Energi dan Perubahannya

A.    Bentuk-Bentuk Energi

Energi mempunyai sifat yaitu : energi itu ada, tidak dapat dilihat, tetapi dirasakan. Ada banyak bentuk energi di sekililing kita, bahkan setiap hari kita tidak lepas dari energi. Bentuk energi itu antara lain :

1.      Energi gerak (energi kinetik)

2.      Energi panas atau kalor

3.      Energi cahaya

4.      Energi listrik

5.      Energi bunyi

6.      Energi kimia

7.      Energi potensial

1.      Energi Gerak

Energi Gerak adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak, sebagai contoh adalah energi angin, angin dapat menggerakkan perahu nelayan juga kincir angin. Gerakan angin terjadi karena adanya tekanan udara. Perbedaan tekanan udara di suatu daerah dengan daerah lain terjadi karena pengaruh sinar matahari.

Selain angin, air yang mengalir juga memiliki energi gerak, air mengalir ke tempat yang lebih rendah. Sebagai contoh air yang mengalir dapat menggerakkan turbin generator. Generator inilah yang akan menghasilkan listrik.

2.      Energi Panas (Kalor)

Energi panas (kalor) adalah suatu bentuk energi yang dimiliki benda-benda karena bertemperatur tinggi. Matahari menghasilkan energi panas. Energi itu tidak dapat dilihat, tetapi dapat dirasakan. Kalor dapat digunakan untuk berbagai keperluan, misalnya untuk menghasilkan pembangkit listrik, memasak, menggerakkan mobil (kalor dihasilkan dari pembakaran bahan bakar) ataupun menyetrika.

Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), terdapat uap bertekanan tinggi. Uap ini dapat menggerakkan turbin generator, generator akan menghasilkan listrik.

3.    Energi Cahaya

Energi cahaya adalah energi yang dimiliki cahaya. Diantara energi cahaya adalah sebagai berikut :

a.       Di rumah sakit, energi sinar laser digunakan untuk pengobatan kanker ataupun operasi.

b.      Di pabrik, sinar X digunakan untuk memotong logam.

c.       Pada alat elektronik, energi sinar laser dipakai untuk mengoperasikan laserdisc.

d.      Pada tumbuhan energi cahaya matahari digunakan untuk proses fotosintesis, prosesnya adalah menyerap CO₂ kemudian diubah menjadi  zat tepung (karbohidrat) dan oksigen.

4.    Energi Listrik

Energi listrik adalah energi yang berasal dari listrik. Dari energi listrik dapat dubah ke berbagai bentuk energi lain, misalnya energi gerak (kipas angin, mesin cuci), energi panas (seterika, ricecooker, kompor listrik), energi cahaya (lampu).

Alat listrik membuat hidup kita lebih nyaman. Jika ruangan gelap, kita tinggal menyalakan lampu. Jika kita butuh informasi dan hiburan, kita dapat memperolehnya dari televisi dan radio. Perawatan pakaian menjadi lebih mudah dengan menggunakan mesin cuci dan seterika. Pekerjaan di dapur pun menjadi lebih sederhana dengan adanya lemari es, blender, pengocok telur, dan pemanggang roti. Dengan komputer pekerjaan di kantor dapat selesai lebih cepat.

5.    Energi Bunyi

Energi bunyi adalah energi yang dimiliki oleh bunyi, bunyi yang keras energi bunyinya besar, bunyi yang lemah energi bunyinya kecil. Energi bunyi dapat dihasilkan oleh benda bergetar. Getaran tersebut menghasilkan gelombang yang dapat menggetarkan gendang telinga sehingga bunyi benda yang bergetar dapat didengar oleh telinga. Saat ini energi bunyi juga digunakan untuk menghitung kedalaman laut.

6.          Energi Kimia

Energi kimia adalah energi yang dihasilkan dari proses kimia. Proses kimia adalah proses dimana zat bereaksi (bercampur) hingga menghasilkan zat yang lain. Sumber energi kimia diantaranya :

a.       Makanan : Di dalam  lambung, makanan bereaksi dengan asam lambung. Dari hasil rekasi ini, dihasilkan energi kimia yang dapat digunakan sebagai sumber tenaga.

b.      Bahan Bakar : bensin, solar, minyak tanah;

c.       Akumulator (accu);

d.      Baterai.

7.    Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang diperoleh suatu benda sebagai akibat posisi atau kedudukan benda tersebut dalam suatu medan gaya. Bagian dari energi potensial ini adalah energi medan gravitasi, energi yang dimiliki oleh gas yang ditekan dalam ruang tertutup, energi yang dimiliki oleh bahan magnetik dalam suatu medan magnet, serta energi yang dimiliki oleh suatu benda hanya bergantung pada kedudukan awal dan akhir benda, yaitu tidak dipengaruhi oleh arah dan bentuk lintasan perpindahan benda.

a.       Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki energi oleh suatu benda karena kedudukannya dalam medan gravitasi. Apabila buah semangka dengan massa m berada pada kedudukan x dengan ketinggian h di atas permukaan bumi, energi potensial

gravitasi yang dimilikinya sama dengan usaha yang dilakukan untuk memindahkan semangka tersebut dari permukaan bumi ke tempat semangka tersebut berada (Gambar 4.10). Hal ini menunjukkan bahwa suatu usaha diperlukan untuk mengangkat benda tersebut atau dibutuhkan energi untuk memindahkan benda tersebut. Pada keadaan ini, sebagai titik awal atau titik acuan dipilih permukaan bumi (E_p=0) dan besarnya energi potensial gravitasi (E_p) pada ketinggian h adalah mgh.

Persamaan energi potensial gravitasi oleh pengaruh medan gaya gravitasi konstan dapat ditentukan dengan menganalisis gaya yang bekerja pada sebuah benda dan menentukan usaha yang dilakukan gaya tersebut agar kedudukan suatu benda berpindah setinggi h. Untuk mengangkat  bola bowling dengan massa m dibutuhkan gaya F yang besarnya bergantun pada massa dan percepatan gravitasi (Gambar 4.11)

F =mg

Usaha yang dibutuhkan untuk mengangkat bola bowling setinggi h adalah :

W = Fh = mgh

 Usaha yang dibutuhkan ini besarnya setara dengan perubahan energi potensial yang dimiliki benda tersebut.

W = E_p = mgh

 Dengan  E_p  =  energi potensial (J),

                 m   =   massa benda (kg),

                 g    =   percepatan gravitasi (m/s²), dan

                 h    =    ketinggian terhadap acuan (m).

Dengan demikian, energi potensial gravitasi (E_p) merupakan hasil kali berat benda (mg) dengan perubahan kedudukannya terhadap acuan (h).

Apabila kedudukan suatu benda terhadap suatu titik acuan berpindah, energi potensial gravitasi benda tersebut akan mengalami perubahan. Pada gambar 4.12, bola basket dengan massa m berada pada ketinggian h₁, kemudian dipindahkan sehingga mencapai ketinggian h₂ . Besar perubahan energi potensial benda tersebut adalah

                                                         (4.12)

Persamaan (4.12) menunjukkan bahwa jika kedudukan benda bertambah tinggi maka perubahan energi potensial bernilai positif, sebaliknya jika kedudukan benda bertambah rendah maka perubahan energi potensial negatif atau energi potensialnya berkurang.

b.      Persamaan Energi Potensial Akibat Medan Gaya Gravitasi Newton

Gambar 4.13 Energi Potensial gravitasi untuk berbagai tempat dan kondisi EP di tak terhingga = 0

Dalam skala yang lebih luas, misalnya dalam sistem tata surya, energi potensial gravitasi didefinisikan sebagai usaha yang dilakukan untuk memindahkan suatu benda dari kedudukan tertentu yang letaknya sangat jauh ke suatu titik dalam medan gravitasi.

Berdasarkan hukum gravitasi Newton, besarnya gaya yang bekerja antara dua benda, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda tersebut. Apabila keadaan ini dikaitkan dengan gaya tarik-menarik antara dua planet maka gaya tarik-menarik tersebut akan bernilai nol jika kedua planet terpisah sangat jauh atau tak berhingga.

Dengan F = 0 apabila r sangat besar

Gambar 4.13 menunjukkan suatu pendekatan bahwa sebuah titik yang berada pada jarak tak terhingga dapat dianggap sebagai kedudukan dengan energi potensial gravitasi bernilai 0 (E_p = 0). Apabila pendekatan ini diterapkan, besarnya energi potensial gravitasi pada kedudukan tertentu (misalnya x) akan bernilai negatif sebab dibutuhkan usaha untuk memindahkan suatu benda dari kedudukan x tersebut menuju kedudukan tak berhingga.

Pada pembahasan sebelumnya, kamu sudah mengetahui bahwa energi potensial gravitasi pada kedudukan yang lebih tinggi mempunyai nilai yang lebih besar daripada kedudukan yang lebih rendah. Dengan demikian E_p pada kedudukan tak berhingga lebih besar daripada pada E_p kedudukan x. Apabila diambil pendekatan dengan energi potensial gravitasi di tak berhingga sama dengan nol(E_p = 0) berarti energi potensial gravitasi pada kedudukan tertentu (lebih dekat dari tak hingga) akan bernilai negatif.

                                                  

Dengan  m₁        =          massa benda 1,

  m₂ =      massa benda 2,

  r   =      jarak yang memisahkan kedua benda, dan

  E_p =      energi potensial gravitasi.       

Berdasarkan uraian ini, kamu dapat memahami bila permukaan suatu planet dipilih sebagai kedudukan dengan energi potensial = 0 maka energi potensial pada kedudukan x akan bernilai positif.

Akan tetapi, jika kedudukan tak berhingga sebagai kedudukan dengan energi potensial = 0 maka energi potensial pada kedudukan x akan bernilai negatif. Gambar 4.14 menunjukkan hubungan antara energi potensial gravitasi dengan ruang di sekitar planet.

c.       Energi Potensial Pegas

Pada bab sebelumnya kamu sudah mempelajari bahwa ketika kamu menarik pegas, panjang pegas akan bertambah dan pada saat kamu menekan pegas, panjangnya akan berkurang. Seperti pada gambar 4.15, untuk menarik dan menekan pegas ini dibutuhkan usaha. Untuk menentukan besar usaha yang dibutuhkan ketika menarik dan menekan pegas, besar gaya yang digunakan untuk menarik dan menekan pegas perlu ditentukan terlebih dahulu.

Dengan F  =   gaya (N),

               k   =   konstanta pegas (N/m), dan

               ∆x =   pertambahan panjang pegas (m).

Gambar 4.15 Usaha untuk menarik dan menekan pegas

Berdasarkan grafik gambar 4.16, terlihat bahwa semakin besar gaya (F), semakin besar pertambahan panjang pegas. Usaha yang dibutuhkan untuk menarik atau menekan pegas dengan gaya F adalah sama dengan luas daerah yang diarsir pada gambar 4.16

dW  = Fdx

dW  =  kxdx

∫dW = ∫kxdx

 

  adalah luas segitiga di bawah kurva. Sedangkan F = kx maka

 

Usaha yang dilakukan pegas sama dengan energi potensial pegas

  (4.16)

Dengan E_p = energi potensial pegas.

B.       Sumber Energi dan Kegunaannya

Dari uraian di atas telah dijelaskan bentuk-bentuk energi, maka perlu pula dijelaskan sumber energi itu. Ada 2 sumber energi, yaitu :

1.           Sumber energi alami.

2.           Sumber energi buatan.

1.           Sumber Energi Alami

Sumber energi alami adalah sumber energi yang terdapat di alam, misalkan : matahari, panas bumi, bahan makanan, angin, minyak bumi dan batubara.

a.       Matahari

Matahari merupakan sumber energi terbesar bagi kehidupan di bumi. Sebagian besar energi yang ada di muka bumi, baik langsung amupun tidak langsung berasal dari matahari. Matahari merupakan sumber energi cahaya dan panas.

				Mobil

b.      Air

Air yang bergerak dapat menghasilkan energi. Misalkan: air terjun, sungai dan ombak. Air dapat menghasilkan energi gerak yang sangat besar. Energi ini digunakan dalam suatu Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA).  Energi gerak air juga dapat digunakan untuk berolahraga. Jenis olahraga yang menggunakan energi gerak air,  misalnya : arung jeram dan selancar.

c.       Minyak Tanah dan Kayu Bakar

Minyak tanah digunakan untuk bahan bakar kompor minyak. Apabila sumbu kompor dinyalakan akan menimbulkan api. Api yang menghasilkan energi panas, dimanfaatkan untuk memasak.

d.      Angin

Angin juga merupakan sumber energi gerak. Para nelayan tradisional menggunakan perahu layar saat mencari ikan, perahu layar ini dapat bergerak karena memanfaatkan energi gerak angin.

2.           Sumber Energi Buatan

Sumber energi buatan adalah sumber energi yang dibuat oleh manusia. Misalkan : dinamo lampu, generator, aki baterai.

a.       Elemen Volta

Elemen volta dibuat pertama laki oleh ahli fisika Italia, Allesandro Volta (1790 – 1800). Perhatikan gambar 2.1

Gambar 2.1 Elemen Volta

Setelah kedua lempeng tembaga dan seng dicelupkan ke dalam larutan asam sulfat (H₂SO₄) sebagai larutan elektrolit, maka reaksi kimia menyebabkab kedua keping logam menjadi bermuatan listrik.  Lempeng tembaga bermuatan positif karena kekurangan elektron, selanjutnya disebut kutub positif. Sedangkan lempeng seng bernuatan negatif karena kelebihan elektron, dan selanjutnya disebut kutub negatif. Kutub positif potensialnya lebih tinggi sedangkan kutub negatif potensialnya lebih rendah. Jika kedua kutub dihubungkan dengan penghantar, maka listrik mengalir dari kutub positif ke kutub negatif, ini ditunjukkan oleh nyala lampu.

Arus listrik elemen volta cepat berhenti karena lempeng tembaga tertutup oleh gelembung-gelembung gas yang terjadi selama listrik mengalir. Oleh karena itu, elemen volta tidak praktis untuk dipakai keperluan sehari-hari.

b.      Elemen Kering (Baterai)

Baterai merupakan sumber energi listrik yang paling mudah diperoleh. Kamu dapat membelinya di toko atau di warung. Pada bungkus baterai biasanya tertulis 1,5V. Artinya baterai tersebut mempunyai tegangan listrik 1,5 volt (1,5V)

Baterai berisi zat-zat kimia. Pada zat-zat kimia tersebut tersimpan energi kimia yang dapat berubah menjadi energi listrik apabila kutub positif (+) dihubungkan dengan kutub negatif (-). Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar 8.2.

Bungkus luar baterai biasanya dibuat dari bahan logam, tetapi ada juga yang dibuat dari kertas karton tebal. Perhatikan dan bacalah semua petunjuk pemakaian baterai tersebut, baik kutub-kutubnya maupun daya tahannya! Setelah bungkus luar dibuka, kamu akan menemukan lapisan seng yang berfungsi sebagai kutub negatif. Bila lapisan seng ini dibuka, maka kamu akan menemukan lapisan zat-zat kimia. Zat-zat inilah yang menyimpan energi kimia. Di bagian tengah baterai kita akan mendapatkan batang arang yang keras. Ujung luar batang arang ini biasanya dihubungkan dengan tembaga dan berfungsi sebagai kutub positif.

Elemen kering kita kenal sehari-hari sebagai baterai dan disebut juga Elemen Leclance Kering. Bagian-bagian elemen kering adalah :

1.      Kutub positif dari karbon

2.      Kutub negatif dari seng sebagai tabung elemen

3.      Elektrolit dari amonium klorid dalam bentuk pasta dan dicampur mangan dioksida dengan serbuk karbon untuk menyerap gelembung gas selama listrik mengalir.

Elemen volta dan elemen kering disebut elemen primer yang berarti menghasilkan muatan, bila sudah habis muatan listriknya tidak dapat lagi diberi muatan listrik atau tidak dapat diperbaharui.

c.       Akumulator (Aki)

Aki (akumulator) berisi zat kimia berupa cairan. Oleh karena itu, aki disebut juga elemen basah. Apabila aki telah lama digunakan untuk menyalakan lampu atau menghidupkan alat lainnya, maka energi  listrik pada aki akan habis.

Agar dapat digunakan kembali, aki harus diberi energi listrik (disetrum) dan kadang-kadang juga ditambah air murni.

Aki adalah sumber energi listrik pada kendaraan bermotor. Bagian-bagian aki adalah :

1.      Lempeng timbal peroksida

2.      Lempeng timbal murni

3.      Larutan asam sulfat

Lempeng-lempeng timbal peroksida dan timbal murni disusun bersisipan kemudian dimasukkan ke dalam tabung aki yang berisi asam sulfat. Setiap pasang kutub positif dan kutub negatif disebut satu pasang sel. Selama aki digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Pada peristiwa itu perlahan-lahan kedua lempeng timbal tersebut berubah menjadi timbal sulfat, dan arus listrik menjadi semakin lemah. Arus listrik akan kuat lagi jika aki diisi atau disetrum.

Mengisi aki adalah mengalirkan listrik arus searah ke dalam aki. Jadi pada saat mengisi aki terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Cara mengisi aki adalah mengalirkan arus listrik searah dari kutub positif aki ke kutub negatif aki, sehingga arus searah mengalir dari kutub positif sumber tegangan ke kutub negatif aki, ke elektrolit aki, ke kutub positif aki, kembali ke kutub negatif sumber tegangan DC. Karena peristiwa kimia, maka berangsur-angsur kedua timbal sulfat menjadi timbal murni dan timbal peroksida lagi. Dengan demikian, aki disebut elemen sekunder karena menghasilkan muatan dan kalau sudah habis muatan listriknya dapat diisi muatan listrik lagi.

d.      Solar Cells

Solar Cells adalah semikonduktor dari silikon yang diletakkan antara foil besi dan foil aluminium. Jika cahaya jatuh dengan frekuensi tertentu pada permukaan foil aluminium, maka terjadi pelepasan elektron dari silikon. Elektron-elektron yang terlepas tersebut berkumpul di foil aluminium. Bila foil aluminium dihubungkan ke penghantar besi, mengalirlah elektron melalui penghantar ke besi. Akibatnya terjadi aliran listrik melalui penghantar dari besi ke aluminium. Arus yang terjadi bergantung pada luas permukaan aluminium yang terkena cahaya dan intensitas cahaya.

Gambar Solar Cells

C.    Energi Dapat Berubah dari Satu Bentuk ke Bentuk Lain

1.      Perubahan Energi Potensial

Energi potensial dapat berubah menjadi bentuk energi lain. Energimisalkan kita menjatuhkan bola yang massanya 50 gram dari atas meja dengan ketinggian 1 m, di bawah meja terdapat pegas, yang konstanta pegasnya 1 N/m, seperti ditunjukkan pada gambar. Makan besarnya pemampatan pegas dapat dihitung.

Catatan :

h   =   ketinggian (satuannya meter)

m =   massa (satuannya kilogram)

g   =   gaya gravitasi (satuannya meter/detik²)

v   =   kecepatan (satuannya m/detik)

k   =   konstanta pegas (satuannya Newton/ meter)

x   =   panjang pemampatan pegas (satuannya meter)

2.      Perubahan Energi Kimia

Makanan yang kita makan mengandung energi kimia. Ketika kita bergerak atau melakukan kegiatan, energi kimia dari makanan diubah menjadi energi kalor (energi panas) kemudian kalor diubah menjadi energi gerak. Makanan yang mengandung energi kimia adalah makanan yang mengandung karbohidrat, protein dan lemak.

D.    Cara Menghemat Energi

Energi dari sumber energi dapat habis terpakai, ada sumber energi yang energinya dapat diperbaharui, tetapi ada pula yang tidak.

Sumber Energi :

1.      Ada yang energinya dapat diperbaharui, misalnya aki.

2.      Ada yang energinya tidak dapat diperbaharui, misalnya : minyak tanah, bensin, batubara dan matahari. Energi matahari akan habis 5 miliar tahun lagi. Mungkinkan hal ini akan terjadi? Untuk itulah perlunya penghematan energi.

Ada berbagai cara untuk menghemat energi antara lain sebagai berikut:

1.      Matikan lampu dan alat listrik lainnya jika sedang tidak digunakan. Misalnya jika sedang tidak ada yang menonton televisi segera matikan televisinya.

2.      Gunakan alat listrik yang kira-kira sama fungsinya, tetapi hanya menggunakan sedikit energi. Misalnya gunakan kipas angin sebagai pengganti AC (air conditioner)

3.      Gunakan lampu hemat energi.

4.      Matikan kompor, setelah digunakan memasak. Hal ini juga penting untuk menjaga keselamatan.

Dengan menghemat energi di rumah, kamu juga telah membantu mengurangi pengeluaran keluarga. Jadi, uang yang tersisa dapat digunakan untuk membeli kebutuhan lainnya.