Tahukah kamu bahwa tanpa energi yang diciptakan Tuhan tidak akan ada
kehidupan. Matahari, angin, sungai, dan bahkan alam ini tidak akan ada.
Energi terdapat di mana-mana dan dapat berubah dari satu bentuk ke
bentuk lain. Energilah yang melatarbelakangi setiap kejadian. Jadi,
apakah energi itu?
Semua makhluk hidup
membutuhkan energi untuk kelangsungan hidup mereka. Tumbuhan dan hewan
memperoleh energi dari alam untuk pertumbuhan dan kelestariannya.
Manusia memanfaatkan energi yang berasal dari otot mereka untuk kegiatan
sehari-hari seperti berjalan dan berlari. Manusia telah mengembangkan
berbagai cara pemanfaatan energi yang tersedia untuk meningkatkan
kualitas hidup mereka.
A.
Pengertian Energi
Setiap saat manusia memerlukan energi yang
sangat besar untuk menjalankan kegiatannya sehari-hari, baik untuk
kegiatan jasmani maupun kegiatan rohani. Berpikir, bekerja, belajar, dan
bernyanyi memerlukan energi yang besar. Kamu membutuhkan berjuta-juta
kalori setiap harinya untuk melakukan kegiatan dalam kehidupan
sehari-hari. Oleh karena itu, disarankan setiap pagi sebelum berangkat
sekolah, kamu harus makan terlebih dahulu. Dengan demikian, tubuhmu
cukup energi untuk melakukan kegiatan di sekolah dan untuk menjaga
kesehatanmu.
Ketika kamu sakit dan nafsu makanmu hilang, tubuhmu
akan lemas karena energi dalam tubuhmu berkurang. Jika demikian,
kegiatan rutin sehari-harimu akan terganggu bahkan kegiatan ibadahmu pun
akan terganggu. Menurutmu, apakah energi itu?
Berdasarkan
jawabanmu, kemampuan untuk melakukan sesuatu itulah yang disebut energi.
Sesuatu itu dikatakan sebagai kerja atau usaha. Jadi, energi adalah
kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Satuan energi dalam Sistem
Internasional (SI) adalah joule (J). Satuan energi dalam sistem yang
lain adalah kalori, erg, dan kWh (kilo watt hours). Kesetaraan joule
dengan kalor adalah sebagai berikut. 1 kalori = 4,2 joule atau 1 joule =
0,24 kalori
B. Bentuk-Bentuk
Energi
Energi yang paling besar adalah energi matahari. Tuhan
telah menciptakan Matahari khusus untuk kesejahteraan umat manusia.
Jarak Matahari ke Bumi yang telah diatur pada jarak 149.600 juta
kilometer memungkinkan energi panas yang diterima manusia di Bumi tidak
membahayakan. Energi panas dari sinar matahari sangat bermanfaat bagi
Bumi dan dapat menghasilkan energi-energi yang lain di muka Bumi ini.
Caranya adalah dengan mengubah energi matahari menjadi energi yang lain,
seperti energi kimia, energi listrik, energi bunyi, dan energi gerak.
1. Energi Kimia
Energi kimia
adalah energi yang tersimpan dalam persenyawaan kimia. Makanan banyak
mengandung energi kimia yang sangat bermanfaat bagi tubuh manusia.
Energi kimia pun terkandung dalam bahan minyak bumi yang sangat
bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam makanan maupun
energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari.
Energi
cahaya matahari sangat diperlukan untuk proses fotosintesis pada
tumbuhan sehingga mengandung energi kimia. Tumbuhan dimakan oleh manusia
dan hewan sehingga mereka akan memiliki energi tersebut. Tumbuhan dan
hewan yang mati milyaran tahun yang lalu menghasilkan minyak bumi.
Energi kimia dalam minyak bumi sangat bermanfaat untuk menggerakkan
kendaraan, alat-alat pabrik, ataupun kegiatan memasak.
2. Energi Listrik
Energi listrik
merupakan salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan. Energi
ini dipindahkan dalam bentuk aliran muatan listrik melalui kawat logam
konduktor yang disebut arus listrik. Energi listrik dapat diubah menjadi
bentuk energi yang lain seperti energi gerak, energi cahaya, energi
panas, atau energi bunyi. Sebaliknya, energi listrik dapat berupa hasil
perubahan energi yang lain, misalnya dari energi matahari, energi gerak,
energi potensial air, energi kimia gas alam, dan energi uap.
3. Energi Panas
Sumber energi
panas yang sangat besar berasal dari Matahari. Sinar matahari dengan
panasnya yang tepat dapat membantu manusia dan makhluk hidup lainnya
untuk hidup dan berkembang biak. Energi panas pun merupakan hasil
perubahan energi yang lain, seperti dari energi listrik, energi gerak,
dan energi kimia. Energi panas dimanfaatkan untuk membantu manusia
melakukan usaha seperti menyetrika pakaian, memasak, dan mendidihkan
air.
4. Energi Mekanik
Ketika
kamu memerhatikan sebuah mangga yang bergantung di pohonnya, mungkin
kamu mengharapkan buah mangga tersebut jatuh dari pohonnya. Mengapa buah
mangga itu dapat jatuh dari pohonnya? Untuk melakukan kerja supaya
dapat jatuh dari pohonnya, buah mangga harus memiliki energi. Energi
apakah itu? Ketika buah mangga jatuh, dia bergerak ke bawah sampai
mencapai tanah. Energi apakah yang terkandung ketika buah mangga
bergerak jatuh?
Dari peristiwa tersebut terdapat dua buah jenis
energi yang saling memengaruhi, yaitu energi yang diakibatkan oleh
ketinggian dan energi karena benda bergerak. Energi akibat perbedaan
ketinggian disebut energi potensial gravitasi, sedangkan energi gerak
disebut energi kinetik (energi gerak). Energi mekanik merupakan
penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik. Secara matematis
persamaan energi mekanik dapat dituliskan sebagai berikut.
Em = Ep +
Ek dengan:
Em = energi mekanik (J)
Ep = energi potensial (J)
Ek
= energi kinetik (J)
a. Energi
Potensial
Telah kamu ketahui bahwa energi potensial gravitasi
adalah energi akibat perbedaan ketinggian. Apakah energi ini diakibatkan
oleh ketinggian saja? Buah kelapa yang bergantung di pohonnya menyimpan
suatu energi yang disebut energi potensial. Energi potensial yang
dimiliki buah kelapa diakibatkan oleh adanya gaya tarik bumi sehingga
jatuhnya selalu menuju ke pusat Bumi.
Energi potensial akibat
gravitasi Bumi disebut energi potensial gravitasi. Energi potensial
gravitasi pun bisa diakibatkan oleh tarikan benda-benda lain seperti
tarikan antarplanet. Adapun energi potensial yang dimiliki suatu benda
akibat pegas atau karet yang kamu regangkan disebut energi potensial
pegas.
Energi potensial gravitasi dimiliki oleh benda yang berada
pada ketinggian tertentu dari permukaan bumi. Energi potensial pegas
muncul akibat adanya perbedaan kedudukan dari titik kesetimbangannya.
Titik kesetimbangan adalah titik keadaan awal sebelum benda ditarik.
Besarnya energi potensial gravitasi sebanding dengan ketinggian (h) dan
massa benda (m). Ep h dan Ep m. Selain kedua besaran itu, energi
potensial gravitasi dipengaruhi oleh percepatan gravitasi (g) sehingga
dapat dibuat persamaan energi potensial gravitasi sebagai berikut.
Ep
= mgh dengan:
Ep = energi potensial (J)
m = massa benda (kg)
g
= konstanta gravitasi (m/s2)
h = ketinggian (m)
b. Energi Kinetik
Suatu ketika, ada
seorang pelaut malang yang terdampar di pulau kecil. Dia berpikir hanya
dengan tiga cara dia dapat mencari bantuan. Pertama, dia dapat
menerbangkan layang-layang dan berharap ada kapal yang melihat
layang-layang tersebut. Kedua, dia menyimpan pesan dalam botol dan
membiarkannya mengapung di atas air sampai ada orang yang menemukannya.
Ketiga, dia membuat rakit untuk mencoba pergi dari pulau itu.
Gagasan
pelaut itu bergantung pada satu jenis energi yang bekerja, yaitu energi
akibat gerakan angin yang akan membuat layangan dapat mengapung, botol
dapat bergerak dibawa ombak, dan rakit dapat melaju. Sesuatu yang
bergerak, misalnya angin dan air, memiliki kemampuan yang dapat
digunakan untuk menarik atau mendorong sesuatu.
Energi yang
dimiliki oleh benda yang bergerak disebut energi kinetik. Kamu pun
memiliki energi kinetik apabila bergerak. Ketika kamu menaiki sepeda
dengan laju yang besar, tiba-tiba dihadapanmu terdapat batu besar yang
menghalangi jalan. Tanpa ragu-ragu, kamu akan segera mengerem sepedamu.
Sesaat badanmu terhentak sampai akhirnya berhenti. Hentakan yang kamu
rasakan pada saat mengerem sepedamu itu disebut energi kinetik. Jika
kamu mengajak temanmu menaiki sepeda tersebut, tentu kamu akan lebih
keras lagi mengerem sepedamu. Oleh karena massa orang yang menaiki
sepeda lebih besar dari sebelumnya, dapat diambil kesimpulan bahwa
energi kinetik bergantung pada massa benda dan kecepatan benda tersebut.
Secara matematis, energi kinetik suatu benda dapat ditulis sebagai
berikut: Ek = ½ mv dengan:
Ek = energi kinetik (J)
m = massa (kg)
v
= kecepatan (m/s)
C. Perubahan
Bentuk-Bentuk Energi
Energi tidak dapat diciptakan dan juga
tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke
bentuk yang lain. Pada umumnya, manfaat energi akan terlihat setelah
berubah bentuk menjadi energi yang lain. Misalnya, energi listrik akan
bermanfaat ketika berubah bentuk menjadi energi cahaya atau panas.
Matahari
sebagai sumber energi terbesar yang diciptakan Tuhan telah mengalami
beberapa perubahan bentuk energi yang sangat bermanfaat bagi kehidupan
umat manusia. Misalnya, energi panas dan energi cahaya matahari
menyinari tumbuhan sehingga tumbuhan dapat melakukan fotosintesis.
Dengan demikian, tumbuhan memiliki energi kimia. Tumbuhan dimakan
manusia atau hewan sehingga manusia atau tumbuhan memiliki energi untuk
melakukan usaha.
Energi dapat diubah dari satu bentuk energi ke
bentuk energi yang lain. Energi kimia yang terkandung dalam batu baterai
dapat mengalirkan muatan listrik jika dihubungkan dengan kabel. Jika
aliran listrik tersebut melalui sebuah lampu, lampu akan menyala dan
lama kelamaan lampu menjadi panas. Pada peristiwa tersebut, telah
terjadi beberapa perubahan energi, antara lain energi kimia, energi
listrik, energi cahaya, dan energi panas. Ketika kedua telapak tanganmu
digosok-gosokkan, lama-kelamaan telapak tanganmu akan terasa panas. Hal
ini menunjukkan bahwa pada telapak tanganmu telah terjadi perubahan
energi dari energi gerak menjadi energi panas.
D. Hukum Kekekalan Energi
Berasal
dari manakah energi yang kamu gunakan untuk melakukan kegiatan
sehari-hari? Berubah menjadi energi apakah yang telah kamu gunakan
tersebut? Apakah manusia dapat membuat mesin yang dapat melakukan kerja
terus menerus tanpa menggunakan bahan bakar? Pertanyaan-pertanyaan
tersebut merupakan beberapa pertanyaan yang berhubungan dengan energi
yang mungkin sering kamu tanyakan pada dirimu sendiri.
Coba kamu
lemparkan sebuah bola vertikal ke atas dan amati sampai jatuh lagi ke
lantai. Ketika bola bergerak ke atas, kecepatan bola semakin lama
semakin melambat dan ketinggian bola semakin besar. Pada ketinggian
tertentu, bola berhenti sesaat dan kembali lagi ke bawah dengan
kecepatan yang semakin besar. Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa
energi gerak semakin lama semakin kecil sampai menjadi nol ketika
berhenti sesaat pada ketinggian tertentu. Ke manakah energi gerak
tersebut?
Energi gerak (Ek) tersebut ternyata berubah menjadi
energi potensial gravitasi (Ep) sampai akhirnya mencapai maksimum.
Begitu pula sebaliknya, energi potensial gravitasi semakin kecil ketika
bola tersebut bergerak ke bawah. Adapun energi geraknya semakin besar
dan mencapai maksimum ketika sampai di lantai, tetapi energi potensial
gravitasinya menjadi nol ketika sampai di lantai. Setelah diam di
lantai, semua energi mekanik benda habis. Tahukah kamu, kemana perginya?
Apakah yang dapat kamu simpulkan? Adakah energi yang hilang?
Kegiatan
tersebut menunjukkan bahwa energi bersifat kekal. Energi tidak dapat
diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu
bentuk energi menjadi bentuk energi yang lain. Pernyataan tersebut
dikenal dengan Hukum Kekekalan Energi. Telah kamu ketahui bahwa energi
mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik:
Em = Ep + Ek
Apabila benda selama bergerak naik dan turun hanya
dipengaruhi oleh gaya gravitasi, besar energi mekanik selalu tetap.
Dengan kata lain, jumlah energi potensial dan energi kinetik selalu
tetap. Pernyataan itu disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
E. Usaha
Dalam kehidupan
sehari-hari, pengertian usaha identik dengan kemampuan untuk meraih
sesuatu. Misalnya, usaha untuk bisa naik kelas atau usaha untuk
mendapatkan nilai yang besar. Namun, apakah pengertian usaha menurut
ilmu Fisika?
Ketika benda didorong ada yang berpindah tempat dan
ada pula yang tetap di tempatnya. Ketika kamu mendorong atau menarik
suatu benda, berarti kamu telah memberikan gaya pada benda tersebut.
Oleh karena itu, usaha sangat dipengaruhi oleh dorongan atau tarikan
(gaya). Menurut informasi tersebut, jika setelah didorong benda itu
tidak berpindah, gayamu tidak melakukan usaha. Dengan kata lain, usaha
juga dipengaruhi oleh perpindahan. Dengan demikian, dapat disimpulkan
bahwa usaha dihasilkan oleh gaya yang dikerjakan pada suatu benda
sehingga benda itu berpindah tempat.
Bagaimanakah ketika kamu
mendorong dinding kelasmu? Apakah dinding berpindah tempat? Walaupun
kamu telah sekuat tenaga mendorongnya, tetapi dinding tetap ditempatnya.
Oleh sebab itu, menurut Fisika gayamu dikatakan tidak melakukan usaha.
Apabila
gaya disimbolkan dengan F dan perpindahan dengan s, secara matematis
usaha dituliskan dalam persamaan berikut: W = F s dengan:
W = usaha
(J)
F = gaya (N)
s = perpindahan (m)
Usaha memiliki satuan
yang sama dengan energi, yaitu joule. Dengan ketentuan bahwa 1 joule
sama dengan besar usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 N dengan
perpindahan 1 m.
Kamu sudah mengetahui usaha yang dilakukan untuk
memindahkan sebuah benda ke arah horisontal, tetapi bagaimanakah
besarnya usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah
vertikal? Memindahkan benda secara vertikal memerlukan gaya minimal
untuk mengatasi gaya gravitasi bumi yang besarnya sama dengan berat
suatu benda. Secara matematis gaya tersebut dapat ditulis sebagai
berikut: F = m g
Karena perpindahan benda ke arah vertikal sama
dengan ketinggian benda (h), usaha yang dilakukan terhadap benda
tersebut sebagai berikut.
W = F s
W = m g h dengan:
W = usaha
(J)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (N/kg)
h =
perpindahan atau ketinggian (m)
F.
Hubungan antara Usaha dan Energi
Kamu sudah mengetahui bahwa
energi adalah kemampuan melakukan usaha. Definisi tersebut menunjukkan
bahwa usaha memiliki kaitan yang erat dengan energi.
Ketika
gayamu berusaha mendorong mobil sehingga bergerak, berarti telah terjadi
perubahan energi dari energi yang dikeluarkan olehmu menjadi energi
gerak. Jadi, dapat disimpulkan bahwa ketika gaya melakukan usaha pada
sebuah benda maka akan terjadi perubahan energi pada benda tersebut.
Usaha yang dilakukan pada sebuah benda yang bergerak horisontal
menyebabkan perubahan energi kinetik. Dengan demikian, besarnya usaha
sama dengan perubahan energi kinetik benda. Secara matematis ditulis
sebagai berikut.
W = Δ Ek
W = Ek2 – Ek1 dengan:
W = usaha (J)
Ek
= perubahan energi kinetik (J)
Ek2 = energi kinetik akhir (J)
Ek1
= energi kinetik awal (J)
Ketika kamu mengangkat sebuah balok,
kamu akan memberikan gaya dorong terhadap balok. Pada saat ke atas,
berlaku:
Wtangan = Ftangan . s = m g h
Saat ke bawah:
Wgravitasi
= Fgravitasi . s = –m g h
Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi
bumi (benda yang bergerak vertikal) sama dengan perubahan energi
potensial gravitasi. Secara matematis ditulis sebagai berikut.
W = Δ
Ep
W = Ep2 – Ep1
W = m g (h2 – h1) dengan:
W = usaha (J)
ΔEp
= perubahan energi potensial (J)
Ep1 = energi potensial awal (J)
Ep2
= energi potensial akhir (J)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar