Energi dan Usaha - IPA kelas VIII

Energi dan Usaha

Dalam kegiatan dan pekerjaan sehari-hari kita tidak dapat lepas dari kebutuhan energi untuk melakukan usaha. Dalam kegiatan berjalan, berolahraga, belajar dan bermain membutuhkan energi.

A.   Energi.

Energi berasal dari bahasa Yunani “energia” yang berarti kegiatan atau aktivitas. Kata tersebut terdiri dari en (dalam) dan ergon (kerja). Jadi, energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha / kerja. Dalam satuan SI energi dinyatakan dalam joule (J). Satuan energi lainnya adalah kalori (kal). James Prescott Joule menunjukkan hubungan anatar kalori dengan joule, sebagai berikut:

                        1 kalori ≈ 4,18 joule atau 1 joule ≈ 0,24 kalori

1.   Bentuk-bentuk Energi.

Bentuk-bentuk energi sangat beragam, di antaranya sebagai berikut:

    a.   Energi Kimia.

Dalam kehidupan sehari-hari sumber energi kimia antara lain; makanan, bahan bakar minyak, kayu bakar, dan aki (battery). Energi kimia yang tersimpan dalam makanan digunakan untuk memberikan energi otot sehingga kita bisa melakukan kerja. Energi kimia dalam bahan bakar digunakan untuk memasak maupun untuk menggerakkan kendaraan bermesin. Sehingga, energi kimia adalah energi yang tersimpan dalam senyawa-senyawa kimia.

    b.   Energi Potensial.

Energi Potensial adalah energi yang dimiliki benda karena letaknya atau kedudukannya. Semua benda yang berada di atas permukaan bumi memiliki energi potensial karena adanya gravitasi bumi. Contoh, air terjun, penerjun payung, dsb.

    c.   Energi Kinetik.

Sebuah bola yang bergerak karena ditendang dan kemudian mengenai kaca, maka dapat menyebabkan kaca tersebut pecah. Hal ini karena bola tersebut memiliki energi kinetik. Jadi, energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak.

    d.   Energi Listrik.

Energi listrik  timbul dari perpindahan muatan-muatan listrik. Listrik merupakan salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan. Misalnya; listrik untuk peralatan rumah tangga.

    e.   Energi Kalor.

Energi kalor merupakan energi yang dapat mempengaruhi suhu, volume dan wujud benda. Salah satu perubahan energi yang sering kita jumpai adalah perubahan dari energi listrik menjadi energi kalor. Misalnya; pada setrika listrik, solder listrik, alat pegering rambut (hair dryer), kompor listrik, dsb.

    f.    Energi Cahaya.

Tanpa adannya cahaya dari lampu, kita tidak dapat melihat apapun pada malam hari atau pada ruangan yang gelap. Kita dapat melihat benda jika ada cahaya yang dipantulkan oleh benda tersebut. Begitu juga, bahwa tumbuhan membutuhkan energi cahaya (baik cahaya matahari atau cahaya lampu) untuk dapat melakukan proses fotosisntesis.

    g.   Energi Otot.

Energi otot adalah energi yang dihasilkan oleh otot tubuh. Energi yang dibentuk dari makanan, air dan oksigen. Manusia dan hewan bisa menggerakkan organ tubuhnya karena memiliki energi otot.

    h.   Energi Bunyi.

Energi bunyi adalah energi yang dihasilkan oleh getaran benda. Contoh, bunyi bel listrik, bunyi / suara orang berbicara, bunyi alat musik, dsb. Bunyi tersebut dapat terdengar karena getaran gelombang dari sumber bunyi dapat menggetarkan gendang telinga. Pada beberapa kondisi, bahkan bunyi yang keras dapat memecahkan kaca jendela atau bahkan gendang telinga.

i.     Energi Nuklir.

Energi nuklir terjadi karena adanya reaksi fisi dan reaksi fusi dalam atom dari unsur raidoaktif seperti uranium. Energi nuklir dapat dimanfatakan untuk sumber energi pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir.

    j.    Energi Biogas.

Energi biogas adalah energi yang memanfaatkan gas metana dari kotiran ternak seperti sapi, kerbau, dan kambing. Gas metana dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar gas, misalnya untuk penerangan yang belum terjangkau PLN dan untuk bahan bakar memasak pengganti gas elpiji (LPG).

2.   Perubahan Bentuk Energi.

Dalam kehidupan sehari-hari banyak terjadi perubahan energi.

Berikut ini contohnya:

     *             Energi listrik untuk menyetrika, terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kalor

    *         Energi listrik untuk menyalakan lampu, terjadi perubahan energi listrik menjadi energi cahaya dan energi kalor.

    *         Energi listrik untuk menghidupkan radio, terjadi perubahan energi listrik menjadi energi radio.

    *         Energi listrik untuk menghidupkan kipas angin, terjadi perubahan energi lintrik menjadi energi kinetik.

3.   Energi Kinetik dan Energi Potensial.

Dalam mekanika, bentuk energi dibedakan menjadi dua, yaitu energi kinetik dan energi potensial.

    a.   Energi Kinetik.

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda yang bergerak.

Energi (E) yang dimiliki benda sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya yang bekerja pada benda itu untuk mengubah benda dari keadaan diam menjadi keadaan bergerak.

Perumpamaan atlet papan loncat.

    b.   Energi Potensial.

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena letak atau kedudukannya.

Energi potensial dapat berubah menjadi energi kinetik. Usaha yang diperlukan untuk membawa benda ke ketinggian h adalah sebanding dengan berat benda dan ketinggiannya.

Berdasarkan pelajaran terdahulu, sebuah benda bermassa m dan berada di suatu tempat dengan percepatan gravitasi g, memiliki berat sebesar W = m x g. Sehingga usaha dapat dirumuskan:

                                        W = m x g x h

Usaha tersebut sama nilainya dengan energi potensial, sehingga besarnya energi potensial gravitasi dinyatakan dengan rumus:

                                        Ep = m x g x h

dengan:

Ep = energi potensial (joule)

m  = massa benda (kg)

g   = percepatan gravitasi (m/s²)

h   = ketinggian (m)

4.   Sumber-sumber Energi.

Sumber energi ada 2 macam, yaitu sumber energi yang tidak dapat diperbaharui dan sumber energi yang dapat diperbaharui.

a.   Sumber Energi yang Tida Dapat Diperbaharui.

Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui adalah sumber energi yang persediaannya terbatasdi alam ini dan suatu saat akan habis apabila terus-menerus dipakai, contohnya Bahan Bakar Minyak Bumi (BBM), batu bara dan gas alam. BBM umumnya digunakan untuk kendaraan bermotor, mesin-mesin pabrik, dan lain-lain. Batu bara merupakan sumber energi yang ada di alam dan harganya relatif murah. Oleh karena itu umumnya batu bara digunakan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Gas alam digunakan untuk rumah tangga dan industri sebagai pengganti BBM. Sumber-sumber energi ini berasal dari fosil hewan dan tumbuhan yang terbentuk setelah terkubur selama milyaran tahun.

b.   Sumber Energi Yang Dapat Diperbaharui.

Sumber energi yang dapat diperbaharui adalah sumber energi dengan jumlah tak terbatas di alam. Para ahli berusaha mencari pemanfaatan energi-energi itu agar mudah digunakan sebagai energi alternatif selain energi fosil. Sumber energi ini di antaranya adalah energi angin, air, matahari, dan pasang-surut air laut.

Energi angin dimanfaatkan dari hal sederhana sampai untuk keperluan besar. Energi angin banyak dimanfaatkan untuk menggerakkan pompa air, menggiling biji-bijian dan pembangkit tenaga listrik dengan kincir angin mampu menggerakkan generator. Energi air dimanfaatkan untuk pembangkit listrik tenaga air. Aliran air dengan kecepatan tinggi dari bendungan mampu menggrakkan turbin dan dihubungkan ke generator sehingga mampu menghasilak energi listrik. Energi matahari adalah energi yang memiliki banyak manfaat. Misalnya untuk menghasilkan listrik dengan alat yang disebut sel surya. Sek surya memanfaatkan energi cahaya matahari untuk diubah menjadi energi listrik.

5.   Hukum Kekekalan Energi.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa “ energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah bentuk, dari suatu bentuk ke bentuk yang lain”.

Sebagai contoh adalah aliran energi dari matahari à tumbuhan à hewan à manusia. Jumlah energi seluruhnya selalu konstan meskipun terjadi perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

Hukum kekekalan energi juga berlaku pada energi mekanik. Energi mekanik terdiri dari energi kinetik dan energi potensial. Energi mekanik merupakan penjumlahan antar energi mekanik dan energi potensial. Secara matematis ditulis:

                                Em = Ek + Ep

dengan:

EM = energi mekanik (joule)

Ek = energi kinetik (joule)

Ep = energi potensial (joule)

B.   Usaha.

Usaha berkaitan erat dengan energi. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha / kerja. Dalam fisika, benda dikatakan melakukan usaha jika terdapat  gaya yang dilakukan pada sebuah benda lain yang menyebabkan benda lain tersebut berpindah posisi. Jika gaya yang bekerja tidak menyebabkan perpindahan tempat, maka dikatakan benda itu tidak melakukan usaha. Sebagaimana bila seseorang mendorong mobil mogok.

Usaha merupakan hasil kali antara perpindahan dengan komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan.

Usaha terjadi bila gaya yang bekerja pada suatu benda mengakibatkan benda itu berpindah tempat.

Kesimpulan:

-      Benda melakukan usaha atau kerja pada benda lain bila gaya yang dikerjakannya mengakibatkan terjadi perpindahan pada benda lain yang dikenai gaya tersebut.

-      Usaha dikatakan nol bila gaya yang bekerja pada suatu benda tidak mengakibatkan perpindahan pada benda tersebut.

Berdasarkan pengertian usaha, bila pada suatu benda bekerja gaya (F) sehingga benda tersebut berpindah tempat sejauh (s), maka besarnya usaha merupakan hasil kali antara gaya dan perpindahan.

                                        W = F x s

dengan:

W = usaha (Joule)

F = gaya (Newton)

s = perpindahan (meter)

1 Joule adalah usaha yang dilakukan oleh gaya 1 Newton untuk memindahkan benda sejauh 1 meter dengan arah yang sama dengan arah gaya.

                                1 Joule = 1 Newton x 1 meter

C.   Hubungan antara Daya dan Usaha.

Daya adalah laju suatu benda dalam melakukan suatu usaha, atau besarnya usaha yang dilakukan gaya dalam satu detik.

                                       

P = data (Watt)

W = usaha (yang dilakukan (Joule)

t­  = waktu yang diperlukan (sekon / detik)

Satuan daya dalam SI adalah  joule per sekon atau watt.

Satuan daya yang lain; kilo watt, mega watt, dan daya kuda.

1 kilo watt (kW) = 1.000 watt = 10³ watt

1 mega watt = 1.000.000 watt = 10⁶ watt

1 daya kuda atau horse power (hp) atau paar krach (pk), di mana

                        1 dk = 1 hp = 1 pk = 746 watt

Sebagai contoh; lampu 20 watt lebih terang dibanding lampu 5 watt, karena lampu 20 watt mengeluarkan / mengeluarkan energi lebih banyak dibanding lampu 5 watt dalam waktu yang sama.