Energi Dalam Sistem Kehidupan

Energi Dalam Sistem Kehidupan

Indikator Pencapaian Kompetensi:

1. Menjelaskan konsep energi

2. Menjelaskan konsep energi potensial

3. Menganalisis energi potensial suatu benda

4. Menjelaskan konsep energi kinetik

5. Menganalisis energi kinetik suatu benda

6. Menganalisis perubahan bentuk energi dalam kehidupan sehari-hari

          Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja.

Satuan untuk energi adalah joule (SI). Beberapa satuan lainnya yang dapat dikonversikan ke dalam satuan joule antara lain: erg, kalori (kal), elektronvolt (eV), dan kWh. Konversinya sebagai berikut.

1 joule   = 107 erg;                               1 kkal  = 4,2  x  103 joule

1 MeV   = 1,6  x 10-13 joule                  1 joule   = 2,78 x  10-7 kWh

a.         Energi Potensial

Energi potensial merupakan energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya atau kondisinya. Disebut juga energi posisi, karena energi ini  dihasilkan dari posisi relatif sebuah benda dalam sebuah sistem.

Energi potensial memiliki beberapa bentuk di antaranya: energi potensial gravitasi, energi potensial pegas, energi potensial listrik, dan lain-lain.

1)         Energi potensial gravitasi

Ep  = m g h:

m = massa benda                             (kg)

g  = percepatan gravitasi                  (m/s2)

h  = ketinggian benda                       (m)

2)         Energi potensial elastis

. Energi yang tersimpan dalam tali busur yang meregang disebut energi potensial elastis. Energi potensial elastis ini dimiliki oleh benda-benda elastis, seperti karet, bola karet, pegas, dan lain-lain.Jika tarikan pada pegas ini tidak melewati daerah elastisitasnya, maka pegas tersebut dapat kembali ke keadaan semula.

Ep = ½ k ∆x2                                                                                                                                                                       

Ep    = energi potensial pegas (joule)

k      = konstanta pegas (N/m)

Dx  = perubahan panjang pegas (m)

b.        Energi Kinetik

Ketika sebuah mangga jatuh dari batangnya, mangga ini memiliki kemampuan untuk usaha/kerja. Karena mangga ini bergerak, maka mangga ini melakukan kerja ketika menyentuh tanah. Energi yang dimiliki oleh suatu benda ketika bergerak dinamakan energi kinetik.

Energi kinetik suatu benda bergantung kepada massa dan kelajuan benda tersebut. Secara matematis energi kinetik dirumuskan sebagai

Ek = ½ m v2

Ek = energi kinetik (joule)

m = massa benda (kg)

v = kecepatan benda (m/s)

c.         Bentuk Energi Lainnya dalam Kehidupan

Sebuah mangga memiliki energi potensial ketika tergantung pada batang pohonnya di atas permukaan tanah; dan memiliki energi kinetik dan energi potensial ketika mangga tersebut bergerak jatuh. Jumlah dari energi kinetik dan energi potensial di dalam sebuah sistem dinamakan energi mekanik.

Buah mangga dapat juga memberikan energi ketika mangga itu dimakan. Hampir di dalam semua sistem terdapat bentuk energi yang tersembunyi. Energi tersebut berhubungan dengan gerak dan pengaturan atom yang menyusun benda tersebut di dalam sistem.

Energi yang terdapat pada tataran atom dan tidak berakibat pada gerak pada skala besar seringkali dinamakan energi nonmekanik. Berbagai bentuk energi  di dalam sistem seringkali merupakan bentuk khusus dari energi kinetik ataupun energi potensial.

1)         Energi Panas (Kalor)

Rata-rata energi kinetik partikel-partikel di dalam sebuah benda bertambah ketika benda-benda tersebut menjadi lebih panas, dan berkurang ketika suhunya menurun.

2)         Energi Kimia

Pembentukan dan pemutusan ikatan kimia melibatkan perubahan energi. Jumlah energi kimia ini bergantung pada  posisi relatif atom yang terkandung di dalamnya.

Karena energi kimia bergantung pada posisi atom tersebut, maka hal ini termasuk energi potensial. Reaksi kimia yang melepaskan energi menyebabkan menurunnya energi potensial di antara zat kimia tersebut. Misalnya pada batang korek api yang dapat melepaskan energi dalam bentuk cahaya dan semburan gas panas (api).

Reaksi yang melepaskan energi dinamakan reaksi eksotermis. Setelah reaksi eksotermis, temperatur di sekeliling menjadi naik, karena energi dilepaskan. Reaksi kimia yang menyerap energi dinamakan reaksi endotermis. Energi diperlukan untuk memutus ikatan kimia pada zat yang bereaksi. Energi ini diambil dari lingkungan sekitarnya.

3)         Energi Nuklir

Energi matahari berasal dari reaksi nuklir, tepatnya karena reaksi fusi nuklir atau disebut juga reaksi termonuklir. Penemuan energi nuklir ini telah melalui beberapa penyelidikan.

Pada tahun 1905, Albert Einstein mempublikasikan Teori Relativitas.  Menurut Einstein, massa merupakan bentuk lain dari energi – berkurangnya massa dalam suatu sistem akan diiringi dengan meningkatnya energi. Kesetaraan antara massa dan energi ini dirumuskan sebagai:

E = mc2

E = energi yang dilepaskan (joule)

m = massa yang hilang (kg)

c = kelajuan cahaya (m/s)

Pada tahun 1932 Cockcroft dan Walton, dengan menggunakan akselerator menembak lithium dengan menggunakan proton dan menghasilkan dua  buah partikel alpha untuk setiap satu proton.

1H + 7Li → 4He + 4He

1               3                 2                   2

Ternyata massa dua partikel alpha lebih kecil daripada jumlah massa proton dan massa inti litium. Didapatkan bahwa energi kinetik kedua partikel alpha jauh lebih besar daripada energi kinetik awal proton. Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa energi ekstra yang dimiliki oleh partikel alpha tepat sebanding dengan massa yang hilang, hal ini sesuai dengan persamaan energi dari Einstein.

4)         Energi Listrik

Lampu dan alat-alat listrik lainnya yang ada di rumah dihidupkan oleh bentuk lain energi yaitu listrik. Listrik dihasilkan oleh partikel bermuatan yang mengalir di dalam suatu kawat penghantar atau benda-benda konduktor.

5)         Energi Cahaya

Energi cahaya matahari berjalan dari matahari menuju Bumi melewati ruang angkasa yang kosong dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

                                       Perubahan Bentuk Energi

Ketika sebuah batu jatuh dari suatu ketinggian, batu tersebut memiliki energi.  Jika batu tersebut jatuh ke tanah, energi ini akan diubah menjadi energi panas (dapat teramati pada tanah yang menjadi hangat ketika terkena batu) dan energi bunyi. Jika jumlah energi tersebut dihitung, jumlah total energi tersebut adalah sama. Energi gerak yang dimiliki batu yang jatuh akan sama dengan energi bunyi ditambah energi kalor. Jadi, energi tidak pernah hilang, tetapi diubah ke dalam bentuk energi lain.

Hampir seluruh energi yang dimiliki mobil roller coaster adalah energi potensial ketika mobil terletak di puncak paling tinggi lintasannya. Energi ini kemudian secara bertahap berubah menjadi energi kinetik seiring mobil dipercepat turun. Pada bagian lembah paling bawah, mobil memiliki energi kinetik maksimum dan energi potensial yang minimum.

Besarnya energi mekanik yang dimiliki oleh suatu benda pada setiap perubahan posisi selalu tetap. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi. Artinya jika pada suatu posisi energi potensial yang dimiliki benda maksimal, maka pada posisi tersebut energi kinetiknya minimal. Sebaliknya jika pada saat posisi energi kinetik maksimal, maka energi potensialnya minimal.

Makhluk hidup mendapatkan energi dari matahari

Dari manakah kita memperoleh energi untuk hidup? Energi yang kita peroleh berasal dari energi kimia yang ada pada makanan yang kita makan. Akan tetapi dari manakah energi ini diperoleh? Ketika kita makan nasi atau daging, maka kita sebenarnya memakan salahsatu bagian dari tumbuhan atau hewan.  Apabila  kita  perhatikan  pada  bagian  paling  atas  rantai makananmaka kita kan lihat bahwa tumbuhan dan alga memperoleh langsung energinya dari matahari.

Tumbuhan menggunakan fotosintesis untuk mengubah energi di dalam sinar matahari menjadi energi kimia. Energi ini disimpan dalam gula dan molekul organik lainnya yang menyusun sel dalam jaringan tumbuhan. Ketika makanan diolah oleh organ pencernaan kita, maka molekul dari tumbuhan atau hewan yang kita makan ditransfer ke dalam sel tubuh kita. Ketika tubuh kita memerlukan energi, maka molekul-molekul organik itu dipecah melalui peristiwa respirasi. Respirasi ini melepaskan energi yang dibutuhkan tubuh untuk bergerak dan hidup..

Evaluasi:

1.       Satuan Joule dapat digunakan untuk mengukur:

usaha yang dilakukan untuk mengangkat sebuah bola basket

energi potensial ketika sebuah bola basket ada di udara

energi kinetik pada sebuah bola basket yang menggelinding Jawaban yang benar adalah ....

A.1 dan 2

B.2 dan 3

C.1 dan 3

D.1, 2, dan 3

2.       Peristiwa mana yang tidak menyebabkan terjadinya perubahan energi potensial menjadi energi kinetik?

A.      Sebuah apel yang jatuh dari pohonnya

B.      Melepaskan anak panah dari busur panah

C.     Menarik sebuah pegas dari dudukannya

D.     Air sungai yang mengalir  ke bawah

3.       Seorang pendaki 65 kg menaiki sebuah tebing. Berapa besar  energi  potensial gravitasi yang dimilikinya pada jarak 35 m dari dasar tebing?

A.  2,2 x 104 J

B.  22 x 104 J

C.  1,1 x 104 J

D.  11 x 104 J

4.Berapa besar energi kinetik yang dimiliki seekor macan 44 kg yang berlari dengan kecepatan 31 m/s?

A.   1.364 J

B.   13.640 J

C.  21.142 J

D.  30.008 J

5.    Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa ....

A.      energi di dalam sistem semakin lama semakin berkurang

B.      tidak ada mesin yang 100 persen efisien

C.     energi tidak dapat hilang ataupun diciptakan

D.     bumi memiliki sumber energi yang terbatas

Uraian

Selesaikan kasus berikut.

1.       Sebuah bola besi jatuh dari suatu ketinggian h dari permukaan tanah. Bola akhirnya berhenti di permukaan tanah. Tentukan besarnya energi kinetik dan energi potensial bola pada posisi I, II, dan III.

Jawab:

1.       Posisi I (posisi awal h):

Ep1 = m g h Ek1 = 0

Posisi II (posisi ½h):

Ep2 = ½ m g h Ek2 > Ek1

Posisi III (sesaat sebelum menyentuh tanah):

Ep3 = minimal

Ek3 = maksimal

                                                                                                     

2.       Sebuah bola karet dijatuhkan dari suatu ketinggian h. Bola memantul, hingga akhirnya berhenti pada jarak tertentu. Bagaimana Anda menjelaskan kejadian ini dilihat dari transformasi energi yang dialami bola karet tersebut.

Jawab:

Ketika bola jatuh ke lantai, tidak semua energi kinetik diubah menjadi energi potensial elastis bola. Sebagian energi kinetik ini diubah menjadi bunyi ketika bola menubruk lantai, dan sebagian lagi diubah menjadi panas, sehingga bola, lantai, dan udara di sekitarnya terasa lebih panas. Oleh karena itu, bola yang seharusnya memantul kembali pada tinggi yang sama dengan posisi awalnya, sekarang memantul dan mencapai tinggi yang lebih rendah dari semula. Lama-kelamaan bola berhenti karena seluruh energi kinetiknya diubah menjadi energi yang lain (panas dan bunyi).