Hukum Kekekalan Energi

Energi Berpindah atau Berubah Bentuk

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi dapat berpindah dari satu benda ke benda lain, atau berubah dari satu bentuk ke bentuk lain.

Dalam Sistem Satuan Internasional (SI, International System of Units), semua energi tetap dapat dinyatakan dalam joule dengan simbol $\text{J}$ .

Jika sistem dan lingkungannya dihitung bersama, energi total sebelum proses sama dengan energi total sesudah proses.

Jika energi listrik dari sebuah alat lebih kecil daripada energi masuknya, sisa energi telah berubah bentuk atau berpindah ke lingkungan. Energi tersebut biasanya menjadi kalor, bunyi, getaran, cahaya yang bukan keluaran yang diinginkan, atau energi internal pada komponen alat.

Hukum kekekalan energi berlaku pada setiap perpindahan dan perubahan bentuk energi dalam sistem.

Tentukan Batas Sistem Lebih Dahulu

Sistem adalah bagian yang kita pilih untuk dianalisis. Semua yang berada di luar sistem disebut lingkungan. Tentukan batas sistem sebelum memakai hukum kekekalan energi karena batas tersebut menentukan perpindahan energi mana yang masuk atau keluar dari perhitungan.

Batas Sistem Menentukan Hitungan Energi

Diagram tersebut menunjukkan setiap keluaran. Satu sistem dapat menghasilkan energi berguna sekaligus memindahkan energi ke lingkungan sebagai kalor, bunyi, atau getaran.

Pilihan sistem	Yang masuk ke sistem	Yang keluar dari sistem
Air yang jatuh	energi potensial gravitasi	energi kinetik air
Turbin dan generator	energi kinetik putaran	energi listrik, kalor, bunyi
Panel surya	energi radiasi Matahari	energi listrik, kalor, cahaya pantul

Jika sistem hanya mencakup alat, sebagian energi melintasi batas sistem menuju lingkungan. Jika sistem diperluas hingga mencakup lingkungan, energi total tetap sama.

Saat Gesekan Diabaikan

Pada banyak soal awal, gesekan dan hambatan udara diabaikan supaya model hanya memuat energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Energi mekanik kemudian ditulis sebagai:

\begin{aligned} E_m &= E_k+E_p \\ &= \frac{1}{2}mv^2+mgh \end{aligned}

Jika tidak ada gesekan, hambatan udara, atau kerja dari luar, energi mekanik tetap.

\frac{1}{2}mv_i^2+mgh_i=\frac{1}{2}mv_f^2+mgh_f

Subskrip $i$ berarti keadaan awal, sedangkan subskrip $f$ berarti keadaan akhir.

Misalkan air bermassa $1 \text{ kg}$ turun dari ketinggian $12 \text{ m}$ . Jika kita memakai $g=10 \text{ m/s}^2$ dan air mula-mula dianggap diam, energi potensial gravitasi awalnya adalah:

\begin{aligned} E_p &= mgh \\ &= (1 \text{ kg})(10 \text{ m/s}^2)(12 \text{ m}) \\ &= 120 \text{ J} \end{aligned}

Jika tidak ada energi yang berpindah ke lingkungan, energi sebesar $120 \text{ J}$ berubah menjadi energi kinetik air. Pada perangkat sebenarnya, sebagian energi berpindah ke lingkungan sebagai kalor, bunyi, dan getaran.

Energi Berguna Bergantung pada Tujuan Alat

Pada teknologi energi terbarukan, yang biasanya kita inginkan adalah energi berguna, misalnya energi listrik. Hukum kekekalan energi tetap berlaku, tetapi energi masuk tidak seluruhnya menjadi energi listrik.

\begin{aligned} E_{\text{masuk}} &=E_{\text{berguna}} +E_{\text{lingkungan}} \\ &\quad{}+\Delta E_{\text{tersimpan}} \end{aligned}

Pada contoh berikut, energi yang tersimpan di dalam alat tidak berubah, jadi $\Delta E_{\text{tersimpan}}=0$ . Aliran air membawa energi sebesar $120 \text{ J}$ menuju turbin kecil. Generator menghasilkan energi listrik $90 \text{ J}$ . Energi yang berpindah ke lingkungan adalah:

\begin{aligned} E_{\text{lingkungan}} &= E_{\text{masuk}}-E_{\text{berguna}} \\ &= 120 \text{ J}-90 \text{ J} \\ &= 30 \text{ J} \end{aligned}

Jadi, energi $30 \text{ J}$ tidak hilang. Energi itu berpindah ke lingkungan, misalnya sebagai panas pada poros, suara putaran, atau getaran struktur.

Pembangkit listrik tenaga air memanfaatkan perbedaan ketinggian air untuk menggerakkan turbin dan generator.

Periksa Klaim dengan Neraca Energi

Hukum kekekalan energi dapat menguji klaim energi dengan menghitung setiap perpindahan dan perubahan bentuk.

Klaim	Cek dengan hukum kekekalan energi
Panel menerima $500 \text{ J}$ radiasi dan menghasilkan $500 \text{ J}$ listrik	Klaim ini tidak realistis untuk panel nyata. Menurut hukum kekekalan energi, klaim ini hanya mungkin jika tidak ada energi yang dipantulkan atau berubah menjadi panas.
Turbin menerima $120 \text{ J}$ dan menghasilkan $90 \text{ J}$ listrik	Klaim ini masih masuk akal jika $30 \text{ J}$ berpindah ke lingkungan.
Mesin menghasilkan $150 \text{ J}$ listrik dari masukan $120 \text{ J}$ tanpa sumber lain	Klaim ini melanggar hukum kekekalan energi.

Sel fotovoltaik tidak mengubah seluruh cahaya yang datang menjadi listrik. Sebagian cahaya dipantulkan, sedangkan sebagian lainnya berubah menjadi panas.

Alat yang efisien mengubah bagian energi masuk yang lebih besar menjadi energi berguna dan memindahkan bagian yang lebih kecil ke lingkungan. Sebutan ramah lingkungan memerlukan bukti tambahan tentang emisi, bahan, penggunaan lahan atau air, dan limbah.

Kekekalan Energi Berlaku pada Energi Terbarukan

Sumber energi terbarukan tetap harus tunduk pada hukum kekekalan energi. Matahari, angin, air, panas bumi, dan biomassa menyediakan energi masuk. Teknologi membantu mengubah energi masuk itu menjadi energi yang kita perlukan.

Ikuti energi dari sumbernya menuju alat konversi. Sebagian menjadi keluaran yang berguna, sedangkan sebagian berpindah ke lingkungan.

Untuk memeriksa kekekalan energi pada teknologi energi terbarukan, jawab tiga pertanyaan berikut:

Dari mana energi masuk ke sistem?
Ke mana energi yang tidak menjadi keluaran berguna berpindah?
Berapa bagian energi masuk yang menjadi keluaran berguna?

Jawabannya menunjukkan sumber energi masuk, setiap perpindahan energi keluar dari sistem, dan bagian yang menjadi keluaran berguna.