Hukum Kekekalan Energi: Definisi, Rumus, Derivasi (dengan Contoh)

Karena fisika adalah studi tentang bagaimana materi dan energi mengalir,hukum kekekalan energiadalah ide kunci untuk menjelaskan segala sesuatu yang dipelajari fisikawan, dan cara dia mempelajarinya.

Fisika bukan tentang menghafal unit atau persamaan, tetapi tentang kerangka kerja yang mengatur bagaimana semua partikel berperilaku, bahkan jika kesamaan tidak terlihat secara sekilas.

​Hukum pertama termodinamikaadalah pernyataan ulang hukum kekekalan energi ini dalam hal energi panas: Theenergi dalamsuatu sistem harus sama dengan total semua kerja yang dilakukan pada sistem, plus atau minus kalor yang mengalir masuk atau keluar sistem.

Prinsip kekekalan lain yang terkenal dalam fisika adalah hukum kekekalan massa; seperti yang akan Anda temukan, kedua hukum konservasi ini – dan Anda juga akan diperkenalkan dengan dua hukum lainnya di sini – lebih erat hubungannya daripada yang terlihat (atau otak).

Setiap studi tentang prinsip fisika universal harus didukung oleh tinjauan tiga hukum dasar gerak, yang dibuat oleh Isaac Newton ratusan tahun yang lalu. Ini adalah:

• ​Hukum pertama gerak (hukum inersia):Sebuah objek dengan kecepatan konstan (atau diam, di mana v = 0) tetap dalam keadaan ini kecuali gaya eksternal yang tidak seimbang bertindak untuk mengganggunya.
• ​Hukum gerak kedua:Gaya total (F_bersih) bertindak untuk mempercepat benda bermassa (m). Percepatan (a) adalah laju perubahan kecepatan (v).
• ​Hukum gerak ketiga:Untuk setiap gaya di alam, terdapat gaya yang besarnya sama dan arahnya berlawanan.

Hukum kekekalan dalam fisika berlaku untuk kesempurnaan matematis hanya dalam sistem yang benar-benar terisolasi. Dalam kehidupan sehari-hari, skenario seperti itu jarang terjadi. Empat besaran yang dilestarikan adalahmassa​, ​energi​, ​momentumdanmomentum sudut. Tiga yang terakhir ini berada di bawah lingkup mekanika.

​Massahanyalah jumlah materi dari sesuatu, dan ketika dikalikan dengan percepatan lokal karena gravitasi, hasilnya adalah berat. Massa tidak dapat lagi dihancurkan atau diciptakan dari awal seperti halnya energi.

​momentumadalah hasil kali massa suatu benda dan kecepatannya (m·v). Dalam sistem dua atau lebih partikel yang bertabrakan, total momentum sistem (jumlah individu momentum benda) tidak pernah berubah selama tidak ada kerugian gesekan atau interaksi dengan eksternal tubuh.

​Momentum sudut​ (​L) hanyalah momentum terhadap sumbu benda yang berputar, dan sama dengan m·v·r, di mana r adalah jarak dari objek ke sumbu rotasi.

​Energimuncul dalam berbagai bentuk, beberapa lebih berguna daripada yang lain. Panas, bentuk di mana semua energi pada akhirnya ditakdirkan untuk ada, adalah yang paling tidak berguna dalam hal menggunakannya untuk pekerjaan yang bermanfaat, dan biasanya merupakan produk.

Hukum kekekalan energi dapat ditulis:

dimana KE =energi kinetik= (1/2)mv², PE =energi potensial(sama dengan mgh ketika gravitasi adalah satu-satunya gaya yang bekerja, tetapi terlihat dalam bentuk lain), IE = energi internal, dan E = energi total = konstanta.

• Sistem terisolasi dapat memiliki energi mekanik yang diubah menjadi energi panas dalam batas-batasnya; Anda dapat menentukan "sistem" untuk menjadi pengaturan apa pun yang Anda pilih, selama Anda dapat yakin dengan karakteristik fisiknya. Hal ini tidak melanggar hukum kekekalan energi.

Semua energi di alam semesta muncul dari Big Bang, dan jumlah total energi itu tidak dapat berubah. Sebaliknya, kita mengamati energi yang berubah bentuk secara terus-menerus, dari energi kinetik (energi gerak) menjadi energi panas, dari energi kimia menjadi energi listrik, dari energi potensial gravitasi menjadi energi mekanik dan seterusnya.

Panas adalah jenis energi khusus (energi termal) dalam hal itu, sebagaimana dicatat, itu kurang bermanfaat bagi manusia daripada bentuk-bentuk lain.

Ini berarti bahwa sekali bagian dari energi suatu sistem diubah menjadi panas, ia tidak dapat dengan mudah dikembalikan ke bentuk yang lebih berguna tanpa masukan kerja tambahan, yang membutuhkan energi tambahan.

Jumlah energi radiasi yang ganas yang dikeluarkan matahari setiap detik dan tidak akan pernah dapat diperoleh kembali atau digunakan kembali dengan cara apa pun sebuah bukti nyata dari kenyataan ini, yang terus-menerus terbentang di seluruh galaksi dan alam semesta sebagai seluruh. Sebagian dari energi ini "ditangkap" dalam proses biologis di Bumi, termasuk fotosintesis di tumbuhan, yang membuat makanannya sendiri serta menyediakan makanan (energi) bagi hewan dan bakteri, dan begitu seterusnya.

Itu juga dapat ditangkap oleh produk rekayasa manusia, seperti sel surya.

Siswa fisika sekolah menengah biasanya menggunakan diagram lingkaran atau grafik batang untuk menunjukkan energi total sistem yang dipelajari dan untuk melacak perubahannya.

Karena jumlah total energi dalam pai (atau jumlah tinggi batang) tidak dapat berubah, perbedaan dalam kategori irisan atau batang menunjukkan berapa banyak energi total pada titik tertentu yang merupakan salah satu bentuk energi atau lainnya.

Dalam skenario, bagan yang berbeda dapat ditampilkan pada titik yang berbeda untuk melacak perubahan ini. Sebagai contoh, perhatikan bahwa jumlah energi panas hampir selalu meningkat, mewakili pemborosan dalam banyak kasus.

Misalnya, jika Anda melempar bola dengan sudut 45 derajat, awalnya semua energinya adalah kinetik (karena h = 0), dan maka pada titik di mana bola mencapai titik tertingginya, energi potensialnya sebagai bagian dari energi total adalah paling tinggi.

Baik saat naik maupun turun, sebagian energinya diubah menjadi panas sebagai akibat gaya gesekan dari udara, sehingga KE + PE tidak tetap konstan sepanjang skenario ini, tetapi sebaliknya menurun sementara energi total E tetap konstan.

(Sisipkan beberapa contoh diagram dengan diagram lingkaran/batang yang melacak perubahan energi

Jika Anda memegang bola bowling 1,5 kg dari atap 100 m (sekitar 30 lantai) di atas tanah, Anda dapat menghitung energi potensialnya dengan nilaig = 9,8 m/s²dan PE = mgj:

Jika Anda melepaskan bola, energi kinetik nolnya meningkat lebih cepat saat bola jatuh dan berakselerasi. Pada saat mencapai tanah, KE harus sama dengan nilai PE di awal soal, atau 1.470 J. Saat ini,

Dengan asumsi tidak ada kehilangan energi karena gesekan, konservasi energi mekanik memungkinkan Anda untuk menghitungv, yang ternyata adalah44,3 m/s.​

Siswa fisika mungkin bingung dengan yang terkenalenergi massa​ ​persamaan​ (​E = mc²), bertanya-tanya apakah itu melanggar hukumkonservasi energi(ataukonservasi massa), karena itu menyiratkan massa dapat diubah menjadi energi dan sebaliknya.

Itu sebenarnya tidak melanggar kedua hukum karena menunjukkan bahwa massa dan energi sebenarnya adalah bentuk yang berbeda dari hal yang sama. Ini seperti mengukurnya dalam unit yang berbeda mengingat tuntutan situasi mekanika klasik dan kuantum yang berbeda.

Dalam kematian panas alam semesta, menurut hukum ketiga termodinamika, semua materi akan diubah menjadi energi panas. Setelah konversi energi ini selesai, tidak ada lagi transformasi yang dapat terjadi, setidaknya tanpa peristiwa tunggal hipotetis lainnya seperti Big Bang.

Sebuah "mesin gerak abadi" (misalnya, pendulum yang berayun dengan waktu yang sama dan menyapu tanpa pernah melambat) di Bumi tidak mungkin karena hambatan udara dan kehilangan energi yang terkait. Untuk menjaga alat tetap berjalan akan membutuhkan masukan dari pekerjaan eksternal di beberapa titik, sehingga mengalahkan tujuannya.