Penyusun: Djoko Triyono
Topik Topik yang akan dibahas Pendahuluan Konsep Kerja Daya Energi, Posisi, dan Gerak Konversi Energi Sumber Energi Energi Alternatif dan Energi Masa Depan Kesimpulan dan Saran Daftar Pustaka
Kaitan dengan fisika Panas merupakan energi yang berpindah Suara merupakan bentuk energi mekanik Listrik merupakan bentuk energi Kaitan dengan ilmu bumi Perubahan energi mengubah bentuk bumi KONSEP INTI Energi dapat berubah melalui kerja dan pemanasan, namun jumlah totalnya tetap sama Kaitan dengan ilmu hayati Makhluk hidup menggunakan energi dan material dalam suatu interaksi kompleks Kaitan dengan kimia Perubahan kimia merupakan bentuk energi Sejumlah besar energi muncul dalam inti atom Kaitan dengan astronomi Bintang merupakan contoh reaktor nuklir
OVERVIEW Energi berkaitan erat dengan konsep gaya dan gerak. Materi yang bergerak secara alami seperti air dan angin dapat memberikan gaya pada benda lain menjadi sumber energi
KONSEP KERJA Kerja dalam sains memiliki konsep yang berbeda dengan konsep kerja pada kehidupan sehari-hari
SAINS
Kerja dalam sains berhubungan dengan gaya yang diaplikasikan pada benda sehingga menimbulkan perubahan posisi benda
Kerja mekanik yang diberikan pada suatu objek didefinisikan sebagai perkalian antara gaya yang diberikan dengan jarak yang dihasilkan akibat pemberian gaya kerja = gaya jarak W = F d Dua pertimbangan yang perlu diingat mengenai definisi tersebut: Sesuatu harus bergerak saat kerja dilakukan Arah gerak benda harus sama dengan arah gaya yang diberikan
Satuan Kerja Gaya memiliki satuan Newton (N) sedangkan jarak memiliki satuan meter (m), sehingga satuan kerja adalah W W W = Fd = ( Newton )( meter ) = ( N)( m) Newton.meter disebut juga Joule (J). 1 Joule = 1 Newton.meter
Contoh: W = F d F d Ketika seseorang mengangkat kardus dari posisi jongkok hingga setengah berdiri, ia melakukan kerja W pada kardus, dalam arti ia memberikan gaya ke atas F sehingga kardus bergerak sejauh d.
DAYA Pernahkan terpikir mengapa ketika kita berlari menaiki tangga akan terasa lebih lelah dibandingkan jika kita menaiki tangga dengan berjalan?
Kita melakukan kerja yang sama besar baik dengan berlari maupun berjalan, namun berlari membutuhkan laju kerja lebih besar. Laju kerja yang dilakukan disebut daya dan didefinisikan sebagai kerja per-satuan waktu kerja daya = waktu W t Daya biasa diukur dalam satuan J/s atau Watt (W). P = 1 J/s = 1 Watt (W)
ENERGI,POSISI DAN GERAK Konsep energi berkaitan erat dengan konsep kerja Energi Kemampuan melakukan kerja Sebagai fakta: salah satu cara untuk mengukur energi adalah dengan cara mengukur besar kerja yang dapat dilakukan Sesuai dengan kenyataan dibutuhkan banyak energi untuk melakukan banyak kerja
Energi dapat mempunyai bentuk yang berbeda: Energi Mekanik Bentuk Energi Energi Kimia Energi Radiasi Energi Listrik Energi Nuklir
ENERGI,POSISI DAN GERAK Contoh-contoh berikut akan membantu untuk memahami hubungan antara kerja dan energi: Energi mekanik Energi potensial Energi kinetik
Energi Potensial Jika Anda mengangkat kardus ke atas lemari (seperti gambar), Anda melakukan kerja pada kardus yang besarnya sebanding dengan hasil perkalian gaya ke atas yang dilakukan dengan tinggi lemari dari lantai.
Jika suatu saat, kita tidak sengaja menjatuhkan sebuah koper dari tempat yang tinggi, dan menimpa kaki kita, kita akan kesakitan (lihat gambar) koper melakukan kerja pada kaki kita Kaki kita akan semakin sakit jika koper jatuh dari tempat yang lebih tinggi. (Koper akan melakukan kerja yang lebih besar jika jatuh dari tempat yang lebih tinggi)
Energi yang dimiliki suatu benda karena posisinya Energi Potensial (E P ) Energi Potensial Gravitasi Energi Potensial Pegas
Perubahan energi potensial dapat diukur dari kerja yang dilakukan untuk mengubah posisi benda Kerja yang dilakukan untuk mengangkat bola dari tanah ke ketinggian h adalah mgh Biasanya energi potensial di permukaan tanah dianggap nol. Jadi energi potensial gravitasi dapat dinyatakan energi potensial gravitasi = gaya berat ketinggian E = mgh P
Energi Kinetik Benda yang bergerak mampu melakukan kerja pada benda lain karena geraknya. Benda bergerak memiliki kemampuan melakukan kerja, jadi benda bergerak memiliki energi Energi yang berkaitan dengan gerak benda Energi Kinetik
Ketika Anda melempar bola baseball, untuk waktu yang singkat Anda memberikan gaya pada bola sebelum bola meninggalkan tangan Anda. Saat bola lepas dari tangan, energi kinetik bola sama dengan kerja yang Anda lakukan pada bola
Bola memberikan gaya pada tangan seseorang yang menangkapnya. Kerja total yang dilakukan tangan si penangkap untuk menghentikan bola sama dengan energi kinetiknya.
Ternyata energi kinetik berbanding lurus dengan massa benda bergerak namun kecepatan benda-lah yang memiliki pengaruh terbesar. Energi kinetik sebanding dengan kuadrat kecepatan benda Benda yang bergerak dengan kecepatan 2 kali lebih besar memiliki energi kinetik 4 kali lebih besar Energi kinetik suatu benda dapat dinyatakan dengan: Energi 1 kinetik = (massa) 2 1 2 EK = mv 2 (kecepatan) 2
ALIRAN ENERGI Kunci untuk memahami masing-masing konsep kerja dan energi adalah dengan memahami hubungan antara keduanya Darimanakah energi berasal? Kemanakah energi menghilang?
ALIRAN ENERGI Energi Mekanik Bentuk Energi Energi Kimia Energi Radiasi Energi Listrik Energi Nuklir
Energi Mekanika Bentuk energi yang berhubungan dengan gerak, posisi dan interaksi gravitasi. Energi kinetik dari benda bergerak Energi potensial gravitasi
ENERGI KIMIA Bentuk energi yang melibatkan reaksi kimia. Energi kimia dibutuhkan untuk mengikat atom-atom, ketika ikatan antar atom terlepas, energi dilepaskan energi kimia Fotosintesis: Energi CO 2 Air Gula O 2
ENERGI RADIASI Bentuk energi yang berkaitan dengan energi dari gelombang elektromagnetik Cahaya tampak hanya merupakan bagian kecil dari spektrum gelombang elektromagnetik
ENERGI LISTRIK Bentuk energi yang berasal dari hasil interaksi elektromagnetik
ENERGI NUKLIR Inti atom merupakan sumber energi nuklir: Energi yang terkait dengan reaksi dalam inti atom, seperti reaksi fisi (terpecahnya inti atom) dan fusi Bentuk energi yang digunakan dalam reaktor nuklir
KONVERSI ENERGI Konversi energi adalah perubahan bentuk energi dari satu bentuk ke bentuk lain Semua bentuk energi dapat dikonversi ke bentuk lain: Nuklir Kimia Oksidasi Fotosintesis Fusi Gamma Radiasi Gesekan Sel Surya Elektrolisis Batere, aki Lampu Mesin Gesekan Mesin Listrik Motor listrik Generator listrik Mekanik
Perubahan bentuk energi yang paling sering ditemui adalah perubahan energi potensial menjadi energi kinetik dan sebaliknya Contoh: Ayunan bandul
KEKEKALAN ENERGI Energi dapat berpindah dari satu benda ke benda lain, dan energi juga dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lain. Namun.. Jika kita melakukan perhitungan mengenai jumlah energi sebelum dan sesudah terjadi perpindahan ataupun konversi energi, jumlah totalnya akan tetap sama Pengukuran yang selama ini dilakukan mendukung hal tersebut, konsistensi seperti ini memunculkan hukum alam: HUKUM KEKEKALAN ENERGI Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Energi dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lain, namun jumlah totalnya tetap sama
CONTOH KEKEKALAN ENERGI Silahkan Lihat Animasi badak jatuh.swf
We do not inherit the earth from our parents, we borrow it from our children Chief Seattle
Sumber Energi Pada mulanya, manusia belajar menggunakan energi air dan angin (sumber energi non-fosil) untuk irigasi serta transportasi Kemudian, manusia belajar menggunakan api dari kayu bakar untuk memasak dan menghangatkan tubuh Kemunculan mesin serta teknologi baru saat revolusi industri (sekitar abad ke- 18) sumber energi fosil banyak digunakan
Sumber Energi Sumber energi terbagi menjadi dua yaitu sumber energi dapat diperbaharui dan tidak dapat diperbaharui Tidak dapat diperbaharui Sumber energi fosil Minyak bumi Batubara Gas alam Nuklir Dapat diperbaharui Angin Geotermal Biomass Matahari Air Pasang surut
Sumber Energi Tak Dapat Diperbaharui Merupakan sumber energi yang tidak dapat terbarukan dalam jangka waktu singkat Sumber energi fosil merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui, namun ada juga sumber energi non-fosil yang merupakan sumber energi tidak dapat diperbaharui nuklir
Sumber Energi Fosil Berasal dari sisa makhluk hidup atau organisme lain yang telah membusuk dan terkubur dalam tanah selama jutaan tahun Terdiri dari batubara, minyak bumi, dan gas alam yang tergolong sumber energi tak dapat diperbaharui Tidak dapat diperbaharui digunakan jauh lebih besar dan cepat dibandingkan dengan waktu pembentukannya (jutaan tahun)
Minyak dan Gas Bumi Terbentuk dari sisa organisme yang telah membusuk dan terkubur dalam tanah selama jutaan tahun. Minyak bumi dapat diolah kembali menjadi bentuk lain seperti - avtur bahan bakar pesawat - bensin,solar bahan bakar kendaraan - minyak tanah - aspal, dll Keuntungan: Relatif murah Populer di masyarakat Kerugian: Persediaan minyak bumi dan gas alam semakin sedikit Emisi CO2 Asap yang dihasilkan Mudah terbakar
Proses pembentukan minyak dan gas bumi Samudra, 400 juta tahun lalu Samudra, 50 juta tahun lalu Pasir, lumpur dan batu pasir dan lumpur Sisa organisme yang mati Sisa organisme yang mati Organisme laut yang mati terkubur dalam tanah Selama jutaan tahun, sisa organisme semakin banyak dan terkubur makin dalam. Panas dan tekanan bumi mengubahnya menjadi minyak dan gas Saat ini, manusia harus melakukan pengeboran menembus pasir dan batu untuk mencapai lapisan yang kaya minyak dan gas bumi
Batubara Terbentuk dari sisa tumbuhan yang telah membusuk dan terkubur dalam tanah selama jutaan tahun. Merupakan sumber energi fosil paling berlimpah di alam kandungan di alam cukup untuk cadangan bahan bakar hingga 250 tahun yang akan datang Tiga tingkatan dalam pembentukan batubara Lignite (batubara coklat) Bituminous (batubara lunak) Anthracite (batubara keras)
Batubara Proses pembentukan: 300 juta tahun lalu, bumi sebagian besar ditutupi oleh hutan Tumbuhan mati, membusuk dan membentuk gambut Gambut tertekan antar lapisan endapan untuk membentuk lignit Tekanan yang semakin lama, akan membentuk batubara bituminous Pada akhirnya terbentuk batubara anthracite
Nuklir Energi nuklir berasal dari energi inti suatu atom yang umum digunakan adalah uranium Untuk menghasilkan energi nuklir: Reaksi fusi: atom terpecah dan menghasilkan energi digunakan pada reaktor nuklir Reaksi fusi: beberapa atom bersatu dan menghasilkan energi Keuntungan: Dengan sedikit uranium dapat dihasilkan listrik yang cukup besar Tidak menghasilkan emisi CO2 Dapat diandalkan Kerugian: Masalah keamanan Limbah radioaktif yang dihasilkan sangat berbahaya Membutuhkan biaya besar untuk perawatan dan operasional
Bagaimana energi nuklir dapat menghasilkan listrik? Silahkan Lihat Animasi nuklir.swf
Sumber Energi Dapat Diperbaharui Berasal dari energi yang terdapat pada alam sumber energi non-fosil Mengapa disebut dapat diperbaharui?? Karena tidak akan habis jika dipakai Contoh: Angin akan tetap bertiup, walaupun kita tidak menggunakannya sebagai sumber energi dapat diperbaharui Air akan tetap mengalir, walaupun kita tidak menggunakannya sebagai sumber energi dapat diperbaharui, dll
Air Air yang bergerak dapat menghasilkan listrik pembangkit listrik tenaga air (hydroelectric power) Keuntungan: Tidak menghasilkan emisi CO2 Berumur lebih panjang dibandingkan sumber tenaga lain Kerugian: Biaya yang besar untuk membangun pembangkit baru Dampaknya pada lingkungan: Longsor Alokasi penduduk yang tinggal dekat lokasi pembangkit
Bagaimana energi air dapat menghasilkan listrik? Silahkan Lihat Animasi hidro.swf
Angin Energi kinetik angin dapat diubah menjadi bentuk energi lain seperti: Energi mekanik Digunakan pada kapal layar Petani menggunakan angin untuk memompa air dari sumur, dengan kincir angin, dll Energi listrik Keuntungan: Tidak menghasilkan emisi CO2 Tidak ada bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan turbin Kerugian: Energi angin sulit diprediksi Turbin angin menimbulkan polusi visual dan akustik Mudah tersambar petir
Bagaimana turbin angin bekerja? Angin memutar baling-baling mengelilingi rotor. Rotor terhubung pada poros yang kemudian memutar generator. Generator berputar menghasilkan listrik. Listrik kemudian dialirkan pada penguat tegangan (trafo), lalu dialirkan pada jaringan transmisi, yang kemudian didistribusikan.
Matahari Energi matahari berasal dari radiasi matahari yang mencapai bumi Energi matahari dapat diubah menjadi bentuk energi lain: Energi termal Memanaskan air, bangunan, dll Energi listrik sel surya/ Photovoltaic cell (PV) Keuntungan: Cocok digunakan pada daerah terpencil Harga sel surya semakin murah Listrik dapat disimpan dalam batere Kerugian: Tidak berguna saat malam hari Biaya yang mahal untuk membuat pembangkit Tidak dapat diandalkan
Bagaimana sel surya bekerja? Silahkan Lihat Animasi sel surya.swf
Pasang Surut Memanfaatkan energi kinetik air laut ketika pasang dan surut untuk menghasilkan listrik Keuntungan: Tidak menghasilkan emisi CO2 Tidak ada bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan turbin Pasang dan surut air laut dapat diprediksi dengan pasti Tidak membutuhkan biaya perawatan yang tinggi Kerugian: Dibutuhkan biaya sangat besar untuk membangun pembangkit energi pasang surut Tidak banyak tempat di dunia ini yang dapat menggunakannya Efek buruk terhadap mamalia laut
Bagaimana energi pasang surut bekerja? Ketika air laut pasang, air di dalam bendungan lebih rendah, sehingga air laut akan mengalir masuk ke dalam bendungan, lalu memutar turbin, sehingga dapat menghasilkan listrik Ketika air laut surut, air di dalam bendungan lebih tinggi, sehingga air bendungan akan mengalir keluar menuju laut, lalu memutar turbin, sehingga dapat menghasilkan listrik
Biomass Biomass adalah sisa tumbuhan atau hewan yang telah mati serta sisa makanan yang dapat dibakar, dijadikan sumber energi Keuntungan: Murah Mengurangi pemakaian bahan bakar fosil Mengurangi bahan sisa (sampah) Kerugian: Emisi CO2 akibat pembakaran Mengumpulkan bahan biomass dalam jumlah banyak cukup sulit dilakukan Beberapa jenis bahan biomass tidak tersedia sepanjang tahun
Bagaimana biomass bekerja? Silahkan Lihat Animasi biomass.swf
Geotermal Energi yang berasal dari panas yang terdapat dalam perut bumi Keuntungan: Tidak menghasilkan emisi CO2 Stasiun pembangkit tidak membutuhkan tempat yang luas Tidak menggunakan bahan bakar lain Kerugian: Tidak banyak lokasi yang dapat digunakan sebagai pembangkit geotermal Gas dan mineral berbahaya mungkin dapat muncul ke permukaan tanah
Energi alternatif dan energi masa depan Energi alternatif mengacu pada energi yang berbeda dari sumber energi yang banyak digunakan saat ini (sumber energi fosil) Air 6,24% Nuklir 5,76 % Lain-lain 0,86 % Konsumsi nonpembangkit listrik 0,5 % Mengapa muncul kebutuhan akan energi alternatif dan energi masa depan? Gas Alam 23,35 % Minyak Bumi 35,27 % Batubara 28,02 % Konsumsi Energi Dunia Tahun 2006 Sumber: EIA, BP
Energi alternatif dan energi masa depan Berdasarkan grafik, kurang lebih 86% sumber energi dunia berasal dari sumber energi fosil (minyak bumi, gas alam, batubara) Sumber energi fosil terbatas dalam jumlah serta memberikan dampak negatif bagi lingkungan: Minyak bumi hanya dapat menyuplai energi dunia hingga 40-50 tahun yang akan datang!! Meskipun batubara memiliki jumlah yang melimpah di bumi, namun pembakarannya menghasilkan emisi CO2 terbesar Emisi CO2 dari pembakaran sumber energi fosil menyebabkan efek rumah kaca dan pemanasan global Kesimpulan: Dibutuhkan sumber energi lain selain sumber energi fosil Energi alternatif
Energi alternatif dan energi masa depan Energi alternatif yang dapat digunakan sebagai pengganti sumber energi fosil adalah seluruh sumber energi dapat diperbaharui yang telah dijelaskan: Air Angin Sinar Matahari Pasang Surut Geotermal Biomass Hidrogen fuel cell Kandidat sumber energi masa depan
Sel Bahan Bakar (Fuel Cells) Suatu sel elektrokimia yang secara langsung dan terus menerus mengubah energi reaksi antara hidrogen dan oksigen menjadi energi listrik Jenis fuel cell berdasarkan jenis elektrolit: Phosphoric Acid Fuel Cell o Menggunakan asam fosforik cair sebagai elektrolitnya Molten Carbonate Fuel Cell o Menggunakan campuran garam karbonat cair sebagai elektrolitnya Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) o Menggunakan keramik, atau elektrolit padat o Beroperasi pada temperatur tinggi (1000 0 C) Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) o Menggunakan membran penukar proton sebagai elektrolitnya o Beroperasi pada temperatur yang tidak terlalu tinggi (80 0 C)
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Fuel cell yang menggunakan bahan oksida padat sebagai elektrolitnya untuk mengalirkan ion negatif oksigen dari katoda ka anoda Fuel cell ini dapat menggunakan bahan bakar hidrokarbon (tidak terbatas pada gas hidrogen murni), seperti bensin, gas alam metanol,alkohol, dll kandidat sumber energi masa depan Beroperasi pada temperatur 500 1000 0 C, menyebabkan fuel cell ini tidak menggunakan platina sebagai katalisnya (lebih murah dibandingkan fuel cell jenis lain) serta tidak memerlukan pompa untuk memompa bahan bakar ke dalam sel. Keuntungan Bahan bakar yang digunakan tidak terbatas pada hidrogen Kerugian Elektrolit yang digunakan cukup mahal Efisiensi cukup besar (~60%) Lebih murah (tanpa platina)
Bagaimana SOFC menghasilkan listrik? Oksigen dari udara dialirkan melalui katoda, sementara bahan bakar hidrokarbon seperti metana dialirkan melalui anoda Hidrogen bereaksi dengan anoda, sehingga terionisasi menghasilkan elektron yang mengalir ke rangkaian listrik luar (misal menyalakan lampu), lalu menuju katoda. Elektron tersebut bereaksi dengan oksigen di katoda, membentuk ion negatif oksigen Ion negatif tersebut melewati elektrolit dan bergabung dengan hidrogen di anoda membentuk uap air. Hasil setiap siklus fuel cell ini adalah air, CO2 serta panas
Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Fuel cell yang menggunakan membran polimer padat sebagai elektrolitnya untuk mengalirkan ion positif hidrogen dari anoda ke katoda Beroperasi pada temperatur 80-100 0 C, menyebabkan fuel cell ini membutuhkan waktu singkat untuk beroperasi kandidat sumber energi kendaraan bermotor, menggantikan bensin Keuntungan Beroperasi pada temperatur yang tidak terlalu tinggi Kerugian Bahan bakar yang digunakan terbatas pada gas hidrogen Efisiensi cukup besar (40-60%) Ringan dan mudah dibawa
Bagaimana PEMFC menghasilkan listrik?
Kesimpulan Setelah mendiskusikan sedikit pengantar bagi bahasan ini di bagain Pendahuluan, kita telah mendikusikan topik-topik sebagai berikut Konsep Kerja Daya Energi, Posisi, dan Gerak Konversi Energi Sumber Energi Energi Alternatif dan Energi Masa Depan Topik-topik ini diperlukan untuk memahami konsep energi secara ilmiah dan sumber-sumber energi.
Saran Pemahaman secara ilmiah tentang energi dan sumbersumbernya sangat diperlukan. Sumber-sumber energi yang dikenal dan banyak dipakai saat ini akan habis terpakai. Karena itu kami sarankan untuk mempelajari lebih lanjut topik-topik yang telah didiskusikan dari bukubuku acuan yang ada di daftar pustaka dan juga literatur-literatur lain yang relevan.
Daftar Pustaka Hewitt, Paul G., John Suchocki, Leslie A Hewitt (2007), Conceptual Physical Science Explorations, Pearson Addison Wesley, San Fransisco. Hewitt, Paul G., Suzanne Lyons, John Suchocki, Jennifer Ye (2007), Conceptual Integrated Science, Pearson Addison Wesley, San Fransisco. Tillery, Bill W., (2008), Physical Science 8 th ed., McGraw Hill, Boston. Tillery, Bill W., Eldon D. Enger, dan Frederick C. Ross (2008), Integrated Science 4 th ed., McGraw Hill, Boston.