Energi dalam Sistem Kehidupan - Chapter 1

Assalamualaikum Warahmatullahi Wabarakaatuh, anak-anak hebat, berakhlak mulia nan berprestasi!

Pada materi kali ini kita akan belajar dan berdiskusi bersama mengenai Energi dalam Sistem Kehidupan.
Materi ini akan terbagi menjadi 3 chapter.

Pertama-tama, mari kita simak Peta Konsep-nya terlebih dahulu untuk memudahkan kalian memahami isi materi.

 

Nah, setelah memahami peta konsep materi, mari kita simak bersama, apasih energi itu?????

ARE YOU READY?
LET’S GO!

Gambar 1.1. Perubahan bentuk energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya

 

B. Pengertian Energi

Energi ada di sekitar kita, tanpa sering kita sadari. Pernahkah kalian mencolokkan perangkat elektronik ke lubang dinding (stok kontak)  dan memikirkan dari mana listrik itu berasal? Dia bukanlah sihir yang memungkinkan kita untuk membalikkan tombol dan menyalakan lampu atau isi tangki bensin kita dan membuat mobil kita dan bus bisa langsung bergerak.

https://www.istockphoto.com/

Gambar 1.2. Dua steker putih dimasukkan ke dalam soket dinding dengan latar belakang dinding dengan Wallpaper berwarna-warni. Steker dicolokkan ke saluran listrik dengan kabel listrik.

 

Apa itu energi?

Energi adalah apa yang membuat segalanya terjadi, dari ledakan kembang api yang menyilaukan hingga deru mesin jet atau gerakan otot kita. Energi

dapat disimpan atau digunakan, tetapi tidak dapat dimusnahkan. Ketika kita menggunakan energi, dia tidak hilang—hanya dipindahkan dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Perhatikan seseorang yang sedang mengayuh sepeda dengan cepat, lama-kelamaan orang itu merasa lelah dan akhirnya orang tersebut tidak mampu lagi mengayuh sepeda tersebut. Hal ini disebabkan pada saat orang tersebut mengayuh sepeda, orang tersebut mengeluarkan energi. Masih banyak lagi contoh aspek-aspek yang berkaitan dengan energi dalam kehidupan sehari-hari.

https://beritagar.id/

Gambar 1.3 Seseorang yang mengayuh sepeda terus-menerus lama-kelamaan akan merasa lelah karena kehabisan energi.

 

Melalui kegiatan pembelajaran ini, kalian akan mendiskusikan topik energi dalam kehidupan.

  1. Energi dan Usaha

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Energi dibutuhkan di antaranya untuk menggerakkan mobil, untuk memanaskan dan mendinginkan ruangan, dan menjalankan komputer.

Energi yang terdapat dalam makanan menyediakan energi bagi manusia, baik berjalan, olahraga, bernyanyi, bekerja, belajar, berpikir, saat melamun, bahkan saat tidur pun memerlukan energi.

Manusia, hewan, tumbuhan, dan mesin pada saat melakukan aktivitasnya selalu memerlukan energi. Energi yang digunakan manusia, hewan, dan tumbuhan berasal dari berbagai zat mineral yang dikonsumsinya.

https://primaberita.com

Gambar.1.4.Berbagai bahan makanan penghasil energi kimia.

 

Energi yang digunakan mesin mobil berasal dari bahan bakar berupa bensin, solar, atau dapat juga berupa bahan bakar bentuk lainnya. Kemudian energi yang dimiliki mesin digunakan untuk melakukan usaha, misalkan mesin mobil digunakan untuk menggerakkan mesin–mesin mobil sehingga mobil dapat bergerak.

https://www.google.co.id.

Gambar.1.5. Mobil dapat bergerak karena ada energi kimia berupa BBM.

 

Berdasarkan contoh tersebut terlihat bahwa energi dan kerja merupakan dua hal yang tidak dapat dipisahkan. Artinya, jika pada suatu benda diberikan energi, pada benda tersebut timbul kerja atau usaha.

Kerja atau usaha diartikan sebagai hasil perkalian antara gaya yang bekerja pada suatu benda dengan jarak perpindahan benda tersebut.

 

Gambar 1.6  Dua orang siswa mendorong sebuah meja. Gaya F menyebabkan benda bergerak sejauh s pada arah gaya F tersebut.

                    

Usaha dikatakan bekerja pada benda apabila sebuah gaya menyebabkan benda tersebut bergerak searah dengan arah gaya tersebut. Lihat Gambar 1.6, dimana dua orang siswa  memberikan gaya dorong pada meja sehingga meja bergerak searah dengan arah gaya yang dilakukan oleh dua orang siswa terhadap meja tersebut.

Jika kita perhatikan Gambar 1.6, arah gaya yang bekerja pada benda searah dengan arah perpindahannya. Karena pengaruh gaya sebesar F, benda berpindah sejauh s. Besarnya kerja atau usaha yang bekerja pada benda dapat ditentukan dengan persamaan:

W    = F. s      (1)         dimana:

W   =   kerja atau usaha (joule)

F    =   gaya (newton)

s    =   jarak perpindahan (meter)

 

Besarnya gaya yang menyebabkan benda berpindah sejauh s adalah komponen F pada arah mendatar (arah perpindahan s), yaitu F cos ө. Perhatikan Gambar 1.7.

Gambar 1.7 (a) Arah gaya yang dikerjakan seorang anak pada roda tidak searah dengan perpindahan roda. (b) Benda dikenai gaya sebesar F yang arahnya θ terhadap arah mendatar.

 

Besar gaya yang menyebabkan benda tersebut berpindah adalah komponen gaya F, yaitu F cos θ. Selanjutnya, untuk menentukan kerja atau usaha pada benda dapat kita gunakan persamaan:

W = F cos θ.s    (2)        dimana:

W            =   kerja atau usaha (joule)

F cos θ    =   gaya efektif (newton)

s              =   jarak perpindahan (meter)

 

  1. Satuan Energi

Satuan internasional untuk energi adalah joule. Satuan joule merupakan satuan yang diturunkan dari satuan gaya dan satuan jarak dalam sistem MKS, yaitu newton dan meter. Dalam fisika ada beberapa satuan lainnya yang dapat dikonversikan ke dalam satuan joule.

Satuan-satuan tersebut antara lain: erg, kalori, kilokalori, elektronvolt, MeV, dan kWh. Secara rinci hubungan antara satuan joule dengan satuan energi lainnya adalah:        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

 

  1. Bentuk-Bentuk Energi

Energi dapat terdiri dari berbagai bentuk, dari panas dan cahaya menjadi suara dan listrik. Beberapa di antaranya, seperti cahaya, mentransfer energi dari satu tempat ke tempat lain atau dari satu objek ke objek lainnya. Contoh berbagai bentuk energi :

Gambar 1.8. Berbagai bentuk energi

 

3.a.      Energi Potensial

Energi potensial merupakan energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya atau posisinya. Energi potensial terkadang 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.

Pada bagian ini akan kita bahas satu-persatu yaitu:

      3.a.1.  Energi Potensial Gravitasi

Perhatikan gambar buah jatuh berikut

Gambar 1.9.Buah apel ini memiliki energi potensial gravitasi

 

Buah apel pada Gambar 1.9 tetap menggantung jika ranting buahnya tidak patah. Apel ini berpotensi memiliki energi karena posisinya dari atas tanah. Energi yang tersimpan ini dinamakan energi potensial gravitasi. Sistem yang terdiri dari dua atau lebih benda yang terpisah oleh jarak tertentu akan memiliki energi potensial diakibatkan oleh adanya interaksi gravitasi antara benda-benda tersebut.  Energi yang tersimpan dalam sistem ini disebut energi potensial gravitasi yang disimbolkan dengan Ep. Energi potensial gravitasi dinyatakan sebagai berikut.

 

Ep  = m g h ……..(3)  dimana:

 

m = massa benda   (kg)

g  = percepatan gravitasi  (m/s2)

h  = ketinggian benda   (m)

 

 

3.a.2. Energi Potensial Elastis

Perhatikan tali busur yang ditarik seperti ditunjukkan pada Gambar 1.10

Gambar 1.10. Energi potensial elastis dimiliki oleh tali busur

 

Pemanah melakukan usaha pada tali busur, sehingga tali busur menyimpan energi. Sistem terdiri dari tali busur, anak panah, dan bumi. Ketika tali busur dan anak panah dilepaskan, energi berubah menjadi energi kinetik. 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.

Pegas yang ditarik seperti terlihat pada Gambar 1.11 memiliki energi potensial elastis atau biasa disebut juga energi potensial pegas. Jika tarikan pada pegas ini tidak melewati daerah elastisitasnya, maka pegas tersebut dapat kembali ke keadaan semula.

 

 

Gambar.1.11 Ketika pegas diregangkan, dan ditekan, maka pegas menyimpan energi potensial

Misalkan panjang pegas sebelum mendapatkan gaya luar adalah x cm. Jika pada pegas dikenai gaya yang meregangkan pegas sehingga panjangnya menjadi  x+∆x cm dan jika dengan cara menekan panjangnya menjadi x-∆x cm. Berarti, ada perbedaan panjang pegas yang dikenai

gaya jika dibandingkan dengan panjang pegas sebelum dikenai gaya atau pegas dalam keadaan normal.

Jika kita meletakkan sebuah benda yang ukurannya kecil pada pegas yang kita tekan, kemudian kita lepaskan tekanannya ternyata benda terdorong oleh pegas tersebut. Mengapa hal tersebut terjadi? Benda terdorong oleh pegas karena pegas yang tertekan memiliki energi potensial pegas. Besarnya energi potensial pegas dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

       Ep = ½ k ∆x2  …….(4)  dimana:

 

E   = energi potensial pegas (joule)

k    = konstanta pegas (N/m)

∆x  = perubahan panjang pegas (m)

 

 

3.a.3. Energi Potensial Listrik

 

Energi potensial listrik itu merupakan energi yang diakibatkan oleh partikel-partikel bermuatan listrik yang bergerak di dalam medan listrik, berubah menjadi gaya, hingga kemudian mampu untuk memindahkan muatan listrik.

Sama halnya dengan energi potensial gravitasi yang sudah dibahas sebelumnya, energi potensial listrik pun akan dimiliki oleh suatu benda jika berada pada posisi tertentu dari benda lain. Tetapi berbeda dengan energi potensial gravitasi yang timbul pada benda karena benda tersebut memiliki massa,  Energi  potensial  listrik  dimiliki  oleh  benda-benda  yang  bermuatan listrik. Perhatikan gambar di bawah berikut:

Gambar 1.12 Muatan uji q digerakkan menjauhi muatan sumber Q menentang gaya Coulomb F.

 

Gambar di atas memperlihatkan suatu muatan uji (q) yang diletakkan di sekitar muatan sumber Q. Jika muatan uji dipindahkan dari titik A ke titik B sejauh d, maka diperlukan usaha sebesar:

          W  =  F d ……..(5) dimana :

W = Usaha (Joule)

F  = gaya Coulomb

d  = Jarak (meter)

 

Usaha ini sama dengan perubahan energi potensial muatan uji.

W = ∆EpAB = EpAB  – EpA   dimana:

 

EpA = energi potensial muatan uji di titik A  (joule)

EpB = energi potensial muatan uji di titik B (joule)

Energi potensial yang dimiliki oleh benda bermuatan listrik disebut energi potensial listrik. Secara matematis dirumuskan sebagai:

 

Ep = q V ………..(6) dimana :

 

q     = muatan listrik    (coulomb)

V    = potensial listrik    (volt)

Ep  = energi potensial listrik   (joule)

 

 3.b. Energi Kinetik

Ketika roda menggelinding dan bergerak  ke  depan,  roda   ini   memiliki kemampuan untuk usaha/kerja. Energi yang dimiliki oleh suatu benda ketika bergerak dinamakan energi kinetik.

Gambar 1.13 Saat roda bergerak menggelinding, roda memiliki energi kinetik

Besar kecilnya energi kinetik suatu benda bergantung kepada massa dan kelajuan benda tersebut. Secara matematis energi kinetik dirumuskan sebagai:

Ek = ½ m v2 ……..(7) dimana:

 

Ek = energi kinetik (joule)

m  = massa benda (kg)

v   = kecepatan benda (m/s)

 

Dari persamaan (7) terlihat bahwa energi kinetik suatu benda berbanding lurus dengan massa benda tersebut.

sebuah batu dengan massa 2 kg memiliki energi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan sebuah bola tenis dengan massa 148 gram yang dilemparkan dengan kecepatan sama. Energi kinetik suatu benda juga berbanding lurus dengan kuadrat kecepatannya. Mobil yang bergerak dengan kecepatan 20 m/s mempunyai energi kinetik empat kali lipat dibandingkan ketika mobil tersebut bergerak dengan kecepatan 10 m/s.

 

3.c. Energi Mekanik

Sebuah benda yang sedang dilempar ke atas maka sekaligus memiliki dua buah energi, yaitu energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Penjumlahan kedua energi tersebut dinamakan energi mekanik.

Besarnya energi mekanik yang dimiliki oleh suatu benda pada setiap perubahan posisi selalu tetap. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi mekanik. 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, seperti terlihat pada Gambar 1.14.   

Gambar. 1.14. Perubahan energi potensial dan energi kinetik yang bergerak vertikal.

Gambar 1.14. Menunjukkan bola yang sedang dilemparkan oleh seseorang. Anggap saja sistem hanya terdiri dari satu bola saja, dan tentu pada bola ini bekerja beberapa gaya. Gaya yang dilakukan oleh tangan orang tersebut menyebabkan bola memiliki energi kinetik. Setelah meninggalkan tangan, hanya gaya gravitasi bumi yang bekerja pada bola tersebut.dapat dilukiskan  gerakannya dengan  gambar ini.

Gambar.1.15 Perubahan energi potensial dan energi kinetik pada benda yang dilempar ke atas.

 

Energi mekanik yang dimiliki oleh benda, secara matematis dirumuskan sebagai:

 

EM = Ek + Ep ………..(8) dimana :

 

EM     = Energi Meknik    (joule)

Ek      = Energi kinetik    (joule)

Ep      = Energi Potensial   (joule)

 

3.d  Energi Kimia

Energi kimia adalah energi yang tersimpan secara kimiawi. Makanan yang kita makan menghasilkan energi kimia

yang sangat bermanfaat bagi tubuh. Dengan adanya energi kimia ini kita bisa beraktivitas. Minyak bumi mengandung energi kimia yang sangat bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari.

Energi cahaya matahari sangat diperlukan untuk proses fotosintesis pada tumbuhan sehingga mengandung energi kimia. Tumbuhan dimakan oleh manusia dan hewan sehingga tumbuhan dan hewan memiliki   energi.  Tumbuhan   dan  hewan yang mati milyaran tahun yang lalu menghasilkan minyak bumi. Energi kimia dalam   minyak   bumi   sangat  bermanfaat untuk menggerakkan kendaraan, alat-alat pabrik, ataupun kegiatan memasak.

 

C. Sumber Energi

 Makhluk hidup membutuhkan energi yang didapatkan dari sumber energi untuk melaksanakan berbagai aktivitas. Sumber energi  adalah segala sesuatu yang dapat menghasilkan energi, baik secara langsung maupun melalui proses konversi atau transformasi.

Sumber  energi  dibagi menjadi dua yaitu sumber energi yang dapat   diperbarui  (renewable)  dan sumber energi yang tak dapat diperbarui  (unrenewable). Sumber   energi   terbaharui    antara   lain matahari, ombak, angin, dan air. Sumber energi yang tak terbaharui antara lain

minyak bumi, gas alam, batu bara, dan  nuklir.

……….. (Chapter 2)

Energi dalam Sistem Kehidupan – Chapter 2