Hukum Kekekalan Energi: Energi Terbarukan - Fisika (Kelas 10)

Energi Tidak Hilang, Hanya Berpindah Jalur

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 $\text{J}$ .

\text{energi total sebelum proses}=\text{energi total sesudah proses}

Kalimat itu terdengar sederhana, tetapi sering salah dibaca. Jika energi listrik dari sebuah alat lebih kecil daripada energi masuknya, bukan berarti energi sisanya menghilang. Energi sisanya biasanya berubah menjadi kalor, bunyi, getaran, cahaya yang tidak berguna, atau energi internal pada komponen alat.

OpenStax College Physics 2e membahas kekekalan energi pada halaman Conservation of Energy yang bisa dibuka di openstax.org.

Tentukan Dulu Sistemnya

Sistem adalah bagian yang kita pilih untuk dianalisis. Semua yang berada di luar sistem disebut lingkungan. Hukum kekekalan energi paling jelas jika kita tegas menentukan sistemnya.

mermaid

Diagram itu bukan hiasan. Diagram itu mengingatkan kita bahwa keluaran sistem tidak harus satu jenis energi saja.

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 terlalu sempit, ada energi yang tampak keluar. Jika sistem diperluas sampai mencakup lingkungan, energi total tetap sama.

Saat Gesekan Diabaikan

Pada banyak soal awal, kita mengabaikan gesekan dan hambatan udara agar ide utamanya terlihat. Untuk gerak yang hanya melibatkan energi kinetik dan energi potensial gravitasi, energi mekanik 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 terdisipasi, energi sebesar $120 \text{ J}$ itu berubah menjadi energi kinetik air. Dalam alat nyata, sebagian energi tetap berpindah ke lingkungan sebagai kalor, bunyi, dan getaran.

Energi Berguna Bukan Energi Total

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.

E_{\text{masuk}}=E_{\text{berguna}}+E_{\text{terdisipasi}}

Contoh: aliran air membawa energi sebesar $120 \text{ J}$ menuju turbin kecil. Generator menghasilkan energi listrik $90 \text{ J}$ . Energi yang terdisipasi adalah:

\begin{aligned} E_{\text{terdisipasi}} &= 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.

U.S. Department of Energy menjelaskan bahwa pembangkit listrik tenaga air memanfaatkan perbedaan ketinggian air untuk menggerakkan turbin dan generator. Penjelasan mekanisme tersebut bisa dibuka di energy.gov.

Cara Cepat Mengecek Klaim Energi

Hukum kekekalan energi bisa dipakai seperti alat audit. Jika ada klaim energi, jumlahkan semua jalurnya.

Klaim	Cek dengan hukum kekekalan energi
Panel menerima $500 \text{ J}$ radiasi dan menghasilkan $500 \text{ J}$ listrik	tidak realistis untuk panel nyata; dari sisi kekekalan energi, klaim itu hanya mungkin jika tidak ada energi yang terpantul atau menjadi kalor
Turbin menerima $120 \text{ J}$ dan menghasilkan $90 \text{ J}$ listrik	masih masuk akal jika $30 \text{ J}$ terdisipasi
Mesin menghasilkan $150 \text{ J}$ listrik dari masukan $120 \text{ J}$ tanpa sumber lain	tidak sesuai kekekalan energi

U.S. Department of Energy menjelaskan bahwa tidak semua cahaya yang mencapai sel fotovoltaik berubah menjadi listrik; sebagian bisa terpantul atau berubah menjadi panas. Penjelasan faktor efisiensi panel surya bisa dibuka di energy.gov.

Hukum ini membuat kita lebih hati-hati membaca kata hemat, efisien, dan ramah lingkungan. Alat yang efisien bukan alat yang menciptakan energi baru. Alat yang efisien adalah alat yang membuat bagian energi berguna menjadi lebih besar dan energi terdisipasi menjadi lebih kecil.

Hubungannya dengan 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.

\text{sumber energi} \rightarrow \text{alat konversi} \rightarrow \text{energi berguna}+\text{energi terdisipasi}

Karena energi tidak diciptakan dari nol, pembahasan energi terbarukan selalu kembali ke tiga pertanyaan:

Dari mana energi masuknya?
Ke mana energi yang tidak menjadi keluaran berguna berpindah?
Seberapa besar bagian energi yang benar-benar menjadi keluaran berguna?

Jika kalian bisa menjawab tiga pertanyaan itu, kalian tidak hanya menghafal hukum kekekalan energi. Kalian sedang memakai hukum itu untuk membaca teknologi energi secara kritis.