Hukum Kekekalan Energi

Hukum Kekekalan Energi – Pengantar

Kekekalan artinya tidak berubah. Jadi, hukum kekekalan energi merupakan hukum yang menyatakan bahwa energi itu kekal dan tidak dapat berubah (besarnya) sepanjang waktu, memiliki nilai yang sama baik sebelum sesuatu terjadi maupun sesudahnya. Energi dapat diubah bentuknya, tapi besarnya akan selalu sama.

Energi disini ialah total energi dari suatu sistem. Total energi dari suatu sistem dapat berupa energi kinetik, energi potensial, energi panas, dan lain sebagainya. Bentuk-bentuk energi tersebut dapat berupah menjadi bentuk energi lainnya sehingga total energi pada suatu sistem akan selalu sama.

Lihat juga materi StudioBelajar.com lainnya:
Pemanasan Global
Efek Rumah Kaca
Termodinamika

Energi Mekanik

Energi mekanik merupakan jumlah dari  energi kinetik dan energi potensial.

Em = Ek + Ep

Karena hukum kekekalan energi mengatur bahwa setiap total energi pada sistem (yakni energi mekanik) harus selalu sama, maka energi mekanik sebelum dan sesudahnya memiliki besar yang sama.

Em_{sebelum} = Em_{sesudah}

Em_1 = Em_2

Maka persamaan diatas dapat dijabarkan sebagai:

Ek_1 + Ep_1 = Ek_2 + Ep_2

\frac{1}{2} mv_1^2 + mgh_1 = \frac{1}{2} mv_2^2 + mgh_2

Karena kekekalan energi merupakan sebuah hukum, maka bagaimanapun caranya persamaan di sebelah kiri harus selalu sama dengan persamaan di sebelah kanan. Dengan cara inilah, para insinyur dapat merancang dan memprediksi mesin-mesin daya seperti turbin air dan generator yang mampu mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik  kemudian mengubahnya menjadi energi listrik, juga mesin mobil yang mampu mengubah energi kimia menjadi energi kinetik.

Contoh Penerapan Hukum Kekekalan Energi

Pembangkit Listrik tenaga Hidro

Pada bendungan (dam) pembangkit listrik tenaga hidro, air dibendung hingga mencapai ketinggian (h) yang tinggi sehingga air di waduk memiliki energi potensial yang tinggi. Air masuk dari pintu air melewati jalur air hingga ke turbin dan memutar turbin. Energi potensial air kemudian berubah menjadi energi kinetik pada turbin sehingga turbin berputar. Karena turbin berputar, maka generator pun ikut berputar. Energi kinetik pada turbin kemudian berubah menjadi energi listrik pada generator. Listrik dari generator kemudian dialirkan melalui kabel tegangan tinggi jarak jauh. Energi listrik inilah yang kita nikmati sehari-hari.

penerapan hukum kekekalan energi pada pembangkit listrik

Gambar. Skema bendungan air pada pembangkit listrik tenaga hidro

Mobil atau Kendaraan Bermotor

Pada mobil atau kendaraan bermotor, prinsipnya selalu sama. Energi kimia yang terdapat dalam bahan bakar diubah menjadi energi kinetik pada mesin mobil. Energi kinetik tersebutlah yang menggerakkan mobil. Besarnya energi kinetik yang menggerakkan mobil lebih kecil dari besarnya energi kimia pada bahan bakar. Hal ini disebabkan karena tidak seluruh energi kimia berubah menjadi energi kinetik. Sebagian besar energi yang tidak berubah menjadi energi kinetik tersebut, akan tetapi berubah menjadi energi dalam bentuk lain seperti panas, getaran, dan lain-lain.

Selain itu, sebagian energi kinetik yang terbentuk hilang karena gesekan pada piston mesin atau hilang karena hambatan lain. Sehingga, hanya sebagian kecil dari total energi awal pada mobil yang digunakan murni untuk menggerakkan mobil (hanya sekitar 15%). Energi-energi yang tidak termanfaatkan tersebut disebut kerugian-kerugian. Kerugian-kerugian tersebut tidak menghilangkan energi, akan tetapi mengubah energi menjadi bentuk yang tidak dapat dimanfaatkan, dan hal ini tak dapat terelakkan.

energi masuk dan energi keluar pada mobil

Gambar. Kekekalan energi dan kerugian-kerugiannya pada mobil

Teko Pemanas Air

Pada saat kita menggunakan teko pemanas air, kita sebenarnya melihat prinsip kekekalan energi. Teko pemanas air mengubah energi listrik dari kabel menjadi energi panas pada element pemanas. Elemen pemanas inilah yang kemudian memanaskan air sehingga energi panas berpindah ke air pada teko. Terdapat pula beberapa kerugian-kerugian energi yang hilang dalam bentuk panas ke lingkungan, suara, dan lain-lain.

prinsip kekekalan energi pada teko pemanas air

Gambar. Teko pemanas air

Contoh Soal Hukum Kekekalan Energi

Contoh Soal 1

ilustrasi contoh soal hukum kekekalan energi

(sumber gambar: steemitimages)

Astronot Alan Shepard saat berada di bulan memukul bola golf secara vertikal ke atas dari permukaan bulan yang memiliki percepatan gravitasi sebesar 1,6 m/s2. Bola tersebut diketahui melaju dengan kecepatan 28 m/s. Seberapa tinggi bola golf dapat naik?

Pembahasan:

Diketahui bahwa:

Em_1 = Em_2

Ek_1 + Ep_1 = Ek_2 + Ep_2

\frac{1}{2} mv_1^2 + mgh_1 = \frac{1}{2} mv_2^2 + mgh_2

Pada saat awal, bola masih berada di permukaan maka ketinggiannya nol, kecepatan awalnya pun sama dengan nol. Sehingga persamaannya menjadi:

0 + 0 = \frac{1}{2} mv_2^2 + mgh_2

0 = \frac{1}{2} v_2^2 + gh_2

sehingga,

h_2 = \frac{-0,5 v_2^2}{g}

h_2 = \frac{-0,5 (20 m/s)^2}{(1,6 m/s^2)}

h_2 = - 125 m

Tanda minus menunjukkan arahnya. Pada kasus ini, tanda minus menunjukkan arah ke atas.

Contoh Soal 2

(SIMAK UI 2013) Sebuah balok ditembak pada arah vertikal dengan sebuah peluru yang memiliki kecepatan 500 m/s. Massa peluru 10 gr, sedangkan massa balok 2 kg. Setelah ditembakkan, peluru bersarang di dalam balok. Balok akan terpental ke atas hingga ketinggian maksimum ….

(A) 13 cm
(B) 27 cm
(C) 31 cm
(D) 42 cm
(E) 47 cm

Pembahasan

Peristiwa diatas merupakan tumbukan. Peristiwa tumbukan sebenarnya merupakan peristiwa dimana dua benda saling memberikan aksi satu sama lain dalam waktu yang singkat. Karena gaya-gaya bekerja dalam waktu yang sangat singkat maka kita tidak bisa mengamati keadaan sistem pada saat kedua benda saling berinteraksi. Dengan demikian, akan lebih mudah jika benda dianalisis pada keadaan sebelum dan sesudah tumbukan terjadi.

Momentum didefinisikan sebagai perkalian antara massa sebuah benda dengan kecepatan geraknya:

p = mv

p  = momentum (kg m/s) ; m = massa benda (kg); v = kecepatan benda (m/s)

Momentum merupakan besaran vektor. Jadi, arah gerak benda mempengaruhi tanda (+) dan (-) pada saat melakukan perhitungan.

Persamaan terakhir dari hukum Newton II menyatakan bahwa gaya yang bekerja dalam selang waktu Δt menghasilkan perubahan momentum sebesar mΔv. Besaran FΔt disebut impuls. Impuls biasanya disimbolkan dengan huruf I.

I = FΔt

Impuls merupakan besaran vektor.

Tumbukan yang terjadi pada soal diatas merupakan tumbukan non-elastis sempurna karena kedua benda menyatu setelah proses tumbukan. Pada tumbukan non-elastis sempurna,  momentumnya konstan dan energi kinetiknya TIDAK kekal.

momentum awal = momentum akhir

m_p v_p + m_b v_b = m_p v'_p + m_b v'_b

v'_p = v'_b = v'     (non-elastis sempurna)

m_p v_p + m_b v_b = (m_p + m_b) v'

m_p v_p + m_b . 0 = (m_p + m_b) v'

m_p v_p = (m_p + m_b) v'

0,01 m \cdot 500 m/s= (0,01 m + 2 m) v'

v' = \frac{5 m^2/s}{2,01 m} = 2,488 m/s     (arah vektor ke atas)

Pada saat kedua benda bertumbukan, proses tumbukan terjadi secara vertikal (tegak lurus), Energi Potensial tidak bisa diabaikan seperti pada proses tumbukan horizontal. Oleh karena itu, digunakan sistem kekekalan energi mekanik.

Dalam kasus ini pada saat kedua benda bertumbukan, karena arah gaya yang disebabkan kecepatan (keatas) berlawanan dengan arah gaya berat yang selalu kebawah, maka arah gaya energi kinetik berlawanan dengan energi potensial, sehingga:

ΔEk = ΔEp

Ek_2 - Ek_1 = Ep_2 - Ep_1

\frac{1}{2} (m_p + m_b)v_2^2 - \frac{1}{2} (m_p + m_b)v_1^2 = (m_p + m_b)gh_2 - (m_p + m_b)gh_1

Kecepatan akhir v_2 = v' dan h_2 merupakan ketinggian tumbukan balok dan peluru maksimum. Sedangkan, untuk  kecepatan awal v_1 sama dengan 0 karena pada saat h_1 = 0 (ketinggian awal balok yakni ketika balok masih diatas meja), balok dan peluru masih belum bertumbukan sehingga balok dianggap belum bergerak. Maka:

\frac{1}{2} (m_p + m_b)v'^2 = (m_p + m_b)gh_2

\frac{1}{2} v'^2 = gh_2

h_2 = \frac{1}{2} \frac{v'^2}{g} = \frac{1}{2} \frac{(2,488 m/s)^2}{9,8 m/s^2}

h_2 = 0,315 m = 31 cm

Jawaban: (C)

Kontributor: Ibadurrahman, S.T.
Mahasiswa S2 Teknik Mesin FTUI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

  1. Cermin Cekung dan Cermin Cembung
  2. Hukum Hooke
  3. Metode Ilmiah