Radiasi termal

Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh gerakan termal dari partikel pada suatu benda. Setiap benda yang memiliki suhu lebih tinggi dari nol absolut memancarkan radiasi termal. Emisi dari energi yang meningkat dari kombinasi elektronik, molekul, dan osilasi kekisi pada material.^[1] Energi kinetik dikonversikan ke elektromagnetisme oleh karena akselerasi muatan atau osilasi dipol. Pada suhu ruangan, kebanyakan emisi berada pada spektrum inframerah (IR),^[2]^: 73–86. Walau pun begitu, suhu di atas 525 °C cukup membuat kasat mata yang membuat benda jadi terlihat menyala. Cahaya yang terlihat ini disebut sebagai pijar. Radiasi termal merupakan salah satu mekanisme perpindahan panas, bersama dengan konduksi dan konveksi.

Metode utama dari Matahari untuk memindahkan kalor ke Bumi adalah melalui radiasi termal. Energi ini diserap sebagian dan disebarkan di atmosfer, dengan persebaran energi tersebut yang membuat langit terlihat berwarna biru.^[3] Banyak dari radiasi Matahari dikirimkan melalui atmosfer ke permukaan yang selanjutnya diserap atau dipantulkan.

Radiasi termal dapat digunaka untuk mendeteksi objek atau fenomena yang biasanya tidak tampak pada mata manusia. Kamera termografis membuat sebuah gambar dengan menginderakan radiasi inframerah. Gambar ini dapat merepresentasikan gradasi suhu dari sebuah adegan dan biasanya digunakan untuk menemukan objek dengan suhu lebih tinggi dari sekitarnya. Pada lingkungan yang gelap, di mana cahaya tampak pada level yang rendah, gambar inframerah dapat digunakan untuk menemukan binatang atau manusia oleh karena suhu tubuh mereka. Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmis adalah salah satu contoh lain dari radiasi termal.

Radiasi benda hitam adalah konsep yang digunakan untuk menganalisis radiasi termal pada sistem yang ideal. Model ini mengaplikasikan jika sebuah objek yang mengeluarkan radiasi bertemu dengan karakteristik dari benda hitam pada kesetimbangan termodinamika.^[4]^: 278 Hukum Planck mendeskripsikan spektrum radiasi benda hitam dan menghubungkan fluks kalor [en] dari benda dengan suhunya. Hukum perpindahan Wien [en] menentukan frekuensi paling mungkin dari radiasi yang dipancarkan, dan hukum Stefan–Boltzmann memberikan intensitas pemancar radiasi.^[4]^: 280 Ketika radiasi benda hitam tidak dapat diperkirakan, emisi dan penyerapan radiasi dapat dimodelkan dengan elektrodinamika kuantum (QED).^[1]

Perpindahan panas antara permukaan

Perhitungan dari perpindahan panas radiasi antara kelompok objek memerlukan solusi dari suatu sistem persamaan yang menggunakan metode radiositas. Pada perhitungan ini, konfigurasi geometri dari masalah tersebut diselesaikan dari beberapa angka yang disebut sebagai faktor pandangan [en], yang memberikan proporsi terhadap radiasi yang dikeluarkan oleh satu permukaan ke permukaan spesifik lain. Perhitungan ini penting pada industri energi panas surya, pendidih, dan penelusuran sinar.

Total perpindahan panas radiasi dari satu permukaan ke permukaan lain adalah radiasi yang meninggalkan permukaan pertama ke permukaan lain dikurangi dengan yang masuk dari permukaan kedua.

Untuk benda hitam, laju transfer energi dari permukaan 1 ke permukaan 2 adalah:
Q ˙ 1 → 2 = A 1 E b 1 F 1 → 2 − A 2 E b 2 F 2 → 1 {\displaystyle {\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=A_{1}E_{b1}F_{1\rightarrow 2}-A_{2}E_{b2}F_{2\rightarrow 1}} ${\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=A_{1}E_{b1}F_{1\rightarrow 2}-A_{2}E_{b2}F_{2\rightarrow 1}$

dengan A {\displaystyle A} $A$ adalah luas permukaan, E b {\displaystyle E_{b}} $E_{b}$ adalah fluks energi (laju emisi per unit luas permukaan), dan F 1 → 2 {\displaystyle F_{1\rightarrow 2}} $F_{1\rightarrow 2}$ adalah faktor pandangan dari permukaan 1 ke permukaan 2. Dengan mengaplikasikan aturan resiprositas untuk faktor pandangan, A 1 F 1 → 2 = A 2 F 2 → 1 {\displaystyle A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}} $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}$ , dan hukum Stefan–Boltzmann menyebutkan bahwa E b = σ T 4 {\displaystyle E_{b}=\sigma T^{4}} $E_{b}=\sigma T^{4}$ , yang menghasilkan:

Q ˙ 1 → 2 = σ A 1 F 1 → 2 ( T 1 4 − T 2 4 ) {\displaystyle {\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=\sigma A_{1}F_{1\rightarrow 2}\left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)\!} ${\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=\sigma A_{1}F_{1\rightarrow 2}\left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)\!$
dengan σ {\displaystyle \sigma } $\sigma$ adalah konstanta Stefan–Boltzmann dan T {\displaystyle T} $T$ adalah suhu.^[5] Nilai negatif pada Q ˙ {\displaystyle {\dot {Q}}} ${\dot {Q}}$ mengindikasi total perpindahan panas radiasi dari permukaan 2 ke permukaan 1.
Untuk dua benda abu yang membuat penutup, laju perpindahan panasnya adalah:
Q ˙ = σ ( T 1 4 − T 2 4 ) 1 − ε 1 A 1 ε 1 + 1 A 1 F 1 → 2 + 1 − ε 2 A 2 ε 2 {\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {\sigma \left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)}{\displaystyle {\frac {1-\varepsilon _{1}}{A_{1}\varepsilon _{1}}}+{\frac {1}{A_{1}F_{1\rightarrow 2}}}+{\frac {1-\varepsilon _{2}}{A_{2}\varepsilon _{2}}}}}} ${\dot {Q}}={\frac {\sigma \left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)}{\displaystyle {\frac {1-\varepsilon _{1}}{A_{1}\varepsilon _{1}}}+{\frac {1}{A_{1}F_{1\rightarrow 2}}}+{\frac {1-\varepsilon _{2}}{A_{2}\varepsilon _{2}}}}}$
dengan ε 1 {\displaystyle \varepsilon _{1}} $\varepsilon _{1}$ dan ε 2 {\displaystyle \varepsilon _{2}} $\varepsilon _{2}$ adalah emisivitas dari permukaan.^[5]

Formula dari perpindahan panas radiasi dapat diturunkan untuk aransemen spesifik atau yang lebih rumit, seperti antara pelat paralel, bola konsentris, dan permukaan dalam tabung.^[5]

Referensi

1 2 Howell, John R.; Mengüç, M. Pinar; Siegel, Robert (2016). Thermal radiation heat transfer (Edisi Sixth). Boca Raton, Fla. London New York: CRC Press, Taylor & Francis Group. ISBN 978-1-4665-9326-8.
↑ Meseguer, José. (2012). Spacecraft thermal control. Isabel Pérez-Grande, Angel Sanz-Andrés. Cambridge: Woodhead Pub. ISBN 978-0-85709-608-1. OCLC 903167592. Diarsipkan dari versi aslinya tanggal 2024-10-06. Diakses tanggal 12 Mei 2022.
↑ Planck, Max (1914). The Theory of Heat Radiation. P Blakiston's Son & Co. Diarsipkan dari asli tanggal 2024-10-06.{{cite book}}: Parameter tidak dikenal |city= diabaikan (|location= disarankan)
1 2 Huang, Kerson (1987). Statistical mechanics (Edisi 2nd). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-81518-1.
1 2 3 Çengel, Yunus A.; Ghajar, Afshin J. (2011). Heat and mass transfer: fundamentals & applications (Edisi 4). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-339812-9. OCLC 463634284.