SEDERHANA MEMAHAMI ENERGI FISIKA

Oleh Hendrius Candra, M.Si.

(Tim SAINS SMAN 1 Ciampea Bogor)

Energi tidak diklasifikasikan sebagai “benda mati”. Energi adalah properti fisika. Energi adalah zat yang terkandung di dalam atau dipancarkan oleh benda. Energi tidak memiliki penampakan visual dalam arti kasat mata yang bisa dilihat secara langsung. Energi adalah konsep abstrak yang mendefinisikan kemampuan untuk melakukan kerja atau menyebabkan perubahan. Kemampuan atau daya yang dimiliki benda mati maupun makhluk hidup. Namun, kita dapat mengamati manifestasi atau efek dari energi dalam berbagai bentuknya. Bisa berupa gerakan, panas, cahaya, atau bentuk lainnya. Energi bisa diubah dari satu bentuk ke bentuk lain (seperti listrik ke gerak) tetapi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan. Ini adalah daya fundamental yang memungkinkan semua aktivitas, mulai dari aktivitas makhluk hidup hingga operasional teknologi. 

Fisika Energi

Kata energi berasal dari bahasa Yunani Kuno: energeia, yang kemungkinan muncul pertama kali dalam karya Aristoteles pada abad ke-4 SM. Kebalikan dengan definisi modern, energeia adalah konsep filosofis kualitatif yang sangat luas. Arti energy adalah kemampuan untuk melakukan kerja.

Konsep ini sering diukur dalam satuan Joule. Penggunaan satuan ini dinamakan untuk menghormati jasa dari James Prescott Joule atas percobaannya dalam persamaan mekanik panas. Dalam istilah yang lebih mendasar 1 joule sama dengan 1 newton-meter dan, dalam istilah satuan pokok SI, 1 J sama dengan 1 kg m2 s?2.

Kerja dan panas adalah 2 contoh proses atau mekanisme yang dapat memindahkan sejumlah energi. Dalam mekanika klasik (Kerja, sebuah bentuk energi), adalah gaya dikali jarak.

Hukum kedua termodinamika membatasi jumlah kerja yang didapat melalui proses pemanasan-beberapa di antaranya akan hilang sebagai panas terbuang. Jumlah maksimum yang dapat digunakan untuk kerja disebut energi tersedia. Sistem seperti mesin dan benda hidup membutuhkan energi tersedia, tidak hanya sembarang energi. Energi mekanik dan bentuk-bentuk energi lainnya dapat berpindah langsung ke bentuk energi panas tanpa batasan tertentu.

Ada berbagai macam bentuk-bentuk energi. Semua tipe energi ini harus memenuhi berbagai kondisi seperti dapat diubah ke bentuk energi lainnya, mematuhi hukum konservasi energi, dan menyebabkan perubahan pada benda bermassa yang dikenai energi tersebut. Bentuk energi yang umum di antaranya energi kinetik dari benda bergerak, energi radiasi dari cahaya dan radiasi elektromagnetik, energi potensial yang tersimpan dalam sebuah benda karena posisinya seperti medan gravitasi, medan listrik atau medan magnet, dan energi panas yang terdiri dari energi potensial dan kinetik mikroskopik dari gerakan-gerakan partikel tak beraturan. Beberapa bentuk spesifik dari energi potensial adalah energi elastis yang disebabkan dari pemanjangan atau deformasi benda padat dan energi kimia seperti pelepasan panas ketika bahan bakar terbakar. Setiap benda yang memiliki massa ketika diam, memiliki massa diam atau sama dengan energi diam, meski tidak dijelaskan dalam fenomena sehari-hari di fisika klasik.

Menurut neraca massa-energi, semua bentuk energi membutuhkan massa. Contohnya, menambahkan 25 kilowatt-jam (90 megajoule) energi pada objek akan meningkatkan massanya sebanyak 1 mikrogram; jika ada timbangan yang sebegitu sensitif maka penambahan massa ini bisa terlihat. Matahari mengubah energi potensial nuklir menjadi bentuk energi lainnya; total massanya akan berubah ketika energi terlepas ke sekelilingnya terutama dalam bentuk energi radiasi.

Meskipun energi dapat berubah bentuk, tetapi hukum kekekalan energi menyatakan bahwa total energi pada sebuah sistem hanya berubah jika energi berpindah masuk atau keluar dari sistem. Hal ini berarti tidak mungkin menciptakan atau memusnahkan energi. Total energi dari sebuah sistem dapat dihitung dengan menambahkan semua bentuk energi dalam sistem tersebut. Contoh perpindahan dan transformasi energi adalah pembangkitan listrik, reaksi kimia, atau menaikkan benda.

Organisme hidup juga membutuhkan energi tersedia untuk tetap hidup; manusia misalnya, membutuhkan energi dari makanan beserta oksigen untuk memetabolismenya. Peradaban membutuhkan pasokan energi untuk berbagai kegiatan; sumber energi seperti bahan bakar fosil merupakan topik penting dalam ekonomi dan politik. Iklim dan ekosistem bumi juga dijalankan oleh energi radiasi yang didapat dari matahari (juga energi geotermal yang didapat dari dalam bumi.

Bentuk-bentuk Energi

Alam menyediakan banyak sekali sumber energi yang dapat digunakan oleh manusia. Angin, air, cahaya, minyak bumi, bahkan bunyi pun memiliki energi. Ada beberapa bentuk energi yang mungkin akrab dengan lingkungan kita.

Energi Kinetik (EK) adalah energi yang dimiliki sebuah benda bermassa akibat geraknya. Energi kinetik ini juga terbagi menjadi energi kinetik translasi dan energi kinetik rotasi. Energi kinetik translasi ini, geraknya lurus, bisa maju, atau mundur. Contohnya ketika kita yang sedang menarik atau mendorong benda.  Sementara itu, energi kinetik rotasi, gerakannya memutar, contohnya seperti gerakan pada permainan gangsing. 

Rumus Energi Kinetik: Ek = 1/2 m × v². di mana: Ek= Energi kinetik (satuan Joule atau J), m= Massa (satuan Kg), v= Kecepatan (m/s).

Energi kinetik adalah bagian energi yang berhubungan dengan gerakan suatu benda.  E k = ? v ? d p. Persamaan menyatakan bahwa energi kinetik (E k) sama dengan integral dari perkalian dot kecepatan (v) sebuah benda dan momentum benda mendekati nol (p).

Energi potensial (EP) merupakan energi yang tersimpan pada sebuah benda atau sesuatu karena posisi atau kedudukannya. Energi potensial terbagi lagi menjadi beberapa macam, yaitu energi potensial gravitasi, energi potensial pegas (elastis), dan energi potensial listrik, dan masih banyak lagi. Ketika kita ingin menjatuhkan sebuah benda dengan ketinggian tertentu. Semakin tinggi kedudukan benda tersebut dari tanah/lantai, maka semakin besar pula energi potensialnya.

Rumus Energi Potensial: Ep = m × g × h, di mana m = Massa benda (kg), g = Gravitasi (N/kg), dan h = Ketinggian letak benda dari bumi (m).

Energi Gravitasi berupa energi akibat medan gravitasi. Energi potensial gravitasi adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda karena posisinya atau ketinggiannya dalam medan gravitasi. Semakin tinggi dan berat suatu benda, semakin besar energi potensialnya. Dirumuskan dengan Semakin tinggi dan berat suatu benda, semakin besar energi potensialnya. Dirumuskan dengan Ep=m.g.h (massa x gravitasi x ketinggian). Energi ini diukur dalam Joule (J). 

Berlawanan dengan energi kinetik, yang adalah energi dari sebuah sistem dikarenakan gerakannya, atau gerakan internal dari partikelnya, energi potensial dari sebuah sistem adalah energi yang dihubungkan dengan konfigurasi ruang dari komponen-komponennya dan interaksi mereka satu sama lain. Jumlah partikel yang mengeluarkan gaya satu sama lain secara otomatis membentuk sebuah sistem dengan energi potensial. Gaya-gaya tersebut, contohnya, dapat timbul dari interaksi elektrostatik (lihat hukum Coulomb), atau gravitasi.

Jenis energi lainnya adalah Energi Mekanik (EM), yang merupakan jumlah energi potensial dan energi kinetik pada sebuah benda atau sistem. Campuran ya? Saat seseorang sedang bermain ketapel, ketika batu kamu tarik ke belakang, batu tersebut memiliki energi potensial, tapi ketika batu itu kamu lepas dan terdorong ke depan, batu tersebut memiliki energi kinetik.

Rumus Energi Mekanik: Em = Ek + Ep = (1/2 m × v²) + (m × g × h). Em adalah Energi mekanik, Ek = Energi kinetik, Ep = Energi potensial, m = Massa (kg), v = Kecepatan (m/s), g = Percepatan gravitasi (m/s²), dan h = Tinggi (m).

Bentuk perubahan energi mekanik adalah kerja. Energi mekanik tersimpan dalam bentuk energi potensial atau energi kinetik.

Ada Energi Elastik yang merupakan energi akibat deformasi material. Energi elastis adalah energi potensial yang tersimpan dalam benda elastis (seperti pegas, karet gelang, atau busur panah) ketika bentuknya diubah sementara—diregangkan, ditekan, atau dipuntir—dan akan dilepaskan saat benda kembali ke bentuk semula, memungkinkan benda tersebut melakukan kerja. Contohnya adalah pegas pada jam tangan, karet yang dijentikkan, atau trampolin yang melenting, di mana energi tersimpan dalam ikatan atomnya.

Ada Energi Listrik dan Energi Potensial Listrik. Energi potensial listrik adalah usaha untuk memindahkan muatan dalam beda potensial listrik. Sementara itu, energi listrik adalah energi yang dihasilkan oleh arus listrik yang bekerja pada sebuah perangkat listrik. Energi semua ini akibat medan listrik.

Energi elektromagnetik adalah bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik. Energi radiasi dinyatakan dalam satuan elektron-Volt (eV) atau mega elektron-Volt (MeV). Radiasi elektromagnetik tidak berkaitan dengan massa dan merupakan bentuk energi murni. Apabila panjang gelombangnya semakin pendek dan frekuensinya semakin tinggi, maka energi transmisi semakin besar atau semakin energetik. Sumber radiasi atau panjang gelombang radiasi elektromagnetik dibagi atas beberapa kelas. Radiasi sinar gamma (y) merupakan jenis radiasi yang paling energetik dari energi elektromagnetik. Sinar X dihasilkan oleh keluar orbitnya elektron. Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik timbul akibat getaran atom. Kelompok energi elektromagnetik ini termasuk radiasi ultraviolet atau radiasi temperatur tinggi, radiasi tembus pandang dan kelompok radiasi temperatur rendah atau sinar inframerah. Jenis radiasi elektromagnetik yang lainnya adalah radiasi gelombang milimeter dan gelombang mikro yang digunakan untuk radar serta microwave-cookers.

Bentuk lain yang ada berupa Energi Magnet (energi akibat medan magnet). Energi magnetik adalah bentuk energi potensial yang tersimpan dalam medan magnet, yang dihasilkan oleh pergerakan muatan listrik atau arus listrik. Energi ini timbul akibat gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara kutub magnet dan mampu melakukan kerja, seperti menggerakkan benda magnetis atau menghasilkan listrik melalui induksi elektromagnetik

Energi Panas (Termal), terbagi dua, yaitu energi panas yang tersimpan pada sebuah benda, dan energi panas yang dipindahkan ke benda lain (kalor). Contoh energi panas yang paling besar dan penting adalah matahari. Energi matahari juga bisa membuat air menguap dan melakukan siklus untuk membuat hujan, serta masih banyak lainnya. Selain matahari, bumi juga menyediakan energi panas yang bisa kita manfaatkan. Misalnya, panas bumi yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga panas bumi (geothermal).

Energi termal adalah bentuk energi dasar yang dapat dikonversi secara penuh menjadi energi panas. Pengubahan energi termal ke energi lain dibatasi oleh Hukum Termodinamika Kedua. Bentuk transisi dari energi termal dapat pula dalam bentuk energi tersimpan sebagai kalor laten atau kalor sensibel yang serupa entalpi.

Energi kimia merupakan energi yang terkandung dalam ikatan atom-atom penyusun sebuah materi. Energi kimia juga merupakan sumber energi yang dapat diolah oleh tubuh makhluk hidup. Contohnya pengolahan karbohidrat oleh enzim-enzim yang ada di tubuh kita.

Energi kimia merupakan hasil interaksi elektron antara dua atau lebih atom/molekul yang mengalami pencampuran. Reaksi kimia ini menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis. Satuan energi kimia dinyatakan dalam kiloJoule, satuan panas Britania, atau kiloKalori. Bila energi dalam reaksi kimia terserap maka disebut dengan reaksi endotermis. Reaksi kimia eksotermis adalah sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia dalam proses pembakaran yang melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.

Manusia juga menciptakan sumber energi lain yang cukup berbahaya, yaitu melalui radioaktif dari uranium dan plutonium. Biasanya kita mengenal energi ini dengan nama Energi Nuklir. Nuklir adalah energi akibat nukleon berikatan membentuk nukleus atomMemang, energi nuklir dapat menghasilkan tenaga yang besar melalui reaksi inti baik reaksi fisi (pemisahan) maupun reaksi fusi (penggabungan), tetapi diperlukan tenaga ahli dan perlengkapan yang memadai untuk menstabilkan reaksinya sebelum bisa digunakan tenaganya. Karena jika salah penanganan maka uranium atau plutonium ini bisa meledak dengan sangat dahsyat!

Energi Bunyi adalah energi yang dihasilkan dari getaran benda dan merambat sebagai gelombang longitudinal melalui medium (padat, cair, atau gas) hingga terdengar oleh telinga. Energi ini tercipta saat benda bergetar, bergesekan, atau bertabrakan, yang memicu perpindahan energi kinetik. Bunyi merambat lebih cepat melalui zat padat dan tidak dapat merambat di ruang hampa udara. Energi Bunyi menghasilkan sumber bunyi. Beberapa benda yang dapat menghasilkan energi bunyi adalah telepon, radio, lonceng, gitar, dan pengeras suara, merupakan contoh-contoh yang cukup familiar di sekitar kehidupan kita.

Energi Radiasi adalah energi yang ditransfer melalui gelombang elektromagnetik atau foton, yang dapat merambat melalui ruang hampa tanpa memerlukan medium materi. Energi ini mencakup spektrum luas, termasuk cahaya tampak, sinar-X, sinar gamma, dan radiasi termal. Contoh utamanya adalah energi matahari yang memanaskan bumi. 

Energi Radiasi, akibat radiasi elektromagnetik termasuk cahaya. Sama seperti namanya, Energi Cahaya merupakan energi yang menghasilkan cahaya. Bukan cahaya ilahi tentunya, ya. Contohnya itu lampu, lilin, senter, bahkan matahari, selain merupakan sumber energi panas, juga menghasilkan cahaya. Cahaya pada matahari digunakan tumbuhan untuk melakukan fotosintesis dan menghasilkan oksigen untuk menopang kehidupan.

Energi dalam atau Energi internal adalah energi kinetik dihubungkan dengan gerakan molekul-molekul, dan energi potensial yang dihubungkan dengan getaran rotasi dan energi listrik dari atom-atom di dalam molekul. Energi internal seperti energi adalah sebuah fungsi keadaan yang dapat dihitung dalam sebuah sistem.

Energi dalam adalah jumlah dari semua elemen energi mikroskopik yang ada pada sistem. Energi dalam merupakan energi yang dibutuhkan untuk menciptakan sistem. Energi dalam berhubungan dengan energi potensial, seperti struktur molekul, struktur kristal, gerak partikel, dan aspek geometri lain. Termodinamika berfokus pada perubahan energi dalam, tetapi bukan nilai absolutnya.

Energi nuklir merupakan energi dalam bentuk tersimpan yang dapat dilepas. Pembentukan energi nuklir merupakan akibat dari interaksi partikel dengan atau dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil. Nuklir adalah energi akibat nukleon berikatan membentuk nukleus atom. Satuan energi nuklir adalah juta elektron reaksi. Peluruhan radioaktif, fisi dan fusi terjadi selama reaksi nuklir berlangsung.

Mekanika Klasik, Hamiltonian dan Lagrangian

Total energi dalam sistem terkadang disebut Hamiltonian, diambil dari nama William Rowan Hamilton. Persamaan gerak klasik dapat ditulis dalam bentuk Hamiltonian, meski untuk sistem yang sangat kompleks dan abstrak. Persamaan klasik ini memiliki analogi langsungnya dalam mekanika kuantum nonrelativistik.

Konsep lain berkaitan dengan energi disebut sebagai Lagrangian, diambil dari nama Joseph-Louis Lagrange. Formulasi ini sama pentingnya dengan Hamiltonian, dan keduanya dapat digunakan untuk menurunkan atau diturunkan dari persamaan gerak. Konsep ini ditemukan dalam konteks mekanika klasik, tetapi berguna secara umum untuk fisika modern. Konsep Lagrangian didefinisikan sebagai energi kinetik minus energi potensial. Umumnya, konsep Lagrange secara matematis lebih mudah digunakan daripada Hamiltonian untuk sistem non-konservatif (seperti sistem dengan gaya gesek).

Dalam mekanika klasik (Kerja, sebuah bentuk energi), adalah gaya dikali jarak. Kerja didefinisikan sebagai "integral batas" gaya F sejauh s.  W = ? F ? d s. Persamaan tersebut mengatakan bahwa kerja (W) sama dengan integral dari perkalian dot antara gaya ( F) yang bekerja benda dan posisi benda mendekati nol.

Energi listrik merupakan energi yang berkaitan dengan perhitungan arus elektron yang dinyatakan dalam satuan Watt-jam atau kiloWatt-jam. Perpindahan energi listrik terjadi dalam bentuk aliran elektron melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatik melalui medan listrik yang dihasilkan oleh terkumpulnya muatan elektron pada pelat-pelat kapasitor. Total energi medan listrik ditambah dengan energi medan elektromagnetik, sama dengan energi yang berkaitan dengan medan magnet yang timbul akibat aliran elektron melalui kumparan induksi.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi dan aliran panas merupakan bentuk perpindahan energi. Untuk sistem homogen, dengan suhu dan tekanan yang telah ditentukan, rumus penurunan dari hukum pertama, bahwa sistem yang hanya berdasar dari gaya tekanan dan perpindahan panas (misalnya silinder penuh berisi gas), perubahan diferensial energi dalam sistem dirumuskan dengan   d E = T d S ? P d V.  Suku pertama di sebelah kanan adalah panas yang dipindahkan ke dalam sistem, dinyatakan dalam temperatur T dan entropi S (nilai entropi naik dan perubahan dS bernilai positif ketika sistem dipanaskan, dan suku terakhir di sebelah kanan adalah kerja yang dilakukan pada sistem, di mana tekanan P dan volume V (tanda negatif berasal dari kompresi pada sistem yang membutuhkan kerja yang dilakukan pada sistem sehingga perubahan volume, dV, bernilai negatif ketika kerja dilakukan pada sistem).

Persamaan ini sangat spesifik, mengabaikan semua energi kimia, listrik, nuklir maupun gravitasi. Rumus umum hukum pertama termodinamika nilainya tetap valid meskipun pada situasi di mana sistem tidak homogen. Untuk kasus ini, perubahan energi dalam pada sistem tertutup dinyatakan dengan   d E = ? Q + ? W. ? Q adalah panas yang masuk dalam sistem dan ? W adalah kerja yang dilakukan pada sistem.

Transformasi Energi

Transformasi energi atau konversi energi merupakan proses pengubahan energi dari satu bentuk energi ke suatu bentuk energi yang lain atau berbeda. Prinsip transformasi energi dimanfaatkan oleh manusia menjadi suatu sistem yang mampu menghasilkan usaha. Setiap proses transformasi energi pasti mengalami kerugian.[20] Setiap kerugian dalam transformasi energi dipengaruhi oleh lingkungan. Ini disebabkan oleh sifat alami energi yang cenderung dapat tersebar ke mana-mana. Kegiatan konversi energi yang terencana wajib memiliki beberapa prinsip umum. Validitas dari prinsipnya harus berupa bukti empiris sehingga dapat digunakan oleh pemakai akhir energi. Prinsip utama dalam transformasi energi adalah penghematan energi, pengurangan rugi energi dan peningkatan efisiensi energi yang dikelola melalui manajemen energi. Transformasi energi dilakukan dengan memperhatikan manajemen energi tanpa mempertimbangkan kondisi keragaman teknologi dari pemakai energi di bagian akhir siklus energi. Proses transformasi energi dapat dilakukan dengan menggunakan mesin konversi energi. Pengubahan energinya dapat dalam energi mekanis, energi listrik, energi kimia, energi nuklir dan energi termal.

Akhirnya, dapat diulang bahwa Energi adalah zat yang terkandung di dalam atau dipancarkan oleh benda, tidak memiliki penampakan visual dalam arti kasat mata yang bisa dilihat secara langsung. Energi adalah konsep abstrak yang mendefinisikan kemampuan untuk melakukan kerja atau menyebabkan perubahan. Kemampuan atau daya yang dimiliki benda mati maupun makhluk hidup. Manifestasi atau efek dari energi terlihat dalam berbagai bentuknya, berupa gerakan, panas, cahaya, atau bentuk lainnya. Energi bisa diubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan!  (Hendrius Candra, dari berbagai sumber)