Konsep Hukum Kekekalan Energi Serta Usaha dan Daya

KONSEP HUKUM KEKEKALAN ENERGI SERTA USAHA DAN DAYA

 

                                                                                                            Penulis : Agus, S.Pd

 

        Apa sih kekal itu? Jika melihat dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia (KBBI), kata “kekal” itu dapat bermakna abadi alias tidak berubah. Kekekalan ini juga dapat menjadi bagian dari materi Fisika, tepatnya pada Hukum Kekekalan Energi. Grameds pasti sudah tahu dong apa saja energi yang ada di muka bumi ini? Ada energi kinetik, energi potensial, energi panas, energi mekanik, dan masih banyak lagi.

Nah, jika ditelaah berdasarkan Hukum Kekekalan Energi ini, dapat berarti energi tersebut dapat kekal sepanjang waktu, dengan bernilai sama baik sebelum terjadi sesuatu maupun sesudahnya. Lalu, apa sih Hukum Kekekalan Energi dari segi Fisika itu? Apa saja jenis dari Hukum Kekekalan Energi yang ada di muka bumi ini? Siapa penemu Hukum Kekekalan Energi ini sehingga dapat diterapkan oleh teknologi di zaman sekarang ini? Supaya Grameds memahami akan hal-hal tersebut, yuk simak ulasan berikut ini!

Pengertian Hukum Kekekalan Energi

Pada dasarnya, hukum kekekalan energi ini adalah salah satu hukum Fisika yang menyatakan bahwa energi itu kekal alias abadi sehingga tidak dapat berubah sepanjang waktu, dan memiliki nilai yang sama baik sebelum terjadi sesuatu maupun sesudahnya. Nah, keberadaan energi tersebut dapat juga diubah bentuknya dengan besaran yang akan selalu sama. Dalam hukum kekekalan energi ini, energi yang dimaksud adalah energi kinetik, energi potensial, energi mekanik, dan lainnya.

Hukum kekekalan energi ini ditemukan oleh seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris, James Prescott Joule, yang berbunyi: “energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, namun dapat berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya….”. Maksudnya, suatu energi yang terlibat dalam proses kimia dan fisika dapat mengalami perpindahan atau perubahan bentuk. Contoh: energi radiasi dapat diubah menjadi energi panas, energi potensial dapat diubah menjadi energi listrik, energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik.

Selain kekal alias abadi, keberadaan energi itu mempunyai beberapa sifat, yakni:

·         Transformasi energi, maksudnya energi tersebut dapat diubah menjadi bentuk yang lain.

·         Transfer energi, maksudnya energi panas dapat dipindah dari material satu ke material lainnya.

·         Energi dapat berpindah ke benda lain, terutama melalui suatu gaya yang menyebabkan pergeseran, itulah yang disebut dengan energi mekanik.

·         Energi itu kekal alias abadi, tetapi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.

 

 

 

 

Rumus Hukum Kekekalan Energi

Sama halnya dengan hukum-hukum fisika lainnya, dalam Hukum Kekekalan Energi juga memiliki rumus tersendiri, yakni:

 

                                 Em₁  = Em₂

Ek₁ + Ep₁ = Ek₂ + Ep₂

Keterangan:

Em1 = energi mekanik awal (J)

Em2 = energi mekanik akhir (J)

Ek1 = energi kinetik awal (J)

Ek2 = energi kinetik akhir (J)

Ep1 = energi potensial awal (J)

Ep2 = energi potensial akhir (J)

 

Contoh Soal 1

Ummi memukul penghapus pada arah vertical keatas, setelah dipukul penghapus tersebut melaju dengan kecepatan 20 m/s , jika gaya grafitasi bumi 10 m/s² maka ketinggian penghapus yang dapat di tempuh adalah …..

Jenis Hukum Kekekalan Energi

Sedari tadi, kita selalu membahas mengenai energi, memangnya apa sih energi itu? Menurut Harjono (2007), energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Sebuah benda akan dikatakan memiliki energi apabila benda tersebut memang menghasilkan gaya yang dapat melakukannya kerja. Sementara menurut Purwanti (2005), suatu benda dapat dikatakan memiliki sebuah energi apabila benda tersebut dapat menghasilkan sesuatu (melalui gaya) yang dapat melakukan kerja.

Dalam Satuan Internasional (SI), besaran energi itu dinyatakan dalam satuan Joule (J). Satu joule itu sama dengan 1 Newton Meter (1 J= 1 Nm). Nah, dalam Hukum Kekekalan Energi ini ada beberapa jenisnya, yakni:

1. Energi Kinetik

Sebuah benda yang bergerak itu cenderung memiliki kemampuan untuk melakukan sebuah usaha, jika demikian maka benda tersebut dapat dikatakan memiliki energi. Energi pada benda-benda yang bergerak itulah yang disebut dengan energi kinetik. Misal: sebuah batu yang dilempar mampu memecahkan kaca.

Untuk menghitung adanya energi kinetik yang terdapat di suatu benda, dapat diperoleh dengan menghubungkan persamaan GLB (Gerak Lurus Beraturan) dengan persamaan  GLBB (Gerak Lurus Berubah Beraturan) untuk kecepatan awal (v₀) = 0 m/s.  Energi kinetik ini dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

Ek = ½ mv²

Keterangan:

m = Massa benda (kg)

v = Kecepatan benda (m/s)

Ek = Energi kinetik (Joule)

 

2. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena letak atau kedudukannya dari acuan tertentu. Maksudnya, energi potensial ini merupakan energi yang memang dihasilkan oleh gaya-gaya yang bergantung pada posisi sebuah benda terhadap lingkungannya. Salah satu energi potensial yang paling umum ditemui dalam kehidupan sehari-hari ini adalah energi potensial gravitasi.

Apakah energi potensial gravitasi itu? Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena ketinggiannya terhadap suatu acuan bidang tertentu. Semakin tinggi kedudukan suatu benda dari bidang acuannya, maka akan semakin besar pula energi potensial gravitasi yang dimilikinya. Contoh: buah kelapa yang ada di pohon memiliki energi potensial gravitasi, yang mana jika jatuh dan mengenai genteng maka dapat menghasilkan usaha yang berupa pecahnya genteng tersebut.

Secara matematis, energi potensial ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

Ep = mgh

Dimana :

Ep = Energi Potensial

m  = Massa menda (kg)

g   = grafitasi bumi (m/s²)

h   = ketinggian benda (m)

 

3. Energi Mekanik

Pada sifat energi yang telah dijelaskan sebelumnya, terdapat salah satu sifat yang menyatakan bahwa energi itu tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan. Namun, energi tersebut dapat berubah dari energi satu ke energi yang lainnya. Nah, energi yang dapat berpindah ke benda lain, terutama melalui suatu gaya yang menyebabkan pergeseran itulah yang disebut dengan energi mekanik.

Pada hukum kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa “jumlah energi potensial dan energi kinetik di titik manapun dalam medan gravitasi yang selalu sama…”. Selain itu, pada hukum kekekalan energi mekanik juga akan berlaku apabila kita mengabaikan gesekan atau gaya-gaya non-konservatif lainnya, atau jika hanya gaya-gaya konservatif saja yang bekerja pada sebuah benda. Biasanya, energi mekanik akan dikaitkan dengan penjumlahan antara energi potensial dengan energi kinetik, sehingga menghasilkan persamaan rumus berupa:

Perlu diketahui bahwa gaya konservatif ini adalah gaya yang dapat menghasilkan perubahan dua arah, yaitu antara energi kinetik dan energi potensial. Contoh dari gaya konservatif yakni gaya gravitasi dan gaya pegas. Nah, apabila hanya gaya-gaya konservatif saja yang bekerja pada sebuah benda, maka energi mekanik secara total tidak akan berkurang maupun bertambah (dalam hal ini berarti energi mekanik total akan konstan).

Jika energi kinetik bertambah, maka energi potensial harus berkurang dengan besaran yang sama supaya dapat mengimbanginya. Dengan demikian, total energi potensial ditambah energi kinetik, maka hasilnya akan tetap konstan. Itulah yang disebut dengan prinsip kekekalan energi mekanik untuk gaya-gaya konservatif.

Contoh Penerapan Hukum Kekekalan Energi

Keberadaan hukum kekekalan energi ini tidak semata-mata hanya rumus belaka saja, tetapi juga dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Bahkan tanpa kalian sadari, teknologi-teknologi yang ada di sekitar kita ini juga merupakan penerapan dari hukum kekekalan energi lho… Nah berikut beberapa contohnya.

1. Alat Musik

Apakah Grameds tahu jika ketika kita tengah memainkan alat musik itu ternyata wujud dari hukum kekekalan energi? Yap, misalnya saat menggunakan alat musik gitar dengan cara dipetik, itu ternyata kita tengah menerapkan energi kinetik dari otot tangan, yang kemudian diubah oleh gitar tersebut menjadi energi bunyi.

Banyak alat musik yang menerapkan hukum kekekalan energi, terutama energi kinetik ini, yakni ada drum, piano, biola, hingga harpa.

2. Mesin Pemanas

Mesin pemanas itu ada beragam jenisnya, mulai dari teko pemanas air, solder, setrika, water-heater, pemanggang roti, hingga mesin penghangat ruangan, yang ternyata sama-sama menerapkan hukum kekekalan energi ini. Berbeda dengan alat musik yang menggunakan energi kinetik, pada mesin-mesin pemanas ini justru cenderung menggunakan energi potensial, khususnya energi potensial listrik.

Energi potensial listrik tersebut nantinya diubah oleh elemen pemanas dari mesin sehingga dapat menjadi energi pemanas.

3. Kendaraan Bermotor

Pada dasarnya, memang semua kendaraan bermotor yang ada di kehidupan kita ini, mulai dari mobil, motor, truk, dan lainnya itu menggunakan bahan bakar fosil. Nah dalam hal ini, energi yang digunakan adalah energi potensial kimia yang berasal dari bahan bakar fosil itu tadi, diubahlah oleh mesin kendaraan menjadi energi kinetik sehingga dapat menggerakkan kendaraan. Maka dari itu, tanpa adanya energi potensial kimia yang berasal dari bahan bakar fosil, kendaraan bermotor tidak akan dapat melaju.

4. Pembangkit Listrik Tenaga Air

Dari adanya gaya gravitasi di muka bumi ini, air akan selalu mengalir dari tempat tinggi menuju ke tempat yang lebih rendah. Posisi air yang lebih tinggi itulah yang menyebabkan energi potensial menjadi lebih besar. Melalui hal tersebut, maka pembangkit listrik memanfaatkan energi potensial air terutama untuk memutar turbin generator listrik. Nantinya, energi potensial air akan berubah menjadi energi kinetik yang mampu memutar turbin dan menghasilkan energi listrik.

Mengenal Penemu Hukum Kekekalan Energi

 

James Prescott Joule

Eksistensi hukum kekekalan energi yang ternyata dapat diterapkan dalam teknologi saat ini, jelas memberikan beragam manfaat terhadap kehidupan manusia sehari-hari. Semua hal tersebut tak lepas dari pemikiran James Prescott Joule selaku penemu hukum kekekalan energi. James Prescott Joule lahir pada 24 Desember 1818 dan wafat pada 11 Oktober 1889 yang merupakan seorang ilmuwan fisika berkebangsaan Inggris. Dalam hal hukum kekekalan energi ini, Beliau menyatakan bahwa “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan”. Atas jasanya tersebut, bahkan satuan energi diberi nama Joule sesuai dengan nama Beliau.

James Prescott Joule merupakan putra kedua dari lima saudara. Ayahnya, Benjamin Joule, adalah seorang pengusaha pembuatan bir. Maka dari itu, James dapat disebut sebagai anak yang kaya, tetapi sayangnya, sejak kecil Beliau tidak dapat bersekolah seperti anak-anak lain pada umumnya karena menderita penyakit kelainan tulang belakang. Berhubung Beliau tidak sekolah, maka sang Ayah pun mencarikan guru privat untuk mengajari James di sekolah. Selain itu, James juga menjadi sosok yang pendiam dan pemalu.

Sebagai anak pengusaha kaya, maka James dapat melakukan apapun yang disukainya, salah satunya adalah membaca buku. Memang sejak kecil, James telah tertarik dengan listrik yang bahkan dirinya kerap melakukan percobaan untuk mengalirkan arus listrik ke tubuh manusia! Meskipun dalam kapasitas yang kecil.

Benjamin Joule selaku ayahnya, memperhatikan bahwa anak keduanya sangat menyukai sains, sehingga pada usia ke-16 tahun, James dikirim ke Universitas Manchester. Di sana, dirinya mengikuti beberapa pelatihan sains oleh John Dalton. Nah, sekembalinya dari pelatihan sains, Ayahnya lagi-lagi membangunkan laboratorium pribadi untuk James di bawah tanah. Hal tersebut dilakukan supaya James dapat dengan bebas melakukan eksperimen untuk menemukan hubungan antara energi panas dan energi listrik.

Pada tahun 1840, James berhasil menerbitkan sebuah karya ilmiah mengenai panas yang dihasilkan oleh arus listrik. Lalu pada tahun 1843, James kembali menerbitkan kelanjutan karya ilmiahnya tentang bagaimana mengubah kerja menjadi panas. Ia melakukan eksperimen menggunakan roda berpedal. Akhirnya, James merumuskan konsep fisika mengenai kesetaraan energi mekanik dan energi panas.

Empat tahun kemudian, James berhasil merumuskan hukum kekekalan energi yang menjadi hukum pertama dari hukum termodinamika. Hukum itu menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya.

Lantas pada tahun 1847 James bertemu dengan Lord Kelvin atau William Thomson di acara diskusi sains. Lord Kelvin tertarik dengan penemuan-penemuan James dan karya-karya ilmiah yang pernah dipublikasikan. Ia pun mengajak James untuk bekerja sama. Dari kerjasama tersebut, lahirlah suatu konsep fisika yang disebut Efek Joule-Thomson. Efek Joule-Thomson ini berkembang menjadi ilmu yang mempelajari tentang sifat materi pada suhu sangat rendah. Ilmu itu disebut dengan Kriogenik

 

KONSEP USAHA DAN DAYA

Dalam istilah fisika terdapat istilah usaha dan daya, tahukah kamu apa pengertian dari keduanya? Untuk mengetahui pengertian dan contoh dari usaha juga daya dalam kehidupan sehari-hari, yuk kita simak penjelasannya di bawah ini!

Definisi Usaha, Usaha adalah jumlah energi yang digunakan untuk menggerakkan suatu benda, dalam fisika usaha adalah penerapan kekuataan gaya (F) untuk memindahkan suatu benda sejauh suatu jarak (s). Sehingga usaha dapat dirumuskan dalam persamaan:

W = F.s

Keterangan:

W = usaha (joule)

F = gaya (newton)

s = jarak perpindahan (meter)

 

Contoh usaha adalah saat kita memindahkan benda menggunakan gaya. Misalnya mendorong troli belanjaan, mengangkat kardus, membuka pintu, membuka palang jalan, menggeser lemari, dengan menggunakan tenaga manusia maupun alat.

Pengertian, Rumus, dan Penerapannya Gaya juga terjadi saat kita mencoba menghentikan suatu benda. Misalnya menghentikan bola yang menggelinding, ataupun Superman yang menghentikan kereta yang keluar jalur. Sehingga usaha dapat diartikan sebagai energi yang ditransfer, inilah mengapa usaha memiliki satuan energi yaitu joule.

Definisi Daya dalam bahasa Inggris daya dinyatakan dalam istilah “power” yang berarti  kekuatan, daya adalah perpindahan energi atau kecepatan dalam melakukan suatu usaha.

Daya dalam ilmu fisika adalah besar usaha yang dilakukan persatuan waktu. Daya dalam ilmu fisika memiliki satuan watt (W) yang diambil dari nama penemunya yaitu seorang industrialis asal Skotlandia bernama James Watt. satu watt sama dengan satu joule usaha yang dilakukan perdetik, sehingga daya dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut:

P = W : t

Keterangan:

P = daya (watt)

W = usaha (joule)

t = waktu (sekon)

 

Dalam persamaan tersebut dapat terlihat bahwa daya adalah seberapa cepat sebuah usaha dilakukan. Daya sering terlihat pada perangkat listrik untuk menyimbolkan besar energi yang ditransfer (usaha) atau yang dikonsumsi perdetiknya.

Pengertian, Fungsi, Rumus dan Simbolnya Jika usaha adalah perpindahan besar energi dikali dengan jarak, maka didapat persamaan

P = F.  s/t

P = F . v

sehingga daya juga dapat dinyatakan dengan perkalian gaya (F) dengan kecepatan (V) suatu benda.

Pernahkah kalian  mendengar kalimat “mobil tersebut setara dengan 100 tenaga kuda”? istilah tenaga kuda tersebut mengacu pada daya. Satu tenaga kuda atau 1 hp (horsepower) adalah daya sebesar 735,5 watt. Satu tenaga kuda berarti besar usaha yang diberikan untuk memindahkan benda seberat 75 kilogram sejauh satu meter dalam waktu satu detik.