Anda mungkin menggunakan kata energi dalam kehidupan sehari-hari Anda sepanjang waktu, tetapi apa artinya sebenarnya? Kuantitas fisik apa yang Anda dapatkan ketika Anda mengatakan hal-hal seperti, "Saya tidak punya energi hari ini," atau, "Anak-anak itu perlu membakar energi"?
Penggunaan kata sehari-hari mungkin memberi Anda gambaran awal tentang apa itu energi, tetapi dalam artikel ini Anda akan pelajari bagaimana fisikawan mendefinisikan energi, pelajari jenis-jenis energi yang berbeda dan lihat beberapa contoh di sepanjang cara.
Definisi Energi
Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau menyebabkan perubahan. Ini berbeda dengan kekuatan. Gaya adalah hal yang menyebabkan perubahan, sedangkan energi dapat dianggap sebagai dorongan di balik gaya. Dibutuhkan energi untuk menerapkan gaya, dan menerapkan gaya ke suatu objek sering mentransfer energi untuk itu.
Satuan SI untuk energi adalah joule dimana 1 joule = 1 newton × 1 meter atau 1 kg⋅m2/s2. Satuan lainnya termasuk kalori, kilokalori dan kilowatt-jam.
Jenis Energi
Dua bentuk energi yang paling mendasar adalahenergi potensialdanenergi kinetik. Energi potensial adalah energi yang tersimpan sedangkan energi kinetik adalah energi gerak.
Para ilmuwan biasanya membedakan antara versi makroskopik dan mikroskopis dari jenis energi ini. Sebagai contoh, energi potensial yang disimpan karena gravitasi atau karena pegas terkompresi disebutmekanisenergi potensial. Tetapi benda juga dapat memiliki jenis energi potensial yang berbeda yang tersimpan dalam ikatan antar molekul dan antar nukleon dalam inti atom.
Energi kinetik mekanik adalah energi akibat gerak suatu benda makroskopik. Tetapi di dalam objek apa pun, molekul itu sendiri memiliki energi kinetiknya sendiri dari jenis yang berbeda.
Jumlah potensial mekanik dan energi kinetik suatu benda disebutenergi mekanik total. Ini tidak sama dengan energi total benda, yang merupakan jumlah dari semua bentuk energinya, termasuk panas, kimia, dan sebagainya.
Jenis energi potensial yang tersimpan dalam ikatan molekul adalah bentuk energi yang disebutbahan kimiaenergi. Energi yang tersimpan dalam ikatan atom atau ikatan nuklir disebutatomenergi ataunuklirenergi.
Energi kinetik yang ada pada tingkat molekul karena getaran dan gerakan molekul disebutpanasenergi ataupanasenergi. Saat Anda mengukur suhu, Anda mengukur jumlah rata-rata jenis energi ini.
Energi Potensial Mekanik Lebih Detail
Jenis energi potensial mekanik yang paling umum yang mungkin Anda pelajari meliputi:
- Energi potensial gravitasi:Energi yang tersimpan dalam suatu benda berdasarkan letaknya dalam medan gravitasi. Misalnya, bola yang diangkat tinggi di atas bumi memiliki energi potensial gravitasi. Ketika dirilis, itu akan jatuh sebagai hasilnya.
- Energi potensial listrik:Ini adalah energi yang tersimpan dalam benda bermuatan karena posisinya dalam medan listrik. Misalnya, elektron dalam suatu rangkaian akan diberkahi dengan sejumlah energi potensial listrik karena baterai. Ketika rangkaian terhubung, ini menyebabkan elektron mengalir.
- Energi potensial magnet:Ini adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda dengan momen magnet karena lokasinya di medan magnet. Pertimbangkan ketika Anda memegang dua magnet tombol di dekat satu sama lain dan Anda merasakannya menarik; ini karena energi potensial magnet.
- Energi potensial elastis:Ini adalah energi yang tersimpan dalam bahan elastis. Misalnya, karet gelang yang diregangkan telah menyimpan energi, seperti halnya pegas terkompresi. Ketika keduanya dilepaskan, mereka akan bergerak.
Energi Kinetik Mekanik Lebih Detail
Energi kinetik mekanik berbeda dari energi potensial dalam hal itu terkait dengan gerakan, dan itu datang hanya dalam satu variasi. Persamaan sederhana memberikan energi kinetik dari setiap benda bermassasayabergerak dengan kecepatanv. Itu adalah:
KE = \frac{1}{2}mv^2
Semakin cepat suatu benda bergerak atau semakin berat benda itu, semakin banyak energi kinetik yang dimilikinya.
Ketika sebuah benda yang memiliki energi potensial dilepaskan dan dibiarkan bergerak bebas, ia akan mulai mengalami percepatan. Akibatnya, energi kinetiknya meningkat. Pada saat yang sama, energi potensial berkurang. Secara bersih, energi mekanik total benda tetap konstan (dengan asumsi tidak ada gesekan atau gaya serupa yang bekerja), hanya saja energinya berubah bentuk.
Persamaan untuk Energi
Pada bagian terakhir, persamaan untuk energi kinetik mekanik diperkenalkan. Ada juga rumus untuk berbagai jenis energi potensial serta persamaan yang menggambarkan hubungan antara energi dan besaran fisika lainnya.
Energi potensial gravitasi massasayadi ketinggianhdi atas bumi adalah:
PE_{grav} = mgh
Dimanag= 9,8 m/s2 adalah percepatan gravitasi.
Energi potensial listrik suatu muatanqpada teganganVadalah secara sederhana:
PE_{elec} = qV
Itu energi potensial yang tersimpan dalam pegas diberikan oleh:
PE_{pegas} = \frac{1}{2}k\Delta x^2
Dimanakadalah konstanta musim semi (konstanta yang bergantung pada kekakuan pegas) danxadalah jumlah di mana pegas dikompresi atau diregangkan.
Perubahan energi termal (alias energi panas yang ditransfer) diberikan oleh persamaan berikut:
Q = mc\Delta T
DimanaQadalah energi,sayaadalah massa,cadalah kapasitas panas spesifik danTadalah perubahan suhu dalam satuan Kelvin.
Kuantitas fisik kerja (didefinisikan sebagai produk gaya dan perpindahan) memiliki satuan yang sama dengan energi (J atau Nm). Dua besaran, usaha dan energi kinetik, berhubungan melalui teorema usaha-energi kinetik, yang menyatakan kerja total pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetik benda.
Hukum Kekekalan Energi
Fakta mendasar dari alam adalah bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Ini dirangkum dalam hukum kekekalan energi. Hukum ini menyatakan bahwa energi total sistem terisolasi tetap konstan.
Sementara energi total tetap konstan, ia dapat dan sering berubah bentuk. Potensi bisa berubah menjadi kinetik, kinetik bisa berubah menjadi energi panas dan seterusnya. Tapi jumlah totalnya selalu tetap sama.
Penting untuk dicatat bahwa undang-undang ini menentukan sistem yang terisolasi. Sistem terisolasi adalah sistem yang sama sekali tidak dapat berinteraksi dengan lingkungannya. Satu-satunya sistem yang mungkin terisolasi secara sempurna di alam semesta adalah, yah, alam semesta itu sendiri. Namun, dimungkinkan untuk membuat banyak sistem di Bumi yang hampir terisolasi (seperti halnya memungkinkan untuk membuat gesekan dapat diabaikan, bahkan jika tidak pernah 0.)
Konversi energi dapat terjadi dalam banyak cara, biasanya dari energi tersimpan yang dilepaskan sebagai energi kinetik atau sebagai energi radiasi.
Energi kimia, misalnya, dapat dilepaskan selama reaksi kimia. Selama reaksi seperti itu berubah dari energi potensial kimia menjadi beberapa bentuk lain, yang mungkin termasuk energi radiasi atau energi panas.
Energi nuklir dilepaskan selama reaksi nuklir. Di sinilah Einstein terkenalE = mc2persamaan ikut bermain (energi sama dengan massa kali kecepatan cahaya kuadrat). Massa inti yang membelah untuk melepaskan energi pada akhirnya akan sedikit lebih ringan dengan jumlah yang ditentukan oleh rumus Einstein. Meski terdengar gila, massa itu sendiri dapat dianggap sebagai bentuk energi potensial.
Sumber Energi Listrik yang Dapat Digunakan di Bumi
Di Bumi, Anda mungkin sering menggunakan energi listrik. Setiap kali Anda menyalakan lampu di rumah Anda atau membaca sesuatu dari layar elektronik seperti Anda sekarang, Anda menggunakan energi listrik. Tapi dari mana energi ini berasal?
Jawaban yang jelas adalah baterai atau stopkontak, tetapi apa sumber utama yang sebenarnya?
Dalam hal baterai, energi sering disimpan secara kimiawi dalam sel baterai, tetapi banyak perangkat elektronik mengharuskan baterainya diisi ulang dengan menghubungkannya ke stopkontak.
Energi yang datang ke rumah Anda melalui saluran listrik berasal dari pembangkit listrik di suatu tempat. Pembangkit listrik memiliki banyak cara berbeda untuk memanen energi dan mengubahnya menjadi energi listrik.
Beberapa sumber energi umum yang dipanen oleh pembangkit listrik dan diubah menjadi listrik meliputi:
- Energi matahari:Ini adalah energi radiasi yang berasal dari matahari dan dapat ditangkap oleh sel surya.
- Energi panas bumi:Ini adalah energi panas yang ditemukan jauh di dalam tanah yang kemudian dapat ditransfer ke permukaan bumi untuk digunakan.
- Bahan bakar fosil:Ini termasuk batu bara dan minyak, yang sering dibakar untuk melepaskan energi yang tersimpan dalam ikatan kimia.
- Energi nuklir:Pembangkit listrik tenaga nuklir menghasilkan energi dengan memecah inti atom dan memanfaatkan energi yang tersimpan dalam ikatan nuklir.
- Energi hidroelektrik:Ini adalah energi yang berasal dari energi potensial gravitasi serta energi kinetik dalam air yang mengalir.
- Energi angin:Untuk memanen energi angin, digunakan turbin raksasa. Angin memutar turbin, mentransfer energinya ke turbin.
Energi dalam Tubuh Manusia
Ingat kembali di awal artikel ini di mana ungkapan, "Saya tidak punya energi hari ini," dan, "Anak-anak itu perlu membakar energi" disebutkan? Manusia menggunakan energi sepanjang waktu, dan tidak hanya dari perangkat elektronik mereka. Baik gerakan besar tubuh Anda maupun proses kecil di dalam tubuh Anda membutuhkan energi.
Dibutuhkan energi untuk berlari, mendaki, berenang atau bahkan hanya menyikat gigi. Ingat energi kinetik? Ketika Anda bergerak, Anda melakukannya melalui energi kinetik. Energi itu harus datang dari suatu tempat.
Banyak proses tak kasat mata yang berlangsung di dalam tubuh Anda juga membutuhkan energi, seperti bernapas, mengedarkan darah, mencerna, dan sebagainya.
Dari mana manusia mendapatkan energinya? Makanan, tentu saja! Makanan yang Anda makan telah menyimpan energi kimia di dalamnya. Ketika makanan itu masuk ke perut Anda, asam lambung Anda memecah makanan, dan tentu saja molekul dari makanan menuju ke semua tempat berbeda di tubuh Anda yang mungkin membutuhkan might energi. Kemudian, ketika kebutuhan muncul, energi diperoleh melalui reaksi kimia kecil.
Sekarang, jika Anda tidak makan sepanjang hari dan banyak berlari, Anda menghabiskan banyak energi dan akan merasa “terkuras” sampai Anda makan dan memenuhi kebutuhan tubuh Anda lebih banyak.
