energi

Energi

Kita meyadari bahwa energi merupakan kebutuhan yang esensial bagi perikehidupan manusia bahkan semua makhluk hidup. Manusia sebagai salah satu makhluk hidup memerlukan energi, tidak saja digunakan untuk melakukan kegiatan seluruh sistem organ dalam tubuhnya, tetapi juga digunakan untuk mencari makan dan melakukan perkembangbiakan.

Apa yang disajikan dalam subunit ini, merupakan konsep dasar dan contoh­contoh sederhana, mudah diserap oleh calon guru SD, sehingga akhirnya memiliki wawasan yang cukup luas dan mendasar tentang energi dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari.

3.2.1.  Konsep Energi

Apakah yang dimaksud dengan energi ? Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Sebuah benda dapat dikatakan mempunyai energi bila benda itu menghasilkan gaya yang dapat melakukan usaha atau kerja.

Anda semua tentunya telah sering mendengar dan paham istilah energi atau tenaga; suatu besaran turunan yang memiliki satuan Joule atau erg. Kita tahu, bahwa kita mampu melakukan sesuatu karena kita memiliki sejumlah energi. Energi yang kita miliki itu berasal dari mana? Bagaimana cara mendapatkannya?

Tanpa energi kita tidak mampu bekerja, bergerak, berpikir dan bahkan mungkin tidak mampu menarik nafas. Demikian juga makhluk dan benda-benda di alam ini tidak akan mengalami perubahan jika tidak ada energi. Oleh karenanya para akhli sains mendefinisikan energi sebagai kemampuan melakukan usaha. Setiap materi pasti mengalami perubahan; dengan demikian setiap materi mengandung dan terkait dengan energi. Bila materi berubah akan disertai perubahan energi, maka energi adalah sesuatu yang menyertai perubahan materi. Jika energi yang dikandung materi sebelum perubahan lebih besar dari sesudahnya, maka akan keluar sejumlah energi, dan peristiwa itu disebut eksotermik. Sebaliknya, jika energi materi sebelum perubahan lebih kecil dari sesudahnya, maka akan diserap sejumlah energi, dan peristiwa itu disebut endotermik.

Energi berasal dari suatu sumber energi, energi panas bisa berasal dari matahari, api, nyala lilin. Matahari merupakan sumber energi yang paling utama bagi kehidupan di Bumi. Misalnya, Matahari (energi cahaya) berperan pada pembuatan makanan bagi tumbuhan, selanjutnya, tumbuhan merupakan makanan bagi kehidupan makhluk hidup lainnya.

3.2.2. Bentuk Energi dan Perubahannya

Di alam ini tidak ada makhluk yang dapat menciptakan dan memusnahkan energi, atau dengan kata-kata yang populer ”energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Yang terjadi di alam hanya perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lainnya. Perubahan yang menyertai materi sebenarnya menjelaskan esensi energi sebagai kemampuan melakukan kerja (usaha). Melakukan usaha artinya melakukan perubahan, antara lain perubahan posisi, perubahan bentuk, perubahan ukuran, perubahan suhu, perubahan gerak, perubahan wujud dan perubahan struktur kimia suatu zat.

Pada dasarnya ada dua macam bentuk energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik, kedua energi tersebut merupakan energi mekanik. Namun ada juga energi yang memiliki sumber berbeda.

3.2.2.1.  Energi kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda yang bergerak. Besarnya energi kinetik suatu benda bergantung pada massa dan kecepatan benda benda tersebut.

3.2.2.1. Energi potensial

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dikandung suatu materi berdasarkan tinggi rendah kedudukannya. Besarnya energi potensial bergantung pada massa dan ketinggian. Secara matematis hubungan tersebut ditulis:

Selain energi potensial gravitasi juga dikenal energi potensial pegas. Energi ini dimiliki oleh benda yang dapat melentur seperti pegas atau busur panah. Pegas dan busur panah atau benda sejenis akan memiliki energi potensial jika benda itu direntangkan atau diciutkan .

Jika sebuah pegas diregangkan oleh gaya F sejauh x, maka pegas tersebut akan memiliki energi potensial sebesar : Ep = 1/2 kx2, atau Ep = F.x X      dimana F = 1/2 kx (gaya pegas), k = konstanta bahan pegas.

Baik pada energi potensial gravitasi maupun energi potensial pegas, perubahan energi potensial suatu benda selalu terkait dengan perubahan posisi (gerak) benda. Oleh karenanya terkait dengan energi kinetik benda tersebut. Jumlah energi kinetik dan energi potensial yang dimiliki suatu benda pada suatu saat disebut energi mekanik (E_m). Bagi suatu benda, setiap saat berlaku hukum kekekalan energi mekanik Ek + Ep = konstan. Artinya jika benda mengalami kenaikan salah satu dari komponen energi mekanik (Ek atau Ep) maka komponen lainnya mengalami penurunan. Contoh, jika benda dilempar vertikal, benda setiap saat mengalami

punurunan energi kinetik, maka pada saat yang sama benda tersebut mengalami penambahan (kenaikan) energi potensial. Mengapa?

Energi mekanik juga dapat dinyatakan dengan perubahan posisi benda karena pengaruh gaya (tarikan atau dorongan).

Gambar 3.7. Menggeser benda sejauh s dengan gaya F

Benda berupa balok ditarik oleh gaya F sebagaimana nampak pada gambar hingga sejauh s. Energi yang digunakan untuk usaha menggeser benda sejauh s dengan gaya sebesar F adalah W = F.s. Dimana F adalah komponen gaya yang sejajar dengan arah perpindahan benda (s). Jika arah gaya (F) membentuk sudut á dengan arah perpindahan (s) maka W = FCos á.s.

Untuk mengukur kepahaman Anda coba hitung berapa energi yang digunakan seseorang yang menggeser benda secara horizontal sejauh 40 m. Gaya yang digunakan sebesar 60N dengan arah gaya membentuk sudut 30^o dengan sumbu vertikal (sumbu y).

3.2.3. Energi panas (kalor)

Energi panas (kalor) adalah energi kinetik rata-rata gerakan partikel-partikel penyusun materi. Menggosok-gosokan suatu benda ke benda lainnya sebenarnya menjadikan gerakan partikel pada benda tersebut bertambah kecepatannya sehingga timbul panas. Sebaliknya, pemberian panas pada suatu benda dapat menyebabkan gerak partiel benda tersebut semakin cepat bahkan saling menjauh. Dalam pembahasan tentang kalor sering digunakan istilah suhu. Suhu adalah derajat panas suatu benda. Tetapi tidak secara langsung menunjukkan banyaknya panas benda tersebut. Suhu air dalam satu gelas mungkin sama dengan suhu air panas yang mengisi penuh sebuah termos, tetapi jumlah panasnya jelas berbeda. Kita hanya bisa memastikan bahwa materi yang suhunya lebih tinggi mempunyai energi kinetik rata-rata partikelnya lebih besar. Akibatnya energi panas akan berpindah dari benda bersuhu tinggi ke yang rendah. Besarnya energi yang mengalir dapat ditentukan dari

besarnya perubahan suhu, massa benda, dan kalor jenis. Berikut adalah penjelasan lebih lanjut tentang kalor dan suhu.

Kalor adalah energi yang diterima oleh sebuah benda sehingga suhu benda itu naik atau wujud benda berubah, atau energi yang dilepaskan oleh suatu benda sehingga suhu benda itu turun atau wujud benda berubah. Satuan energi untuk kalor biasanya dinyatakan dalam kalori. Satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan air 1 gram sehingga suhu naik 1^° C, satu kilo kalori ialah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan air 1 kilogram (kg) sehingga suhu naik 1^°C.

a)      Kalor jenis dan Kapasitas kalor.

Banyaknya kalor yang diterima oleh benda yang dipanaskan sebanding dengan massa benda itu, dan sebanding dengan kenaikan suhunya. Banyak kalor yang diberikan oleh benda yang didinginkan sebanding dengan massa benda dan sebanding dengan turunnya suhu benda. Dengan demikian jika Q menyatakan kalor yang diperlukan oleh m gram benda sehingga suhunya naik Δ t maka :

Q = m.c.Δt

Dimana :                  Q = kalor yang diperlukan (kalori)

m = massa benda (gram)

c = kalor jenis benda (kalori.g¹.^oC^-1)

Δ t = selisih/perubahan suhu (^oC)

Dari rumus di atas kita dapat memahami bahwa kalor jenis suatu zat adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram zat tersebut setinggi 1 derajat Celcius.

Adapun kapasitas kalor (H) adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh m gram benda sehingga suhu naik 1^°C. Secara matematik dapat ditulis dalam bentuk rumus:

H = Q/Δt atau H = m . c

b)      Azas Black.

Pengukuran jumlah kalor yang dilepaskan dan diterima, ketika dua benda yang suhunya berbeda bercampur.

1.        Jika dua benda saling bercampur, maka benda yang panas akan memberikan kalor kepada benda yang dingin, sehingga suhu kedua benda itu sama.

2.        Jumlah kalor yang diserap oleh benda yang dingin, sama dengan jumlah kalor yang dilepaskan oleh benda yang panas.

3.      Sebuah benda yang didinginkan akan melepaskan kalor yang sama ba-nyaknya dengan kalor yang diserapnya, jika benda itu dipanaskan.

Dari hal di atas dapat disimpulkan bahwa prinsip dasar Azas Black adalah: kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepaskan.

3.2.4 Energi Cahaya

Energi cahaya adalah energi yang dimiliki oleh gerakan foton dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Gelombang cahaya mempunyai frekuensi dan panjang gelombang tertentu, dengan kecepatan yang sama. Makin besar nilai panjang gelombang maka makin kecil frekuensi, dan sebaliknya.

Menurut Planck, energi cahaya bergantung pada frekuensinya

E_c = energi cahaya (J)

h = tetapan Planck (6,626 x 10^-34 Js)

3.2.5. Energi listrik

Energi listrik adalah energi yang diakibatkan oleh gerakan partikel bermuatan dalam suatu media (konduktor), karena adanya beda potensial antara kedua ujung konduktor. Besarnya energi listrik bergantung pada beda potensial dan jumlah muatan yang mengalir.

w = q E                                        w = energi listrik (J)

q = muatan yang mengalir (C)

E = beda potensial listrik (V)

3.2.6. Energi kimia

Energi kimia adalah energi yang dikandung suatu senyawa dalam bentuk energi ikatan antara atom-atomnya. Bila terjadi suatu reaksi kimia, perubahan energinya akan keluar berupa energi panas atau listrik. Jadi energi kimia adalah energi yang dihasilkan dalam reaksi kimia. Besarnya energi bergantung pada jenis dan jumlah pereaksi serta suhu dan tekanan.

3.2.7. Energi nuklir

Energi nuklir adalah energi yang terkandung dalam inti atom. Energi nuklir akan keluar bila suatu inti berubah menjadi inti lain. Besarnya energi nuklir bergantung pada jenis dan jumlah inti.

3.3. Energi dan Usaha

Dalam kehidupan sehari-hari, usaha sering diartikan sebagai kegiatan untuk mencapai tujuan tertentu, menurut fisika usaha tidak terlepas dari gaya dan perpindahan. Bila gaya bekerja pada sebuah benda sehingga benda berpindah selama gaya bekerja, maka gaya tersebut melakukan usaha. Misal ketika kita mendorong meja kemudian meja berpindah, berarti kita melakukan usaha. Rumusannya :

W = F s

W = usaha

F = gaya                                                    

s = perpidahan benda

Terdapat hubungan antara usaha dengan energi, misalnya air memiliki energi untuk menghanyutkan kayu. Usaha pada dasarnya sama dengan perubahan energi yang terjadi. Oleh karena itu, satuan usaha sama dengan satuan energi, yaitu joule (J).

Ketika manusia mau memudahkan dalam melakukan usaha atau kerja, kemudian mempergunakan peralatan, maka semua peralatan tersebut dalam fisika disebut sebagai pesawat. Peralatan tidak selalu harus canggih, tetapi peralatan sederhanapun bisa disebut pesawat, misal sendok, obeng, sekrup, dan sebagainya. Karena peralatan yang digunakannya sederhana maka disebut pesawat sederhana.

Pesawat memberikan banyak keuntungan, antara lain dapat mengubah energi, mengurangi gaya, mempercepat pekerjaan, dan mengubah arah. Anda perhatikan penjelasannya sebagai berikut:

1.        Mengubah energi. Dinamo dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Dengan memutar dinamo, maka kita dapat memperoleh energi listrik. Turbin pada pembangkit tenaga listrik dapat mengubah energi air yang mengalir menjadi energi listrik

2.        Mengurangi gaya. Tang merupakan alat yang digunakan untuk mencabut paku sehingga menjadi mudah. Penggunaan Tang akan mengurangi gaya yang diperlukan oleh kita untuk mencabut paku.

3.        Mempercepat pekerjaan. Sepeda merupakan pesawat yang digunakan untuk memperoleh keuntungan kecepatan, sehingga kita menjadi lebih cepat sampai tujuan. Artinya sepeda dapat memperbesar kecepatan.

4. Mengubah arah. Katrol sering digunakan untuk mengerek bendera ketika menaikan atau menurunkannya dari tiang bendera, katrol tidak memberikan keuntungan gaya atau kecepatan, melainkan hanya mengubah arah gaya sepaya pekerjaan bisa menjadi lebih mudah.

3.3.1. Pesawat Sederhana

Coba perhatikan, anda akan mempelajari dan memahami pesawat sederhana, antara lain adalah tuas, katrol, roda bergandar, bidang miring, sekrup dan baji.

a. Tuas

Tuas digunakan untuk mengangkat beban yang berat, contohnya linggis, kayu dan sebagainya. Caranya, dengan menaruh salah satu ujung linggis di bawah batu, kemudian ujung yang lain diangkat dan ditekan.

Gambar 3.8. Penggunaan Tuas

Titik T tempat tuas bertumpu disebut titik tumpu. Jarak dari titik T sampai ke garis kerja beban disebut lengan beban (lb). Jarak dari titik T sampai garis kerja gaya disebut lengan kuasa (lk). Beban adalah berat benda yang hendak diangkat, sedangkan kuasa adalah gaya yang diberikan kepada tuas.

beban                          lengan beban Km =                 atau Km =             kuasa                           lengan kuasa

Besarnya keuntungan pesawat dengan istilah keuntungan mekanik (Km), dengan rumus sebagai berikut :

 

Pesawat yang memiliki prinsip kerja seperti tuas, misalnya: gunting, gerobak dorong, roda gigi sepeda, alat dayung, lengan bawah dari lengan bawah kita

Gambar 3.9. Pesawat yang memanfaatkan asas Tuas

b. Katrol

Secara garis besar ada 2 jenis katrol, yaitu katrol tetap dan katrol bergerak. Katrol tetap bisa dipandang sebagai tuas. Keuntungan katrol tetap hanya dapat mengubah arah gaya. Keuntungan mekanik katrol tetap ditentukan oleh rumus.

 

Bagaimana dengan katrol bergerak? Berapakah keuntungan mekanik bila mempergunakan katrol bergerak? Pada katrol bergerak setiap kuasa hanya memikul setengah dari berat beban.

c. Roda Bergandar

Roda bergandar memiliki sebuah roda atau pemutar yang dihubungkan dengan sebuah gandar yang juga bisa berputar. Diameter roda lebih besar dibandingkan diameter gandar. Keuntungan mekaniknya berupa gaya.

Pesawat yang bekerja berdasarkan prinsip roda bergandar, misalnya kapstan, poros potaran dan kemudi mobil.

d. Bidang Miring

Penggunaan bidang miring hanya akan memudahkan usaha, tanpa mengurangi besarnya usaha yang harus dilakukan. Dengan menggunakan bidang miring, maka kuasa untuk menarik atau mendorong beban menjadi lebih kecil dibandingkan kalau beban harus diangkat langsung. Keuntungan mekanik dari penggunaan bidang miring dengan rumus :