Dua bentuk utama energi ada: energi kinetik dan energi potensial.Energi kinetikadalah energi gerak suatu benda atau partikel, danenergi potensialadalah energi yang berhubungan dengan posisi suatu benda atau partikel.
Kadang-kadang energi kinetik dan potensial yang terkait dengan proses mekanis dari objek makroskopik disebut secara kolektif sebagai:energi mekanikdan mengecualikan bentuk energi yang terkait dengan proses termal, kimia dan atom.
Ini adalah hukum dasar fisika bahwa energi total dalam sistem tertutup adalah kekal. Ini disebut sebagaihukum kekekalan energi. Artinya, sementara energi dapat berubah bentuk atau berpindah dari satu objek ke objek lain, jumlah totalnya akan selalu tetap konstan dalam sistem yang terisolasi sempurna dari lingkungannya.
Untuk menyederhanakan perhitungan dalam banyak masalah fisika pengantar, sering diasumsikan bahwa gesekan dan lainnya gaya disipatif dapat diabaikan, yang menghasilkan energi mekanik total sistem tertutup secara terpisah dilestarikan.
Energi mekanik dapat diubah menjadi energi termal dan jenis energi lainnya ketika ada gesekan, dan mungkin sulit untuk mendapatkan energi panas apa pun untuk kembali menjadi energi mekanik (dan tidak mungkin untuk melakukannya sepenuhnya.) Inilah sebabnya mengapa energi mekanik sering dibicarakan sebagai besaran kekal yang terpisah, tetapi, sekali lagi, itu hanya kekal jika tidak ada gesekan.
Satuan SI untuk energi adalah joule (J) dimana 1 joule = 1 newton × 1 meter.
Jenis Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisi atau susunan benda atau partikel. Kadang-kadang digambarkan sebagai energi yang tersimpan, tetapi ini tidak sepenuhnya akurat karena energi kinetik juga dapat dianggap sebagai energi yang tersimpan karena masih terkandung di dalam objek yang bergerak. Jenis utama energi potensial adalah:
Energi potensial elastis, yaitu energi dalam bentuk deformasi suatu benda seperti pegas. Ketika Anda menekan atau meregangkan pegas di luar posisi keseimbangan (istirahat), ia akan memiliki energi potensial elastis. Ketika pegas ini dilepaskan, energi potensial elastis ini akan berubah menjadi energi kinetik.
Dalam kasus suatu massa yang digantungkan pada pegas yang kemudian diregangkan dan dilepaskan, massa tersebut akan berosilasi naik turun sebagai energi potensial elastis menjadi energi kinetik, kemudian diubah kembali menjadi potensial dan seterusnya (dengan beberapa energi mekanik diubah menjadi bentuk non-mekanik karena gesekan.)
Persamaan untuk energi potensial yang disimpan dalam pegas diberikan oleh:
PE_{pegas}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
Dimanakadalah konstanta pegas dan x adalah perpindahan dari kesetimbangan.
Energi potensial gravitasiadalah energi karena posisi benda dalam medan gravitasi. Ketika sebuah objek dalam medan seperti itu dilepaskan, itu akan mempercepat, dan energi potensial itu akan berubah menjadi energi kinetik.
Energi potensial gravitasi untuk benda bermassasayadekat permukaan bumi diberikan oleh:
PE_{grav}=mgh
Dimanagadalah konstanta gravitasi 9,8 m/s2, danhadalah ketinggian di atas permukaan tanah.
Sama halnya dengan energi potensial gravitasi,energi potensial listrikadalah hasil dari benda-benda dengan muatan yang diposisikan dalam medan listrik. Jika dilepaskan di medan ini, mereka akan berakselerasi di sepanjang garis medan seperti halnya massa yang jatuh, dan energi potensial listriknya akan berubah menjadi energi kinetik.
Rumus energi potensial listrik adalah muatan titikqsebuah jarakrdari muatan titikQdiberikan oleh:
PE_{elec,\text{ }poiny\text{ }charge}=\frac{kqQ}{r}
Dimanakadalah konstanta Coulomb 8,99 × 109 Nm2/C2.
Anda mungkin akrab dengan istilahtegangan, yang mengacu pada besaran yang disebutpotensial listrik. Energi potensial listrik suatu muatanqdapat dicari dari potensial listrik (tegangan,V) dengan cara sebagai berikut:
PE_q=qV
Energi potensial kimiaadalah energi yang tersimpan dalam ikatan kimia dan susunan atom. Energi ini dapat diubah menjadi bentuk lain selama reaksi kimia. Api adalah contohnya – saat api membakar, energi potensial dalam ikatan kimia dari bahan yang terbakar diubah menjadi energi panas dan radiasi. Saat Anda makan makanan, proses dalam tubuh Anda mengubah energi kimia menjadi energi yang dibutuhkan tubuh Anda untuk tetap hidup dan melakukan semua tugas dasar kehidupan.
Energi potensial nukliradalah energi dalam inti atom. Ketika nukleon (proton dan neutron) di dalam nukleus mengatur ulang diri mereka sendiri dengan menggabungkan, memecah atau berubah dari satu ke yang lain (baik melalui fusi, fisi atau peluruhan) energi potensial nuklir diubah atau dirilis.
E yang terkenal = mc2 persamaan menggambarkan jumlah energi,E, dilepaskan selama proses tersebut dalam hal massasayadan kecepatan cahayac. Inti dapat berakhir dengan massa total yang lebih rendah setelah peluruhan atau fusi, dan perbedaan massa ini secara langsung diterjemahkan menjadi jumlah energi potensial nuklir yang diubah menjadi bentuk lain, seperti radiasi dan panas.
Jenis Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi gerak. Ketika sebuah benda dengan energi potensial memiliki potensi untuk bergerak, sebuah benda dengan energi kinetik sedang mengalami gerak. Jenis utama energi kinetik adalah:
Energi kinetik mekanik, yang merupakan energi kinetik benda makroskopik bermassasayabergerak dengan kecepatanv. Itu diberikan oleh rumus:
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
Tips
Untuk sebuah benda yang jatuh karena gravitasi, kekekalan energi mekanik memungkinkan kita untuk menentukan kecepatannya saat jatuh tanpa menggunakan persamaan percepatan konstan standar gerak. Cukup tentukan energi mekanik total sebelum benda mulai jatuh (mgh), dan kemudian pada ketinggian berapa pun, perbedaan energi potensial harus sama dengan 1/2mv2. Setelah Anda mengetahui energi kinetik, Anda dapat menyelesaikanv.
Energi termal, juga dikenal sebagai energi panas, adalah hasil dari molekul-molekul dalam suatu zat yang bergetar. Semakin cepat molekul bergerak, semakin besar energi panas dan semakin panas benda. Semakin lambat gerakannya, semakin dingin benda tersebut. Dalam batas di mana semua gerakan berhenti, suhu benda adalah 0 mutlak dalam satuan Kelvin.
Suhu adalah ukuran energi kinetik translasi rata-rata per molekul. Energi termal gas monoatomik ideal diberikan oleh rumus:
E_{thermal}=\frac{3}{2}Nk_BT
Dimanatidakadalah jumlah atom,Tadalah suhu dalam Kelvin, dankBadalah konstanta Boltzmann 1,381 × 10-23 J/K .
Di permukaan, ini dapat dipahami sebagai hal yang sama dengan energi kinetik mekanik. Ini adalah hasil dari objek (molekul dalam hal ini) yang secara fisik bergerak dengan kecepatan tertentu. Tapi gerakan ini semua terjadi pada skala mikroskopis dalam objek yang lebih besar, jadi masuk akal untuk memperlakukannya berbeda - terutama karena tidak mungkin untuk menjelaskan gerakan setiap molekul yang berbeda di dalam sesuatu!
Perhatikan juga bahwa tidak masuk akal untuk mengacaukan ini dengan energi kinetik mekanik karena energi ini tidak begitu diubah menjadi energi potensial dengan cara yang sama seperti energi kinetik bola yang dilempar ke udara aku s.
Gelombang energidansuaramembentuk jenis energi kinetik tambahan, yang merupakan energi yang terkait dengan gerakan gelombang. Dengan gelombang, gangguan merambat melalui media. Setiap titik dalam medium itu akan berosilasi di tempatnya saat gelombang melewati – baik sejajar dengan arah gerak (agelombang longitudinal) atau tegak lurus (agelombang transversal), seperti yang terlihat dengan gelombang pada tali.
Sementara titik-titik di media berosilasi di tempat, gangguan itu sendiri bergerak dari satu tempat ke tempat lain. Ini adalah bentuk energi kinetik karena merupakan hasil dari pergerakan material fisik.
Energi yang terkait dengan gelombang biasanya berbanding lurus dengan kuadrat amplitudo gelombang. Hubungan yang tepat, bagaimanapun, tergantung pada jenis gelombang dan media yang dilaluinya.
Salah satu jenis gelombang adalah gelombang bunyi yang merupakan gelombang longitudinal. Yaitu, hasil dari kompresi (daerah di mana media dikompresi) dan rarefactions (daerah di mana media kurang dikompresi), paling umum, udara, atau bahan lain.
Energi pancaranterkait dengan energi gelombang, tetapi tidak persis sama. Ini adalah energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Anda mungkin paling akrab dengan cahaya tampak, tetapi energi ini datang dalam jenis yang tidak dapat kita lihat juga, seperti gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma. Ini adalah energi yang dibawa oleh foton – partikel cahaya. Foton dikatakan menunjukkan dualitas partikel/gelombang, yang berarti mereka bertindak seperti gelombang dan partikel.
Energi radiasi berbeda dari gelombang biasa dalam cara yang sangat kritis: Energi radiasi tidak memerlukan media untuk melakukan perjalanan. Karena itu, ia dapat melakukan perjalanan melalui ruang hampa udara. Semua radiasi elektromagnetik bergerak dengan kecepatan cahaya (kecepatan tercepat di alam semesta!) dalam ruang hampa.
Perhatikan bahwa foton tidak memiliki massa, jadi kita tidak bisa begitu saja menggunakan persamaan energi kinetik mekanik untuk menentukan energi kinetik yang terkait. Sebaliknya, energi yang terkait dengan radiasi elektromagnetik diberikan oleh E = hf, di manafadalah frekuensi danhadalah konstanta Planck 6,626 × 10-34 Js.
Energi listrik: Energi kinetik yang terkait dengan muatan yang bergerak sama dengan energi kinetik mekanik 1/2mv2; namun, muatan yang bergerak juga menghasilkan medan magnet. Medan magnet itu, seperti halnya medan gravitasi atau listrik, memiliki kemampuan untuk memberikan energi potensial pada apa pun yang dapat "merasakannya" - seperti magnet atau muatan bergerak lainnya.
Transformasi Energi
Energi total sistem tertutup adalah kekal. Artinya, jumlah total, dalam segala bentuk, tetap konstan bahkan jika dipindahkan antar objek dalam sistem atau berubah bentuk atau jenis.
Contoh utama dari hal ini adalah apa yang terjadi pada energi kinetik, potensial, dan total bola yang dilempar ke udara. Misalkan sebuah bola 0,5 kg diluncurkan ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal 20 m/s. Kita dapat menggunakan persamaan kinematik berikut untuk menentukan tinggi dan kecepatan bola pada setiap detik perjalanannya:
v_f=v_i+at=20\text{ m/s}-gt\\ y_f=y_i+v_it+\frac{1}{2}at^2=(20 \text{ m/s})t-\frac{ g}{2}t^2
Jika kita mendekatigsebagai 10 m/s2, kami mendapatkan hasil yang ditunjukkan pada tabel berikut:
Sekarang mari kita lihat dari perspektif energi. Untuk setiap detik perjalanan, kita dapat menghitung energi potensial menggunakanmghdan energi kinetik menggunakan 1/2mv2. Energi total adalah jumlah dari keduanya. Menambahkan kolom ke tabel kami untuk energi potensial, kinetik dan total, kami mendapatkan:
•••tidak
Seperti yang Anda lihat, pada awal lintasannya, semua energi bola adalah kinetik. Saat naik, kecepatannya berkurang dan ketinggiannya bertambah, dan energi kinetik diubah menjadi energi potensial. Ketika berada pada titik tertingginya, semua kinetika awal telah berubah menjadi potensial, dan kemudian proses berbalik dengan sendirinya saat jatuh kembali. Selama seluruh jalan, energi total tetap konstan.
Jika contoh kita telah memasukkan gesekan atau gaya disipatif lainnya, maka, sementara energi total masih tetap, energi mekanik total tidak. Energi mekanik total akan sama dengan perbedaan antara energi total dan energi yang ditransformasikan ke jenis lain, seperti energi panas atau suara.