Energi: Energi Terbarukan - Fisika (Kelas 10)

Energi Terlihat dari Perubahan

Saat lampu menyala, air mendidih, sepeda bergerak, atau ponsel terisi ulang, ada energi yang sedang berpindah atau berubah bentuk. Dalam fisika, energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau menyebabkan perubahan.

Definisi ini penting karena energi tidak selalu terlihat sebagai benda. Energi dibaca dari akibatnya: benda bergerak, suhu berubah, cahaya muncul, suara terdengar, atau muatan listrik mengalir.

\text{energi} \rightarrow \text{kemampuan melakukan usaha atau membuat perubahan}

Rujukan definisi energi yang sejalan dengan penjelasan ini berasal dari U.S. Energy Information Administration (EIA). Kalian bisa membuka halaman Energy Explained tentang energi milik EIA di eia.gov.

Usaha sebagai Cara Membaca Energi

Energi sering dihitung lewat usaha. Dalam fisika, usaha terjadi ketika gaya menyebabkan perpindahan pada arah gaya tersebut.

W = F \Delta s

Mulai dari sini, kita memakai Sistem Satuan Internasional (SI, International System of Units) agar satuan gaya, perpindahan, dan energi konsisten.

Keterangan simbol:

Simbol	Makna	Satuan SI
$W$	usaha atau energi yang dipindahkan	$\text{J}$
$F$	gaya	$\text{N}$
$\Delta s$	perpindahan	$\text{m}$

Misalkan kalian mendorong kotak dengan gaya $15 \text{ N}$ sehingga kotak berpindah $2 \text{ m}$ . Energi yang kalian pindahkan ke kotak melalui usaha adalah:

\begin{aligned} W &= F \Delta s \\ &= 15 \text{ N} \times 2 \text{ m} \\ &= 30 \text{ J} \end{aligned}

Jadi, kotak menerima energi sebesar $30 \text{ J}$ melalui dorongan tersebut.

Kalau gaya diberikan tetapi benda tidak berpindah, usaha mekanik pada benda bernilai $0 \text{ J}$ . Capeknya orang yang mendorong tetap nyata, tetapi energi itu tidak menjadi usaha mekanik pada benda yang diam.

Joule Bukan Sekadar Nama Satuan

Dalam SI, satuan untuk energi adalah joule, dengan simbol $\text{J}$ . Karena energi dapat dihitung dari gaya dikali perpindahan, satuan joule dapat dibaca sebagai:

\begin{aligned} 1 \text{ J} &= 1 \text{ N} \cdot 1 \text{ m} \\ &= 1 \text{ kg m}^2\text{s}^{-2} \end{aligned}

National Institute of Standards and Technology (NIST) mencantumkan joule sebagai satuan SI turunan untuk energi, usaha, dan kalor. Dokumen SP $330$ bagian $2$ dapat dibuka di nist.gov, sedangkan glosarium joule NIST dapat dibuka di nist.gov.

Jejak Energi di Sekitar Kita

Energi berpindah dari sumber menuju alat, lalu berubah menjadi bentuk yang kita perlukan.

Ikuti Energi dari Sumber ke Pemakaian

Diagram itu sengaja menampilkan pola, bukan semua detail teknis. Pada panel surya, energi cahaya berubah menjadi energi listrik. Pada pembangkit listrik tenaga air, energi potensial gravitasi air berubah menjadi energi gerak turbin, lalu menjadi energi listrik. Pada tubuh, energi kimia dari makanan membantu otot melakukan kerja.

Daya dan Energi Sering Tertukar

Energi menjawab pertanyaan berapa banyak kemampuan kerja yang digunakan. Daya menjawab pertanyaan seberapa cepat energi digunakan atau dipindahkan.

P = \frac{E}{t}

Dari persamaan itu, energi dapat ditulis:

E = P t

Satuan daya adalah watt, dengan simbol $\text{W}$ . Satu watt berarti $1 \text{ J}$ per $1 \text{ s}$ .

1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}

Perhatikan konteks simbolnya: $W$ miring biasanya menyatakan usaha, sedangkan $\text{W}$ tegak menyatakan satuan watt.

Inilah alasan tagihan listrik memakai $\text{kWh}$ atau kilowatt-jam. Walaupun ada kata watt, $\text{kWh}$ adalah satuan energi, bukan satuan daya.

\begin{aligned} 1 \text{ kWh} &= 1000 \text{ W} \times 1 \text{ h} \\ &= 1000 \text{ J/s} \times 3600 \text{ s} \\ &= 3{,}6 \times 10^6 \text{ J} \end{aligned}

Lampu berdaya $10 \text{ W}$ yang menyala selama $5 \text{ jam}$ memakai energi:

\begin{aligned} E &= P t \\ &= 10 \text{ W} \times 5 \text{ h} \\ &= 50 \text{ Wh} \\ &= 0{,}05 \text{ kWh} \end{aligned}

Kalau lampu yang sama menyala lebih lama, energinya bertambah. Kalau dayanya lebih besar, energinya juga bertambah untuk durasi yang sama.

Mengapa Ini Mengarah ke Energi Terbarukan

Topik energi terbarukan bukan hanya soal daftar sumber energi. Fondasinya adalah pertanyaan fisika yang lebih dasar: energi dari mana, berubah menjadi apa, dan berapa banyak yang benar-benar berguna?

Situasi	Pertanyaan fisika
Panel surya dipasang di atap	Berapa banyak energi cahaya yang berubah menjadi energi listrik?
Air mengalir memutar turbin	Berapa besar energi gerak air yang dapat dipindahkan ke generator?
Lampu rumah menyala setiap malam	Berapa energi listrik yang dipakai dalam $\text{kWh}$ ?
Bahan bakar dibakar di mesin	Berapa banyak energi kimia yang berubah menjadi gerak dan panas?

Sumber energi disebut terbarukan jika persediaannya dapat dipulihkan secara alami dalam skala waktu manusia, misalnya cahaya matahari, angin, aliran air, panas bumi, dan biomassa yang dikelola dengan benar. Sumber energi disebut tak terbarukan jika pembentukannya jauh lebih lambat daripada pemakaiannya, misalnya batu bara, minyak bumi, dan gas alam. Rujukan klasifikasi ini berasal dari U.S. Energy Information Administration (EIA), pada halaman Renewable Energy Explained milik EIA di eia.gov.

International Energy Agency (IEA) melaporkan bahwa penambahan kapasitas energi terbarukan global mencapai hampir $510 \text{ GW}$ atau $510$ gigawatt pada tahun $2023$ . Angka itu bukan untuk dihafal, tetapi membantu melihat mengapa konsep energi, daya, dan konversi energi menjadi penting saat kita membahas masa depan listrik. Rujukan angkanya ada di laporan Renewables $2023$ milik IEA di iea.org.

Dengan bahasa dasar ini, kita bisa membaca bentuk energi, kekekalan energi, konversi energi, dan alasan mengapa kebutuhan energi perlu dipenuhi dengan sumber yang lebih bersih.