Bab XVIII ENERGI DAN USAHA Tujuan Pembelajaran Kamu dapat mendeskripsikan bentuk energi dan perubahannya serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Peta Konsep Usaha memerlukan Energi dibedakan macamnya Dapat diperbarui contoh - Matahari - Angin - Gelombang Tidak dapat diperbarui contoh - Minyak bumi - Batu bara penghematan - Konservasi - Intensifikasi - Diversifikasi Kata Kunci q Energi q Usaha q Sumber Energi q Bentuk-Bentuk Energi - Energi potensial Energi kinetik Energi kimia Energi listrik Energi panas Energi nuklir Energi bunyi Energi cahaya Saat SD kamu telah mempelajari bentuk energi dan pemanfaatan energi dalam kehidupan sehari-hari. Di SMP, selain mempelajari kedua materi tersebut secara lebih mendalam, kamu juga akan mempelajari hal yang baru seperti usaha, hukum kekeGambar 18.1 Pada Grand Prix Formula 1, mobil-mobilkalan energi, dan pemanfaatan- nya memiliki energi kinetik (gerak) yang sangat besar. Energi nya dalam kehidupan sehari-hari. kinetik ini berasal dari kerja mesin yang disuplai bahan bakar A. Pengertian Energi Sumber: CD Clipart. Ilmu Pengetahuan Alam (Terpadu) SMP dan MTs Kelas VIII n minyak. Dapatkah kamu menjelaskan perubahan energi apa saja yang terjadi pada mobil tersebut? Apa yang kamu rasakan setelah kamu berlari sejauh 3 km? Kamu tentu merasa lelah. Jika diteruskan berlari, maka akhirnya kamu tidak kuat untuk berlari lagi. Keadaan seperti itu dikatakan kamu kehabisan energi. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha (kerja). Satuan energi dalam SI adalah joule (J). Satuan energi lain yang dapat dipakai adalah kalori (kal) dan electron volt (eV). Darimana kamu memeroleh energi? Energi yang kamu gunakan berasal dari energi kimia yang terkandung dalam zat makanan yang kamu makan. Sehingga, dapat dikatakan bahwa makanan menyimpan energi. Sesuatu yang menyimpan atau menghasilkan energi disebut sumber energi. Misalnya, matahari, air terjun, angin, minyak bumi, batu bara, gas alam, dan uranium. B. Bentuk-Bentuk Energi Setiap saat kita menggunakan energi. Pada siang hari kita menggunakan energi panas matahari untuk mengeringkan pakaian, kamu menggunakan energi kimia yang tersimpan dalam makanan untuk berjalan ke sekolah, dan sebagainya. Hal ini, menunjukkan bahwa di sekitar kamu terdapat berbagai bentuk energi, seperti, energi kimia, energi panas, energi listrik, energi nuklir, energi cahaya, energi bunyi, energi potensial, dan energi kinetik. a. Energi Kimia. Energi kimia adalah energi yang dimiliki oleh benda-benda kimia, seperti, kayu, minyak, makanan, baterai, dan larutan kimia. Energi kimia akan dilepaskan jika benda-benda tersebut mengalami reaksi kimia. b. Energi Panas. Energi panas adalah energi yang dihasilkan oleh gerakan partikel penyusun benda. Energi panas terdapat pada kompor, setrika, matahari, panas bumi, solder, dan oven. c. Energi Listrik. Energi listrik adalah energi yang dihasilkan oleh aliran elektron atau arus listrik yang terjadi akibat perbedaan potensial listrik. Sumber energi listrik, antara lain, baterai, aki, dan generator. d. Energi Nuklir. Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan oleh bahan-bahan radioaktif. Bom atom dan PLTN adalah contoh sumber energi nuklir. 246 n Energi dan Usaha e. Energi Cahaya. Energi cahaya adalah energi yang dihasilkan oleh gelombang elektromagnetik. Sumber energi cahaya, antara lain, lampu, matahari, dan lilin. f. Energi Bunyi. Energi bunyi adalah energi yang dihasilkan oleh benda yang bergetar. Jika kamu mendengar bunyi yang sangat keras, maka telingamu akan terasa sakit. Ini membuktikan bahwa bunyi merupakan energi. Sumber energi bunyi, antara lain, radio, tape recorder, dan VCD player. g. Energi Potensial. Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukannya yang dipengaruhi oleh gravitasi. Misalnya, air terjun, buah di pohon, dan busur yang direntangkan. h. Energi Kinetik. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya atau kelajuannya. Misalnya, mobil yang melaju, orang berlari, dan kapal yang melaju. Soal Kompetensi Mengapa sepeda motor dirancang menggunakan bahan bakar bensin, sedangkan truk dirancang menggunakan bahan bakar solar? C. Perubahan Bentuk-Bentuk Energi Pada mulanya, manusia menggunakan ototnya atau otot binatang, seperti, kerbau untuk menyelesaikan pekerjaannya. Otot mengubah energi kimia menjadi energi kinetik. Mesin pertama untuk menghasilkan energi kinetik adalah kincir air. Kincir ini menggunakan energi air yang bergerak untuk memutar poros. Sekarang, alat yang prinsip kerjanya seperti kincir air adalah turbin yang digunakan oleh PLTA untuk menghasilkan listrik. Untuk lebih memperjelas bahwa energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, lakukan kegiatan berikut! Kegiatan Perubahan Bentuk Energi A. Tujuan Kamu dapat mengetahui perubahan bentuk energi. B. Alat dan Bahan Botol kosong yang bertutup, minyak tanah, sumbu, dan korek api. C. Langkah Kerja 1. Lubangilah tutup botol dan masukkan sumbu pada lubang yang dibuat! 2. Isilah botol dengan minyak tanah, kemudian tutuplah dengan tutup botol yang sudah ada sumbunya! 247 Ilmu Pengetahuan Alam (Terpadu) SMP dan MTs Kelas VIII n 3. Biarkan sebentar, kemudian nyalakan sumbu pada tutup botol! 4. Setelah beberapa saat menyala, peganglah tutup botol! Apa yang kamu rasakan? Energi apa saja yang berperan dalam kegiatan ini? 5. Kesimpulan apa yang dapat kamu peroleh dari kegiatan ini? Berdasarkan kegiatan di atas, ternyata di dalam minyak tanah tersimpan energi kimia. Apabila sumbu dinyalakan, maka timbul reaksi kimia pada ujung sumbu. Akibat reaksi ini, sumbu mengeluarkan panas dan cahaya. Jadi, energi kimia dapat berubah menjadi energi panas dan cahaya. Perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya disebut konversi energi. Alat atau benda yang melakukan konversi energi disebut konventer energi. Jadi, tidak ada energi yang hilang tetapi hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Hal ini menunjukkan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Kesimpulan ini disebut sebagai Hukum Kekekalan Energi. In Tips Gelombang Tsunami Pada bulan Desember tahun 2004, terjadi gempa tektonik di laut dan menyebabkan gelombang tsunami yang melanda Aceh dan sekitarnya. Mengapa gempa bumi di laut bisa menyebabkan gelombang tsunami? Tsunami berasal dari bahasa Jepang, yaitu tsu (pelabuhan) dan nami (gelombang). Gelombang tsunami terjadi karena adanya gangguan impulsif pada air laut akibat perubahan bentuk dasar laut secara tiba-tiba, seperti gempa bumi, erupsi gunung api, longsoran di dasar laut, atau akibat meteorit yang jatuh ke laut. Dari keempat pemicu tersebut, gempa yang terjadi di laut yang berkekuatan lebih besar dari 6 skala richter dan kedalaman kurang dari 60 km serta sesaran gempa naik atau turun adalah yang sering menyebabkan tsunami. Terjadinya tsunami terbagi menjadi empat tahap, yaitu sebagai berikut. Tahap 1. Gempa yang terjadi di laut membuat Tahap 1 dasar laut terangkat naik sehingga air bergolak naik. Saat air terangkat naik, terjadi pergerakan air menuju pusat gempa yang menyebabkan air di sekitar pantai menjadi surut. Tahap 2. Setelah terjadi gempa, bibit tsunami pecah menjadi tsunami yang berjalan ke laut lepas Tahap 2 (tsunami jauh) dan tsunami yang bergerak mendekati pantai (tsunami lokal). Tinggi tsunami jauh dan tsunami lokal masing-masing sekitar setengah dari tsunami awal. Kecepatan geraknya berbanding lurus dengan kedalaman air. 248 n Energi dan Usaha Tahap 3. Dalam perjalanan menuju pantai, Tahap 3 gelombang tsunami membentur berbagai benda yang membuat puncak gelombang makin tinggi, tetapi kecepatannya berkurang. Tahap 4. Setelah mencapai titik tertinggi, gaya gravitasi membalikkan arah gerak air kembali ke laut dengan menyeret benda yang terperangkap di dalam- Tahap 4 nya. Berbeda dengan apa yang sering dikira orang, kebanyakan tsunami tidak berbentuk gelombang keriting. Tsunami datang seperti gelombang pasang, tetapi dengan kecepatan tinggi. Tsunami merusak bukan disebabkan gelombang yang tinggi, melainkan akibat hantaman arus air yang bergerak cepat. Sebenarnya gelombang tsunami dapat diprediksi kedatangannya dengan sistem deteksi dini. Apakah di antara kamu ada yang berkeinginan kelak menjadi ahli tsunami? (Dikutip seperlunya dari Suplemen Anak Suara Merdeka, Yunior, edisi 247, 2005) D. Langkah-Langkah Penghematan Sumber Energi Semua bentuk energi, termasuk energi listrik, berasal dari sumber-sumber energi. Ada dua jenis sumber energi, yaitu sumber energi yang dapat diperbarui dan yang tidak dapat diperbarui. Sumber energi yang dapat diperbarui adalah sumber energi yang tidak akan habis bila dikelola dengan baik. Misalnya, air dan hasil hutan. Sumber energi yang tidak dapat diperbarui adalah sumber energi yang akan habis jika dieksploitasi terus-menerus. Misalnya, minyak bumi, batubara, dan gas alam. Untuk mengatasi agar tidak kehabisan sumber energi, dapat diupayakan dengan tiga cara, yaitu konservasi, intensifikasi, dan diversifikasi. Konservasi adalah cara menggunakan energi secara efisien dan rasional. Misalnya, menggunakan bahan bakar seperlunya dan tidak berlebihan dalam menyalakan peralatan listrik. Intensifikasi adalah meningkatkan atau mengembangkan sumber energi baru. Misalnya, menggunakan kotoran sapi sebagai sumber listrik. Diversifikasi adalah penganekaragaman sumber energi agar tidak hanya bergantung pada minyak bumi. Misalnya, penggunaan tenaga surya untuk kendaraan dan sumber listrik. Soal Kompetensi 1. Sebutkan sumber-sumber energi yang jarang digunakan oleh masyarakat atau yang baru dikembangkan! Jelaskan juga keuntungan dan kerugiannya! 2. Mengapa matahari merupakan sumber dari segala sumber energi? Jelaskan! 249 Ilmu Pengetahuan Alam (Terpadu) SMP dan MTs Kelas VIII n E. Energi Mekanik Energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya. Apabila benda bergerak dan berada pada ketinggian tertentu, maka energi mekaniknya merupakan gabungan energi potensial dan energi kinetik. Secara matematis, energi mekanik dirumuskan sebagai berikut. Em = Ep + Ek Keterangan: Em : energi mekanik (J) Ep : energi potensial (J) Ek : energi kinetik (J) 1. Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda karena kedudukannya. Energi potensial yang disebabkan oleh adanya gravitasi bumi disebut energi potensial gravitasi. Sebuah benda yang berada pada ketinggian tertentu (h) terhadap bumi akan dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi sehingga benda tersebut mempunyai berat (w = m ⋅ g). Secara matematis dirumuskan sebagai berikut. Ep = m × g × h Keterangan: Ep : energi potensial (J) m : massa benda (kg) h g : ketinggian benda (m) : percepatan gravitasi (m/s2) 2. Energi Kinetik Energi kinetik (gerak) adalah energi yang ditimbulkan karena gerak suatu benda. Sepeda motor yang bertabrakan dengan kecepatan 30 km/jam tentu berbeda akibatnya bila dibandingkan dengan sepeda motor yang bertabrakan dengan kecepatan 90 km/jam. Akibat tabrakan yang ditimbulkan oleh truk dengan massa yang besar, akan lebih parah jika dibandingkan dengan sedan, walaupun kecepatan keduanya sama. Jadi, selain kecepatan, faktor yang memengaruhi energi kinetik adalah massa. Persamaan matematis energi kinetik adalah sebagai berikut. Ek = Keterangan: Ek : energi kinetik (J) m : massa benda (kg) v : kecepatan benda (m/s) 250 1 × m × v2 2 n Energi dan Usaha Contoh 1. Sebuah batu bata jatuh dari atas bangunan dengan energi kinetik dan energi potensial 12 J dan 5 J. Berapakah energi mekanik batu bata tersebut? Ep = 5 J Diketahui : Ek = 12 J Ditanyakan : Em = ... ? Jawab : Em = Ek + Ep = 12 + 5 = 17 J 2. Sebuah kelapa massanya 2 kg berada di pohon dengan ketinggian 5 m. Jika g = 9,8 m/s2, maka hitung energi potensial buah kelapa tersebut! Diketahui : m = 2 kg g = 9,8 m/s2 h =5m Ditanyakan : Ep = ... ? Jawab : Ep = m × g × h = 2 × 9,8 × 5 = 98 J 3. Sebuah benda yang massanya 2 kg bergerak dengan kecepatan 4 m/s. Berapa energi kinetik benda tersebut? Diketahui : m = 2 kg v = 4 m/s Ditanyakan : Ek = ... ? Jawab : Ek = 1 × m × v2 2 1 = (2)(4)2 2 = 16 J Menurut fisika, saat terjadi usaha berarti ada gaya yang bekerja. Gaya menimbulkan perubahan kedudukan benda. Doronglah dinding kelasmu kuat-kuat! Apa yang terjadi? Dinding kelasmu tetap diam. Gambar 18.2 (a) Meja berpindah tempat berarti ada Menurut fisika, jika dinding tidak usaha dan (b) tembok tidak bergerak berarti tidak ada usaha. berpindah tempat, maka kamu dikatakan tidak melakukan usaha, meskipun telah banyak mengeluarkan tenaga. Sumber: Haryana. F. Pengertian Usaha 251 Ilmu Pengetahuan Alam (Terpadu) SMP dan MTs Kelas VIII n Sekarang, doronglah mejamu! Apa yang terjadi? Ternyata meja berpindah tempat. Menurut fisika, jika meja berpindah tempat, maka kamu dikatakan telah melakukan usaha. Hal ini dikarenakan gaya yang kamu keluarkan menyebabkan meja mengalami perpindahan, meskipun besarnya tenaga yang kamu keluarkan lebih kecil bila dibandingkan saat kamu mendorong dinding. Setelah memahami contoh di atas, dapatkah kamu memberikan pengertian usaha dalam fisika? Jadi, usaha terjadi apabila gaya yang bekerja pada sebuah benda mengakibatkan berpindah tempat. Apabila benda dikenai gaya tidak berpindah, maka dikatakan tidak terjadi usaha atau besarnya usaha sama dengan nol. Usaha bernilai negatif, jika arah gaya yang berkerja pada benda itu berlawanan dengan arah geraknya. Hubungan antara gaya dan usaha adalah berbanding lurus. Selain itu, hubungan antara usaha dengan perpindahan benda juga menunjukkan hubungan yang berbanding lurus. Jadi, usaha merupakan hasil kali antara gaya dengan jarak perpindahan. Secara matematis usaha dapat dirumuskan sebagai berikut. W=F×s Keterangan: W : usaha (J atau Nm) s : jarak perpindahan (m) F : gaya (N)] Contoh Diketahui gaya sebesar 5 N menyebabkan benda berpindah sejauh 10 m. Berapa besar usahanya? Diketahui : F =5N s = 10 m Ditanyakan : W = ...? Jawab : W =F×s = 5 × 10 = 50 J Soal Kompetensi 1. Apabila sebuah balok ditarik dengan sekali tarikan (disentak), maka balok tersebut mengalami perpindahan. Apakah hal ini termasuk usaha? 2. Setiap planet bergerak pada orbit tertentu. Apakah planet tersebut dapat dikatakan melakukan usaha? Jelaskan! 252 n Energi dan Usaha G. Usaha dan Energi Bagaimana hubungan abtara usaha dan energi? Sebuah benda yang meluncur di atas lantai yang kasar akan bergerak makin lambat dan akhirnya berhenti. Hal ini disebabkan oleh adanya gaya gesekan antara permukaan benda dengan lantai. Benda berhenti saat gaya gesek lebih besar daripada gaya dorong. Saat terjadi gesekan, ada sebagian energi kinetik yang berubah menjadi energi kalor. Berkurangnya energi benda karena berubah menjadi energi bentuk lain disebut sebagai usaha negatif. Dalam hal ini yang melakukan usaha negatif adalah gaya gesekan. Jadi, usaha merupakan proses terjadinya perubahan energi. Artinya, saat usaha dilakukan terjadi perubahan energi, baik besar maupun bentuknya. Pada saat melakukan usaha, tidak semua energi yang dikeluarkan berguna. Sebagian dari energi itu akan berubah menjadi energi bentuk lain, seperti energi panas dan energi bunyi. Perbandingan antara besarnya energi (usaha) yang berguna dengan besarnya energi yang dikeluarkan disebut efisiensi. Soal Kompetensi Di mana letak perbedaan antara usaha yang dilakukan oleh benda yang jatuh bebas dengan benda yang dilempar vertikal ke atas? Tokoh James Prescott Joule Sumber: 100 Ilmuwan James Prescott Joule adalah ahli fisika, lahir di Inggris, pada tanggal 24 Desember 1817. Joule tidak pernah duduk di bangku sekolah sampai umur 17 tahun karena sakit-sakitan. Joule rajin belajar dan mengadakan eksperimen dan menulis. Pada tahun 1840, ia mengemukakan Hukum Joule, Panas yang dihasilkan berbanding lurus dengan hambatan konduktor dikalikan dengan kuadrat kuat arus listriknya. Karya Joule-lah yang memantapkan hukum pertama termodinamika (Hukum Kekekalan Energi), Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dialihkan atau diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Nama Joule kemudian dipakai sebagai nama satuan usaha dan energi. Ilmuwan Kecil Tulislah sebuah artikel yang di dalamnya membahas tentang sesuatu yang ada kaitannya dengan konsep usaha dan energi! Jelaskan juga perbedaan antara pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari dengan pengertian usaha dalam ilmu fisika! Kumpulkan hasil tulisan tersebut di meja gurumu! 253 Ilmu Pengetahuan Alam (Terpadu) SMP dan MTs Kelas VIII n Rangkuman 1. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha (kerja). 2. Bentuk-bentuk energi, antara lain, energi kimia, energi panas, energi listrik, energi nuklir, energi cahaya, energi potensial, dan energi kinetik. 3. Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. 4. Energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya. 5. Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukannya. 6. Energi kinetik/gerak adalah energi yang ditimbulkan karena gerak suatu benda. 7. Usaha didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya dan jarak perpindahan. 8. Tiga cara mengatasi kekurangan atau habisnya sumber energi, yaitu konservasi, intensifikasi, dan diversifikasi. Pelatihan A. Pilihlah jawaban yang benar dengan menuliskan huruf a, b, c, atau d di buku tugasmu! 1. Energi kinetik adalah energi yang terdapat pada . a. benda yang diam c. setiap benda cair b. benda yang bergerak d. benda yang besar 2. Urutan perubahan energi pada PLTA adalah . a. energi air energi potensial energi listrik b. energi kinetik energi gerak energi listrik c. energi potensial energi kinetik energi listrik d. energi potensial energi mekanik energi listrik 3. Batu bermassa 1 kg dilempar ke atas dengan kecepatan 10 m/s. Energi kinetik batu tersebut adalah . a. 5 J c. 50 J b. 10 J d. 100 J 4. Perubahan energi yang terjadi pada lampu pijar adalah . a. energi listrik menjadi energi bunyi dan energi cahaya b. energi listrik menjadi energi cahaya dan energi panas c. energi panas menjadi energi listrik dan energi cahaya d. energi kimia menjadi energi panas dan energi cahaya 254 n Energi dan Usaha 5. Contoh benda yang memiliki energi potensial gravitasi adalah . a. benda yang akan bergerak b. air di sungai c. mobil berjalan d. layang-layang yang diterbangkan 6. Usaha akan terjadi apabila terdapat .... a. gaya yang bekerja pada benda sehingga mengubah bentuk benda b. gaya yang bekerja pada benda sehingga benda berpindah c. daya yang bekerja pada benda sehingga benda berubah d. daya yang bekerja pada benda sehingga benda diam 7. Diketahui 1 J = 10.000.000 erg = 107 erg, maka untuk 25 J = .... a. 0,25 × 107 erg b. 2,5 × 107 erg c. 25 × 107 erg d. 250 × 107 erg 8. Posisi 1 A Posisi 2 F 100 cm A Perhatikan gambar di samping! Jika balok A dikenai gaya sebesar 15 N dan jarak yang ditempuh balok sepanjang 100 cm, maka usahanya sebesar .... a. 1,5 J b. 15 J c. 150 J d. 1.500 J 9. Peristiwa berikut ini menunjukkan besarnya usaha sama dengan nol, kecuali .... a. menghentikan ayunan b. memikul beban di pundak c. naiki sepeda di jalan d. naik kereta api 10. Terdapat pernyataan sebagai berikut. 1. Kecepatan melakukan usaha. 2. Kecepatan menggunakan energi. 3. Usaha per satuan waktu. 4. Usaha yang diperlukan setiap waktu. Pernyataan di atas yang benar tentang daya adalah .... a. 1 dan 3 b. 2 dan 3 c. 1 dan 2 d. 3 dan 4 255 Ilmu Pengetahuan Alam (Terpadu) SMP dan MTs Kelas VIII n B. Kerjakan soal-soal berikut dengan benar! 1. Energi potensial sebuah benda adalah 2,5 × 108 erg dan massa benda 100 g. Berapakah tinggi benda tersebut? 2. Tulislah secara berurutan perubahan energi dari pembangkit listrik tenaga air hingga diperoleh hasilnya, beserta alat yang digunakan! 3. Diketahui sebuah benda memiliki massa 20 g. Jika benda tersebut memiliki energi kinetik sebesar 640 J, maka tentukan kecepatan benda tersebut! 4. Sebuah gaya sebesar 30 N digunakan untuk memindahkan benda sejauh 1 m dalam waktu 0,5 menit. Hitunglah dayanya! 5. Jelaskan yang dimaksud usaha menurut fisika! Refleksi Pelajarilah kembali materi dalam bab ini. Buatlah sebuah peta konsep versimu sendiri. Kamu dapat mencari informasi tambahan di buku-buku yang relevan atau di internet. Presentasikan hasilnya di depan kelas. Mintalah kritik dan saran untuk kesempurnaan peta konsep yang kamu buat. 256