Radiasi (Pancaran)

Perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi memerlukan adanya materi sebagai medium untuk membawa kalor dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Akan tetapi, perpindahan kalor secara radiasi (pancaran) terjadi tanpa medium apapun. Semua kehidupan di dunia ini bergantung pada transfer energi dari Matahari, dan energi ini ditransfer ke Bumi melalui ruang hampa (hampa udara). Bentuk transfer energi ini dalam bentuk kalor yang dinamakan radiasi, karena suhu Matahari jauh lebih besar (6.000 K) daripada suhu permukaan bumi. Radiasi pada dasarnya terdiri dari gelombang elektromagnetik. Radiasi dari Matahari terdiri dari cahaya tampak ditambah panjang gelombang lainnya yang tidak bisa dilihat oleh mata, termasuk radiasi inframerah (IR) yang berperan dalam menghangatkan Bumi.

Kecepatan atau laju radiasi kalor dari sebuah benda sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak (μ ∝ T 4 ) benda tersebut. Sebagai contoh, sebuah benda pada suhu 2.000 K, jika dibandingkan dengan benda lain pada suhu 1.000 K, akan meradiasikan kalor dengan kecepatan 16 (24 ) kali lipat lebih besar. Kecepatan radiasi juga sebanding dengan luas A dari benda yang memancarkan kalor. Dengan demikian, kecepatan radiasi kalor meninggalkan sumber tiap selang waktu tertentu (Q /Δt ) dirumuskan: t Q Δ = e σ AT 4 .................................................... (6.23) Persamaan (6.23) disebut persamaan Stefan-Boltzmann, dan σ adalah konstanta universal yang disebut konstanta Stefan-Boltzmann ( σ = 5,67 × 10-8 W/m2 K4 ). Faktor e disebut emisivitas bahan, merupakan bilangan antara 0 sampai 1 yang bergantung pada karakteristik materi. Permukaan yang sangat hitam, seperti arang mempunyai emisivitas yang mendekati 1, sedangkan bahan yang permukaannya mengkilat mempunyai e yang mendekati nol sehingga memancarkan radiasi yang lebih kecil. Permukaan mengkilat tidak hanya memancarkan radiasi yang lebih kecil, tetapi bahan tersebut juga hanya menyerap sedikit dari radiasi yang menimpanya (sebagian besar dipantulkan). Benda hitam dan yang sangat gelap, menyerap kalor hampir seluruh radiasi yang menimpanya. Dengan demikian, bahan penyerap kalor yang baik juga merupakan pemancar kalor yang baik. Benda apapun tidak hanya memancarkan kalor dengan radiasi, tetapi juga menyerap kalor yang diradiasikan oleh benda lain. Sebuah benda dengan emisivitas e dan luas A berada pada suhu T1 , benda ini meradiasikan kalor dengan laju 4 AT1 e t Q =  Δ . Jika benda dikelilingi lingkungan dengan suhu T2 dan emisivitasnya tinggi (e ≈ 1), kecepatan radiasi kalor oleh sekitarnya sebanding dengan T2 4 , dan kecepatan kalor yang diserap oleh benda sebanding dengan T2 4 . Kecepatan total pancaran kalor dari benda ke lingkungan tersebut dirumuskan: t Q Δ = ( ) 4 2 4 eA T1 −T ........................................... (6.24) dengan: Q = kalor yang dipancarkan benda ( J) e = emisivitas bahan/benda σ = konstanta Stefan-Boltzmann (5,67 10-8 W/m2 K4 ) A = luas penampang benda (m2 )
T1 = suhu mutlak benda (K) T2 = suhu mutlak lingkungan (K) Δt = selang waktu yang diperlukan (s) Berdasarkan persamaan (6.24) dapat dikatakan bahwa kecepatan penyerapan kalor oleh sebuah benda dianggap sebesar 4 AT2 e ; yaitu, konstanta pembanding sama untuk pemancaran dan penyerapan. Hal ini berhubungan dengan fakta eksperimen bahwa kesetimbangan antara benda dan sekelilingnya dicapai ketika keduanya mempunyai suhu yang sama. Dalam hal ini, Q/ Δt harus sama dengan nol ketika T1 = T2 , sehingga koefisien pemancaran dan penyerapan harus sama. Hal ini menguatkan pernyataan bahwa pemancar yang baik merupakan penyerap yang baik.