasarnya tidak ada benda yang dapat dikategorikan benda hitam di dunia ini. Namun, para ilmuwan memberikan contoh benda hitam ini dengan membuat kotak hitam yang diberi lubang kecil[2]. Keberadaan lubang kecil memungkinkan kita untuk memasukkan radiasi kedalamnya. Akan tetapi lubang kecil ini akan menyulitkan benda untuk dapat memantulkan kembali radiasi tadi keluar dari kotak. Selain itu, keadaan kotak yang berwarna hitam membuat radiasi dapat terserap dengan lebih baik.

Contoh Benda Hitam yang diusulkan ilmuwan

Mengingatkan kembali bahwa jika benda diberikan radiasi/panas maka benda itu akan mengeluarkan radiasi sesuai dengan persamaan diatas. Bukti dalam keseharian bahwa benda akan mengeluarkan radiasi ketika dipanaskan adalah pada saat besi dipanaskan. Besi panas akan menyala dengan dominan warna yang dipancarkan adalah warna oranye. Pada dasarnya persamaan radiasi diatas dapat dinyatakan dengan grafik spektrum dibawah ini

Spektrum gelombang yang dihasilkan benda hitam pada suhu tertentu

Transfer Radiasi Panas (TRP)

Pada kenyataannya fenomena ini menjadi cukup penting di alam semesta. Fenomena (TRP) ini memiliki peran sentral dalam transfer energi yang ada di alam semesta, baik yang berskala nanometer hingga tahun cahaya.

Baca juga:

Dalam penelitian yang dilakukan oleh Dakotah Thompson bersama timnya menyebutkan bahwa TRP ini memiliki penyimpangan jika diukur dalam skala nanometer (<100 nanometer). Penelitian tersebut dipublikasikan pada jurnal Nature pada 3 September 2018[3]. Penelitian tersebut sebenarnya sesuai dengan pernyataan Planck yang menyebutkan bahwa memang batas konduksinya tidak akan relevan jika jarak 2 benda dibawah skala nanometer dan salah satu dari kedua benda berukuran lebih kecil dari skala nanometer. Yang dimaksud batas konduksi antar 2 objek sendiri adalah persamaan berikut:

Gmax=4σT3A2F21=4σT3A1F12

Penjelasan dari persamaan diatas dapat dibaca pada artikel jurnal Thomson dkk [3]. Penelitian yang dilakukan oleh Thomson dkk dilakukan dengan memanaskan salah satu membran silikon nitrit yang sudah di ditempel dengan pemanas dari platina. Ruangan yang digunakan dikondisikan sehingga tekanan udaranya mendekati vakum yaitu kurang dari 10-6 torr dalam suhu ruangan. Keadaan ini menghindarkan percobaan dari molekul udara yang mengganggu transfer panas. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung seberapa besar frekuensi radiasi yang dipancarkan ketika membran tersebut diberi suhu tertentu dan membandingkannya dengan apa yang terjadi pada benda hitam.

Grafik hasil pengukuran melalui eksperimen dan prediksi melalui teori yang ada adalah sebagai berikut

Grafik data yang diperoleh melalui hasil percobaan dan simulasi teori

Dalam data tersebut ditunjukkan bahwa pada membran yang memiliki tebal 270 nm rasio antara pengukuran eksperimen dan simulasi teori mencapai lebih dari 100 kali. Semakin tebal membran yang digunakan maka semakin kecil pula rasio perbedaannya.

Hal ini menunjukkan bahwa pada skala nanometer atau bahkan lebih kecil dari itu, tingkat konduktivitas suatu benda dan emisinya bisa jauh lebih besar dari apa yang diprediksikan dalam benda hitam. Tingkat penyerapan dan pemancaran yang lebih tinggi ini tentunya akan memberikan dampak yang signifikan.  Dengan perubahan signifikan ini, kita dapat memanfaatkan benda-benda berskala nano untuk melakukan transfer energi dengan efisiensi yang lebih baik.

Dengan hasil penelitian ini pula, mungkin saja kita dapat mengubah pemahaman kita tentang proses transfer energi yang ada. Bisa jadi dengan penelitian ini kedepannya akan ada penemuan baru yang mampu memprediksi proses konduktivitas radiasi dengan lebih presisi. Jika ini benar terjadi dalam skala besar tentu dampak yang diberikan akan sangat besar bagi umat manusia.

Referensi:

[1] Blackbody Radiation and Planck’s Law. http://spie.org/publications/tt48_151_blackbody_plancks?SSO=1. Diakses pada 17 September 2018.

[2] Black Body Radiation. https://quantummechanics.ucsd.edu/ph130a/130_notes/node48.html. Diakses pada 17 September 2018.

[3]Thompson, D., Zhu, L., Mittapally, R., Sadat, S., Xing, Z., McArdle, P., Qazilbash, M.M., Reddy, P. and Meyhofer, E., 2018. Hundred-fold enhancement in far-field radiative heat transfer over the blackbody limit. Nature, p.1.

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Izzun Nafis

Izzun Nafis

Pernah menempuh pendidikan di MAN Insan Cendekia Serpong dan sekarang sedang melanjutkan masa belajar di teknik elektro UGM

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *