Apakakah benda hitam itu adalah benda yang warnanya hitam…? Seperti rambut warna hitam, atau mobil warna hitam!, tentunya tidak !., untuk membahas apa itu benda hitam ? marilah kita perhatikan gambar berikut :

Gambar (a) adalah kotak yang dicat putih dan dinding depan kotak dilubangi, ketika kotak penutupnya di tutup, maka lubang pada dinding akan tampak hitam disiang hari seperti pada gamabar (b). Mengapa demikian ?

Ketika kalor radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, kalor radiasi dipantulkan berulang-ulang (beberapa kali oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hampir dapat dikatakan tidak ada lagi kalor radiasi yang tersisa ( semua kalor radiasi telah diserap di dalam kotak ) seperti pada gambar ( c ). Dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi kalor yang dating padanya. Akibatnya lubang akan tampak hitam.

Dalam kehidupan sehari-hari benda hitam dapat dilihat pada lubang udara ventilasi yang terdapat pada dinding rumah. Lubang udara tersebut tampak gelap (hitam) dari kejauhan. Lubang seperti ini pun mendekati criteria benda hitam.

Ketika sebuah benda dikenai radiasi, maka benda tersebut akan menyerap dan memancarkan kembali radiasi tersebut.

Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sekaligus pemancar radiasi yang buruk sedangkan benda putih mengkilap merupakan pemancar radiasi yang baik. Benda dikatakan hitam sempurna bila seluruh radiasi yang datangi kepadanya terserap semuanya tanpa sedikitpun yang terpancar kembali.

Emisitas diberi lambing (e)adalah koefisien yang disebut emisivitas . Emisivitas adalah ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam.

Radiasi Kalor

Perhatikan gambar berikut !

Nyalakan lampu pijar 5 watt dan 40 watt selama selang waktu 15 menit. Dekatkan tanganmu (jangan samapai menyentuh)  ke lampu 5 watt kemudian ke lampu 40 watt. Rasakan panas akibat radiasi kalor yang dihasilkan kedua lampu. Manakah energi radiasi yang kalornya lebih besar: lampu  5 watt atau 40 watt ?  Perkirakan, manakah yang suhunya lebih tinggi, lampu 5 watt ataukah 40 watt Adakah hubungan antara energi kalor yang dipancarkan lampu dengan suhunya.?

Hasil percobaan menunjukkan bahwa setiap benda pada setiap suhu memancarkan radiasi kalor. Makin tinggi suhu benda makin besar energi kalor yang dipancarkan.Lampu 40 watt memiliki suhu lebih tinggi dari pada lampu 5 watt, sehingga lampu 40 watt terasa lebih panas ketika didekati karena lampu itu memancarkan energi kalor yang lebih besar darai pada lampu 5 watt.

Berapa besar energi kalor yang diradiasikan oleh permukaan benda ? Pada tahun 1879 Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam. Dia menyatakan bahwa energi radiasi tiap detik itu sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian , Ludwig Boltzman menurunkan rumus yang sama. Persamaan yang didapat dari hubungan ini dikenal sebagai Hukum Stefan Boltzman, yang berbunyi : energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan (T⁴). Secara matematika ditulis :

Tetapan s (dibaca sigma) dikenal dengan sebagai tetapan Stefan-Boltman dalam satuan SI mempunyai nilai:

Tidak semua benda dapat dianggap benda hitam. Oleh karena itu, diperlukan modifikasi pada pada persamaan, sehingga dapat digunakan pada setiap benda. Jadi persamaan Stefan-Bolzman untuk setiap bebda dapat ditulis :

P= Daya radiasi/energi kalor tiap sekon (W/m2)

Q= kalor/panas yang diradiasikan (kalori)

1 Kal = 4,2 Joule

e= emisitas, nilai e®   0 ≤e≤ 1

s = 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4

A = luas permukaan benda (m²)

T⁴ = Suhu Mutlak (K^-4)

W = Energi radiasi kalor (joule)

t= waktu selama benda meradiasai (sekon)

Pada suhu yang lebih tinggi  (dalm orde 1000 K )  benda mulai berpijar merah, seperti besi dipanaskan. Pada suhu diatas 2000 K benda pijar kuning atau keputih-putihhan, seperti besi berpijar putih atau pijar putih dari filament lampu pijar.

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 :

Grafik Pergeseran Wien

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 :

λ_m = panjang gelombang dengan intensitas maksimum (m)

T = suhu mutlak benda hitam (K)

C = tetapan pergeseran Wien = 2,90 x 10^-3 m K