Artikel tentang Hukum kekekalan energi
Bentuk‐bentuk energi
Dalam kehidupan kita sehari‐hari terdapat banyak bentuk energi. Pada pokok bahasan usaha dan energi, kita sudah berkenalan dengan dua bentuk energi mekanik yakni energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial terdiri dari beberapa jenis, di antaranya adalah EP gravitasi, EP elastis dan EP listrik. Energi kinetik terdiri dari dua jenis yakni energi kinetik translasi dan energi kinetik rotasi.
Buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi ketika sedang menggelayut pada tangkainya. Demikian juga ketika dirimu berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah, misalnya di atap rumah ;). Energi potensial gravitasi dimiliki benda karena posisi relatifnya terhadap bumi.
Karet ketapel yang kita regangkan memiliki energi potensial elastis. Karet ketapel dapat melontarkan batu karena adanya energi potensial elastis pada karet yang diregangkan. Demikian juga busur yang ditarik oleh pemanah dapat menggerakan anak panah, karena terdapat energi potensial elastis pada busur yang diregangkan.
Selain energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki materi yang berukuran besar dan sering kita lihat dalam kehidupan sehari‐hari, terdapat juga bentuk energi yang lain. Ada energi listrik, energi nuklir, energi kimia, dll… setelah muncul teori kinetik, dikatakan bahwa energi dalam bentuk lain tersebut (energi listrik, energi kimia, dll) merupakan energi kinetik atau energi potensial pada tingkat atom atau molekul. Energi kimia yang tersimpan dalam makanan dan bahan bakar dianggap sebagai energi potensial yang tersimpan dalam molekul, akibat adanya gaya listrik antara atom penyusun molekul (disebut juga sebagai ikatan kimia). Energi listrik, energi magnetik, energi nuklir juga dapat dianggap sebagai energi kinetik atau energi potensial dalam skala atomik.
Perubahan bentuk energi
Perlu diketahui bahwa energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Pada tingkat makroskopis, kita bisa menemukan begitu banyak contoh perubahan bentuk energi. Buah mangga yang menggelayut di tangkainya memiliki energi potensial gravitasi. Pada saat buah mangga jatuh ke tanah, energi potensialnya berkurang sepanjang lintasan geraknya menuju tanah. Ketika mulai jatuh, energi potensial berkurang karena jarak vertikal buah mangga dari tanah makin kecil. EP tersebut berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi karena kecepatan buah mangga bertambah akibat percepatan gravitasi yang bernilai konstan. Energi potensial elastis yang tersimpan pada ketapel yang diregangkan dapat berubah menjadi energi kinetik translasi batu apabila tarikan ketapel kita lepas… busur yang melengkung juga memiliki energi potensial elastis.
Energi potensial elastis pada busur yang melengkung dapat berubah menjadi energi kinetik translasi anak panah. Pada tingkat mikroskopis, kita juga bisa menemukan contoh perubahan bentuk energi. Ketika dirimu menyalakan lampu neon, pada saat yang sama terjadi perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh lain adalah perubahan energi listrik menjadi energi kinetik rotasi (kipas angin) dll. Proses perubahan bentuk energi listrik ini sebenarnya disebabkan oleh adanya perubahan antara energi potensial dan energi kinetik pada tingkat atom atau molekul.
Perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lain
Perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya. Busur yang melengkung memiliki energi potensial elastis. Ketika tarikan busur dilepaskan, energi potensial elastis busur berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi anak panah. Pada saat yang sama energi berpindah dari busur menuju anak panah. Ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi sepeda motor. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor. Air di bagian atas bendungan memiliki energi potensial gravitasi. Ketika air jatuh, energi potensial gravitasi air berubah menjadi energi kinetik translasi air. Selanjutnya air yang jatuh tadi menggerakan turbin. Ketika air menggerakan turbin, energi kinetik translasi air berubah menjadi energi kinetik rotasi turbin. Pada saat yang sama, energi berpindah dari air menuju turbin.
Kerja selalu dilakukan ketika terjadi perpindahan energi
Pada masing‐masing contoh yang telah diulas sebelumnya, perpindahan energi selalu disertai dengan usaha alias kerja. Ketika energi berpindah dari busur menuju anak panah, busur melakukan kerja pada anak panah. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor, dirimu melakukan kerja pada sepeda motor. Ketika energi berpindah dari air menuju turbin, air melakukan kerja pada turbin. Seandainya tidak ada kerja yang dilakukan, tidak mungkin anak panah bergerak ketika busur dilepaskan, sepeda motor butut yang lagi mogok juga tidak mungkin bergerak ketika didorong. Demikian juga dengan turbin. Tapi kenyataannya anak panah, sepeda motor mogok dan turbin bergerak. Disimpulkan bahwa usaha alias kerja (W) selalu dilakukan ketika energi berpindah dari satu benda ke benda yang lainnya.
Walaupun sudah mengetahui bahwa energi selalu berubah bentuk dari satu benda ke benda yang lain, tetapi ilmuwan belum bisa menyimpulkan bahwa energi kekal. Ilmuwan dibingungkan dengan keberadaan kalor. Kalor selalu muncul akibat adanya gesekan. Misalnya dirimu mendorong sebuah balok yang berada di atas lantai. Ketika mendorong balok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi balok. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju balok. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju balok, dirimu melakukan kerja pada balok (W = Fs). Tentu saja balok bergerak.
Setelah bergerak, balok biasanya berhenti. Balok berhenti akibat adanya gaya gesekan. Di mana ada gesekan, di situ ada kalor. Coba gesekan kedua telapak tanganmu. Kedua telapak tanganmu terasa hangat ya ? hal yang sama terjadi pada balok. Permukaan lantai dan alas balok menjadi hangat akibat adanya gesekan. Gaya gesekan disebut juga sebagai gaya disipatif karena gaya gesekan memperkecil atau melenyapkan energi mekanik total (energi mekanik = energi potensial + energi kinetik). Untuk kasus ini, gaya gesekan melenyapkan energi kinetik translasi balok. Energi kinetik translasi balok berasal dari energi potensial kimia.
Kalor
Sebelum abad kesembilan belas, tidak seorang ilmuwan pun yang tahu apa itu kalor atau panas. Muncul sebuah teori yang mengatakan bahwa kalor itu sejenis zat tertentu (zat tersebut dijuluki caloric). Tetapi keberadaan zat bernama caloric tidak bisa dibuktikan keberadaannya. Sejak akhir tahun 1830, James Joule (1818‐1889) melakukan eksperimen dan ditemukan bahwa energi kinetik yang hilang selalu sama dengan kalor yang dihasilkan.
Kalor maupun energi kinetik tidak bersifat kekal secara terpisah. Yang selalu kekal adalah jumlah total energi kinetik dan kalor. Berdasarkan hasil eksperimen yang diperolehnya, Joule membuat perbandingan dengan perpindahan kalor dari benda bersuhu tinggi (benda panas) ke benda bersuhu rendah (benda dingin). Joule menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ini adalah pengertian kalor dari sudut pandang makroskopis. Dari sudut pandang mikroskopis, kalor dapat dijelaskan menggunakan teori kinetik.
Dalam pokok bahasan teori kinetik gas, kita belajar bahwa suhu suatu benda merupakan ukuran dari energi kinetik molekul‐molekul penyusun benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, semakin besar energi kinetik molekul‐molekul penyusun benda. Energi kinetik berkaitan dengan kecepatan gerak. Semakin besar energi kinetik (EK besar) molekul‐molekul, semakin besar kecepatan gerak (v besar) molekul‐molekul tersebut. Apabila kita menyentuhkan benda yang bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda yang bersuhu rendah (benda dingin), secara otomatis kalor mengalir dari benda bersuhu tinggi menuju benda bersuhu rendah. Ketika suhu benda meningkat, energi kinetik molekul‐molekul penyusun benda semakin besar (kecepatan gerak molekul makin besar). Dapat disimpulkan kalor merupakan energi kinetik molekul‐molekul yang bergerak cepat.
Setelah mengetahui bahwa kalor merupakan energi yang berpindah karena perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul‐molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis), akhirnya para ilmuwan merumuskan hukum kekekalan energi :
Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, berpindah dari satu benda ke benda yang lain, tetapi energi total tidak pernah berkurang atau bertambah.
Perubahan bentuk energi melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya. Setiap perpindahan energi selalu disertai dengan usaha alias kerja. Berdasarkan hasil eksperimen dan analisis para ilmuwan, diketahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul‐molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis). Kita bisa mengatakan bahwa kerja (W) dan kalor (Q) terlibat dalam perpindahan energi. Hukum pertama termodinamika merupakan hukum yang menjelaskan perpindahan energi yang melibatkan kalor dan kerja. Kalor dan kerja bukan suatu bentuk energi, tetapi hanya terlibat dalam perpindahan energi antara benda dengan benda, antara benda dengan makluk hidup atau antara makluk hidup dengan makluk hidup.
Dalam hukum pertama termodinamika, kita juga berkenalan dengan sebuah besaran baru yakni energi dalam (U). Energi dalam merupakan jumlah total energi kinetik molekul‐molekul dan energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom‐atom penyusun molekul atau interaksi antara molekul‐molekul penyusun suatu benda atau makhluk hidup. Setiap benda tersusun dari atom‐atom atau molekul‐molekul. Dengan demikian, setiap benda yang ada di alam semesta ini pasti punya energi dalam. Setiap proses perpindahan energi yang melibatkan Kalor dan Kerja akan mengakibatkan perubahan energi dalam.
