Energi

Baterai, pegas yang direntangkan, dan air hangat semuanya menyimpan energi. Energi dapat ditransfer dan disimpan, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Referensi ini mencakup AQA GCSE Fisika 8463, topik 4.1 Energi.

• Setiap kertas ujian bernilai 100 poin dan berdurasi 1 jam 45 menit; ide energi terjadi di kedua kertas ujian.
• AQA saat ini menyediakan Lembar Persamaan Fisika. Periksa sisipan seri Anda; berlatih memilih dan menyusun ulang persamaan serta mengonversi satuan.
• Tunjukkan persamaan, substitusi, dan jawaban dengan satuan. Ikuti instruksi presisi pertanyaan; nilai bergantung pada pertanyaan dan skema penilaian.

Sebuah sistem adalah objek, atau kelompok objek, yang Anda pilih untuk dipikirkan. Ketika sebuah sistem berubah, energi berpindah antar penyimpanan energi. Penyimpanan yang harus Anda sebutkan adalah:

Gunakan nama tempat penyimpanan yang diminta, seperti termal, potensial gravitasi, atau potensial elastis. Skema Juni 2024 menerima simbol tertentu dalam bagian tertentu; ini bukan aturan bahwa setiap simbol diterima dalam setiap pertanyaan penamaan.

Mendeskripsikan perubahan

Energi meninggalkan satu toko dan masuk ke toko lain. Sebutkan kedua bagian tersebut. Latih situasi-situasi berikut, yang disebutkan dalam spesifikasi:

• Benda yang dilempar ke atas: tempat penyimpanan kinetik berkurang dan tempat penyimpanan potensial gravitasi sistem benda-Bumi meningkat. Untuk peluncuran vertikal, kecepatan nol di titik tertinggi.
• Benda bergerak yang menabrak halangan: tempat penyimpanan kinetik habis; tempat penyimpanan termal benda dan halangan meningkat; suara dapat membawa energi menjauh.
• Benda yang dipercepat oleh gaya konstan: tempat penyimpanan sumber (misalnya, tempat penyimpanan kimia baterai) berkurang; kerja mentransfer energi ke tempat penyimpanan kinetik kendaraan. Kerja listrik adalah jalur transfer, bukan tempat penyimpanan listrik.
• Kendaraan yang melambat: toko kinetik kosong; toko termal rem terisi.
• Merebus air dalam ketel listrik: energi kimia dalam bahan bakar pembangkit listrik (atau sumber daya lain) berakhir di toko termal air.

Bagian ini menghitung perubahan energi akibat tiga proses: melalui pemanasan (perbedaan suhu mendorongnya), melalui usaha oleh gaya (gaya menggerakkan sesuatu), dan melalui usaha saat arus mengalir (perangkat listrik mentransfer energi). Listrik dibahas dalam topik 4.2.

Diagram Sankey

Diagram Sankey menunjukkan energi pada skala yang sama. Lebar setiap panah digambar sebanding dengan energi yang dibawanya. Panah kiri adalah input; ia bercabang menjadi output yang berguna dan output yang terbuang.

• Total lebar keluar selalu sama dengan lebar masuk. Energi kekal.
• Energi "terbuang" tidak musnah. Energi tersebut disimpan dengan cara yang kurang berguna, biasanya secara termal.

Latihan terbimbing: menamai simpanan dan mengurangkan pembaziran tenaga

Pemanasan — ditulis guru. Motor memindahkan 60 J dalam 3.0 s. Berapakah kuasa motor tersebut?

Penyelesaian berperingkat. Kuasa adalah kadar pemindahan tenaga. Persamaan yang digunakan ialah $P=E/t$. Penggantian nilai menghasilkan $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. Ini bermakna 20 joule dipindahkan setiap saat; ini tidak menunjukkan kecekapan atau keluaran berguna.

Pemindahan peperiksaan — diadaptasi daripada AQA Jun 2024 Kertas 1H Q01.1, Q01.2 dan Q06.1. Kenal pasti jenis simpanan tenaga yang meningkat apabila air dipanaskan, air diangkat ke dalam takungan, dan tali bungee diregangkan. Cuba jawab sebelum semak: haba/dalam, potensi graviti, potensi anjal. Terangkan nama setiap simpanan berdasarkan perubahan suhu, ketinggian atau regangan. Kerja elektrik boleh memindahkan tenaga ke dalam sistem-sistem ini, tetapi kerja elektrik bukan satu simpanan tenaga.

Keseimbangan motor — ditulis guru. Input ialah 100 J dan tenaga kinetik berguna ialah 80 J. Semua baki tenaga lain mencapai simpanan haba. Kira baki ini dan lukis anak panah Sankey berkadar sebelum menyemak rajah.

Penyelesaian berperingkat. Prinsip keabadian tenaga memberikan $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. Penggantian nilai menghasilkan $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. Lebar input/berguna/hilang pada paksi mempunyai nisbah 100:80:20 = 5:4:1. Tenaga adalah kekal; bahagian yang hilang kurang berguna, namun tidak musnah. Panjang anak panah dan saiz hujungnya tidak mewakili kuantiti tenaga.

Pilih persamaan untuk simpanan yang berubah. Gunakan jisim dalam kg, kelajuan dalam m/s, regangan dan perubahan ketinggian dalam m, serta kekuatan medan graviti soalan $g$ dalam N/kg.

• $E_k$ energi kinetik dalam J; $m$ massa dalam kg; $v$ kecepatan dalam m/s.
• $E_e$ energi potensial elastis dalam J; $k$ konstanta pegas dalam N/m; $e$ peregangan dalam m.
• $E_p$ tenaga potensi graviti dalam J; $h$ kenaikan ketinggian dalam m; $g$ kekuatan medan graviti dalam N/kg.

Dua peringatan yang diuji dalam ujian:

• Peregangan adalah perubahan panjang: panjang tertarik dikurangi panjang asal. "7.5 m peregangan" sudah berarti tambahan panjang tersebut.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ memerlukan batas proporsionalitas tidak dilampaui: di bawahnya, menggandakan peregangan akan menguadratkan energi yang tersimpan.

Latihan guru — regangan dan unit. Spring berkadar panjangnya 10 cm apabila tidak diregangkan dan 22 cm apabila diregangkan, dengan kekakuan $k=50$ N/m. Cari regangan dan tenaga yang disimpan; ramalkan kesan menggandakan regangan tersebut sambil spring kekal berkadar.

Penyelesaian berperingkat. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. Kemudian $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. Menggandakan regangan menghasilkan $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

Contoh berperingkat guru. Pesawat mainan 0.020 kg dilancarkan secara mendatar oleh spring berkadar dengan kekakuan $k = 50$ N/m dan regangan $e = 0.12$ m. Spring kembali ke panjang semula jadi. Anggap tiada perubahan ketinggian dan semua tenaga anjal yang dilepaskan menjadi tenaga kinetik pesawat. Cari kelajuan pelancaran ideal.

• Diketahui: data pegas dan massa. Saat peluncuran, simpanan elastis kosong ke dalam simpanan kinetik. Untuk kecepatan maksimum, asumsikan seluruhnya sampai.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• Mengapa $E_k = E_e$: model ideal yang dinyatakan mengecualikan tenaga yang dipindahkan ke simpanan lain. Dalam pelancaran sebenar, pemindahan haba menyebabkan tenaga kinetik berkurang dan kelajuan lebih rendah.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• Cek: satuannya m/s karena $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

Pemindahan peperiksaan: dua tali dan ketinggian

Diadaptasi daripada AQA Jun 2024 Kertas 1H Q06.2–06.3. Pod 240 kg dilancarkan ke atas oleh dua tali yang bertindak sebagai spring, masing-masing dengan kekakuan $k=735$ N/m dan regangan 8.0 m. Kira kenaikan ketinggian ideal ($g=9.8$ N/kg), dengan mengandaikan semua tenaga anjal awal menjadi tenaga potensi graviti. Terangkan mengapa ketinggian sebenar adalah lebih rendah.

• Diketahui: dua tali identik, sehingga energi tersimpan menjadi dua kali lipat.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• Dalam model ideal ini, semua tenaga anjal awal menjadi tenaga potensi graviti pada titik tertinggi, di mana kelajuan menegak adalah sifar:
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• Rintangan udara menentang pergerakan naik. Sebahagian tenaga anjal awal dipindahkan ke persekitaran bukannya meningkatkan tenaga potensi graviti, maka kenaikan ketinggian sebenar adalah lebih kecil. Frasa “tenaga terbuang” saja tidak menjelaskan pemindahan; tenaga tetap kekal.

Pastikan assumption fizikal dan setiap langkah pengiraan jelas; alokasi markah bergantung kepada soalan tertentu.

Panaskan suatu benda dan simpanan termalnya bertambah. Energi yang dibutuhkan bergantung pada massa, material, dan kenaikan suhu:

• $\Delta E$ perubahan energi termal dalam J; $m$ massa dalam kg; $\Delta\theta$ perubahan suhu dalam °C.
• $c$ kapasitas panas spesifik dalam J/kg °C: energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu kilogram zat sebesar satu derajat Celsius.

Bagi jisim sama yang mendapat tenaga haba sama, bahan dengan $c$ yang lebih tinggi mengalami kenaikan suhu yang lebih kecil. Air mempunyai $c$ kira-kira 4200 J/kg °C; tembaga kira-kira 385 J/kg °C. Kadar pemanANGAN sudu juga bergantung pada jisim dan pemindahan tenaga melalui sentuhan; capacity haba spesifik semata-mata tidak menentukan kadar.

Contoh berperingkat guru. Blok logam 2.0 kg mendapat 26 kJ (26 000 J) tenaga haba. Suhu blok naik dari 22 °C ke 50 °C. Cari $c$.

• Diketahui: energi, massa, dan suhu. Perubahan suhu yang masuk ke dalam persamaan: $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• Cek: J dibagi (kg × °C) menghasilkan J/kg °C.

Pastikan keseragaman unit: 10.5 kJ mesti ditukar kepada 10 500 J; masa dalam minit mesti menjadi saat; jisim dalam gram mesti menjadi kg; kuasa dalam kW mesti menjadi W. Tulis penukaran sebagai baris tersendiri.

Transfer ujian: menyusun semula untuk perubahan suhu

Diadaptasi dari AQA Juni 2024 Kertas 1H Q08.3. Air memperoleh 0.0130 J; massanya adalah $2.60\times10^{-8}$ kg dan $c=1.01$ kJ/kg °C. Temukan perubahan suhu sebelum memeriksa.

• Ubah $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• Susun ulang $\Delta E=mc\Delta\theta$ menjadi $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• Ini adalah kenaikan, bukan bacaan akhir; mencari suhu akhir juga memerlukan suhu awal.

Praktikum Required 1: kapasitas kalor spesifik

Anda harus hafal investigasi ini — ujian meminta Anda untuk mendeskripsikan atau mengevaluasinya di meja ujian.

Metode:

1. Ukur massa $m$ balok logam dengan neraca.
2. Masukkan sedikit air ke dalam lubang termometer untuk kontak termal yang baik, lalu masukkan pemanas dan termometer.
3. Catat suhu awal. Nyalakan sumber daya.
4. Catat arus saat ini $I$ dan beda potensial $V$, serta waktu $t$ pemanas dinyalakan. Daya pemanas adalah $P = VI$ (diberikan dalam topik 4.2; beberapa soal hanya memberikan Anda $P$).
5. Energi yang disuplai adalah $\Delta E = P t$.
6. Catat suhu pada interval teratur dan hitung energi yang disuplai untuk setiap waktu. Plot suhu terhadap energi yang disuplai; bagian awal mungkin melengkung karena keterlambatan termal.
7. Hitung $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

Alasan pengukuran:

• Isolasi balok (pembungkus isolasi) untuk mengurangi energi yang ditransfer ke lingkungan sekitar. Jika sebagian energi yang disuplai memanaskan lingkungan sekitar, menggunakan seluruh energi yang disuplai sebagai kenaikan energi termal balok akan melebih-lebihkan estimasi $c$.
• Tunggu hingga termometer stabil sebelum membaca suhu awal (kontak termal membutuhkan waktu).
• Gunakan bagian lurus grafik suhu terhadap energi yang disuplai setelah lag termal awal. Dalam model ideal, gradiennya adalah $1/(mc)$. Pengulangan membantu menilai variasi tetapi tidak menghilangkan kehilangan panas sistematis.
• Nyatakan bagaimana kesalahan mengubah energi terukur, massa, atau kenaikan suhu. Kontak termometer yang buruk saja tidak menentukan arah kesalahan; kenaikan suhu yang diremehkan menghasilkan estimasi $c$ yang berlebihan jika energi dan massa tetap.

RP1 pemeriksaan kesalahan: hitung sebelum memprediksi

Teacher-written. A 1.0 kg block gains 6000 J and warms by 12 °C. Calculate its $c$. A student records only a 10 °C rise with the same energy and mass. Calculate the resulting estimate and explain the direction of the error.

Kenaikan tercatat yang lebih kecil menghasilkan penyebut yang lebih kecil dan overestimasi $c$. Diagnosis perubahan suhu yang tercatat; jangan tentukan arah kesalahan hanya berdasarkan "kontak buruk" saja.

Dua motor dapat mengangkat beban yang sama melalui ketinggian yang sama. Motor yang lebih cepat memiliki daya yang lebih besar. Daya adalah laju perpindahan energi, atau laju melakukan kerja:

• $P$ daya dalam W; $E$ energi yang dipindahkan dalam J; $W$ kerja yang dilakukan dalam J; $t$ waktu dalam s.
• Perpindahan energi 1 J per detik merupakan daya 1 watt, W.

Konversi yang perlu diingat: 1 kW = 1000 W, 1 MW = $10^6$ W, 1 GW = $10^9$ W, 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = $10^6$ J.

Contoh kerja ditulis guru. Atlet 60.0 kg mendaki ketinggian vertikal 175 cm dalam waktu 1.40 s ($g$ = 9.8 N/kg). Temukan daya berguna rata-rata yang terkait dengan peningkatan energi potensial gravitasi.

• Diketahui: massa, ketinggian, waktu. Ketinggian harus dikonversi: $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• Peningkatan energi potensial gravitasinya merupakan energi yang dipindahkan secara berguna.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• Daya diperoleh dengan membagi energi dengan waktu dalam sekon.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• Semak: ini adalah kadar kenaikan potensi graviti, bukan jumlah pemindahan tenaga kimia. Pemanasan dan pemindahan lain bermaksud lebih banyak tenaga kimia dipindahkan daripada kenaikan yang berguna.

Transfer energi yang dinyatakan per detik sudah merupakan daya: 0.343 J energi potensial gravitasi yang diperoleh setiap detik setara dengan 0.343 W daya berguna. Nilai per detik tidak otomatis menjadi output yang berguna; baca transfer mana yang dijelaskan.

Perbandingan kuasa dan transfer ujian

Latihan ditulis guru. Motor A dan B masing-masing mengangkat beban 20 kg setinggi 2.0 m ($g=10$ N/kg). A membutuhkan waktu 2.0 s; B membutuhkan waktu 4.0 s. Temukan output daya berguna mereka sebelum memeriksa.

A mentransfer energi berguna yang sama dalam setengah waktu: daya berguna dua kali lipat. Efisiensi tidak dapat dibandingkan tanpa data input.

Disesuaikan dari AQA Juni 2024 Kertas 1 Q02.2–02.3. Sebuah pembangkit listrik memiliki daya output 500 MW. Temukan energi outputnya dalam 3600 s, dalam joule. Di sini $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$, dan $P=E/t$ diubah menjadi $E=Pt$.

Pengecekan satuan adalah watt dikali detik sama dengan joule. Output saja tidak menentukan efisiensi.

Energi dapat dipindahkan secara berguna, disimpan, atau dibuang, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi yang terbuang disimpan dengan cara yang kurang berguna. Sering disebut "terbuang", namun tetap ada — biasanya menyebar ke penyimpanan termal lingkungan.

• Untuk keseimbangan energi ini, sistem tertutup tidak menukar energi dengan lingkungan luarnya, sehingga total energinya tidak berubah. Sebutkan objek yang termasuk: energi potensial gravitasi milik interaksi benda–Bumi, bukan bola semata. Jatuh ideal dengan hambatan yang dapat diabaikan mentransfer energi potensial gravitasi ke energi kinetik; vakum itu sendiri tidak mendefinisikan batas sistem.

Ikuti energi melalui jatuh dan benturan

Model tulisan guru. Sertakan bola, Bumi, lantai, dan lingkungan sekitarnya. Asumsikan tidak ada energi yang melintasi batas sistem ini dan abaikan hambatan udara selama jatuh. Bola dimulai dari keadaan diam dengan 20 J energi potensial gravitasi relatif terhadap lantai. Ketika toko energi tersebut adalah 5 J, berapa energi kinetiknya? Setelah benturan dan menetap, di mana energinya?

Setiap baris berjumlah 20 J. Setelah benturan, energi tersebar ke toko termal dalam model sederhana ini; suara mungkin membawa energi di dalam lingkungan yang dipilih sebelum menghilang. Menghitung bola saja memberikan sistem yang berbeda, yang dapat bertukar energi dengan Bumi dan lantai. Energi yang meninggalkan satu objek tidak hilang.

Menjelaskan jawaban "lebih rendah dari perhitungan"

Soal ujian menyukai pola ini: "tinggi/kecepatan/suhu aktual lebih rendah dari jawaban Anda. Jelaskan mengapa." Alasan yang dinilai:

1. Sebutkan penyebabnya: hambatan udara, gesekan antar bagian bergerak, atau energi yang dipindahkan ke lingkungan melalui pemanasan.
2. Nyatakan akibatnya: sebagian energi dari penyimpanan input terbuang ke penyimpanan termal alih-alih menuju penyimpanan yang dituju.
3. Simpulkan: sehingga energi yang masuk ke penyimpanan yang berguna menjadi lebih sedikit.

Mengurangi perpindahan energi yang tidak diinginkan

• Pelumasan mengurangi gesekan antar bagian bergerak, sehingga energi yang terbuang akibat pemanasan berkurang.
• Isolasi termal mengurangi perpindahan energi melalui pemanasan. Dinding tebal, dinding dari material dengan konduktivitas termal rendah, atau isolasi rongga semuanya memperlambat pendinginan sebuah bangunan.

Bandingkan satu faktor pada satu waktu. Dengan luas dinding, ketebalan, dan perbedaan suhu yang sama, konduktivitas termal yang lebih tinggi memberikan transfer yang lebih cepat melalui konduksi. Dengan material yang sama dan kondisi lainnya, dinding yang lebih tebal mengurangi laju ini. Jika kedua ketebalan dan konduktivitas berubah berlawanan arah, deskripsi mereka saja tidak menetapkan peringkat.

Praktikum wajib 2 (hanya fisika): isolator termal

Selidiki efektivitas berbagai material sebagai isolator termal:

1. Tuangkan volume tetap air panas ke dalam gelas kimia yang diberi penutup.
2. Balut gelas kimia dengan satu jenis material (karet busa gelembung, koran, aluminium foil, kapas).
3. Catat suhu saat mendingin selama waktu tetap (atau waktu yang dibutuhkan untuk turun sebesar jumlah tertentu).
4. Ulangi untuk ketebalan terukur sama dan area tertutup bahan yang berbeda; jumlah lapisan yang sama tidak perlu memberikan ketebalan yang sama.
5. Bagian 2: ulangi untuk ketebalan berbeda (lapisan) dari satu material.

Kontrol: volume air yang sama, suhu awal, beaker, penutup, lingkungan, area tertutup, dan waktu pengukuran. Ulangi untuk menilai variasi. Penurunan suhu yang lebih kecil dalam waktu tetap menunjukkan pendinginan yang lebih sedikit di bawah kondisi tersebut. Pertahankan bahan tetap saat menyelidiki ketebapan; pertahankan ketebapan tetap saat membandingkan bahan.

RP2: menafsirkan catatan yang dicatat

Gambar menggunakan buku panduan praktik AQA, halaman PDF 12. Titik-titik adalah nilai yang dicatat yang dihubungkan dengan garis, bukan hukum pendinginan yang disesuaikan. Dalam 15 min, lintasan nol lapisan berubah dari 85 ke 57 °C, dua lapisan dari 86 ke 62 °C, dan enam lapisan dari 86 ke 66 °C. Hitung penurunannya sebelum memeriksa.

Enam lapisan mendingin 4 °C lebih sedikit daripada dua lapisan selama waktu yang sama, dari suhu awal yang sama. Ini mendukung pendinginan yang lebih sedikit dengan tebal koran yang lebih besar di sini. Lintasan nol lapisan dimulai 1 °C lebih dingin. Mengurangkan suhu awal tidak menghilangkan semua efek kondisi awal yang tidak sama; standarisasikan mereka dalam investigasi baru. Lintasan ini membandingkan ketebalan, bukan bahan yang berbeda.

Evaluasi tulisan guru. Air dalam gelas beker yang ditutup dengan 20 mm kapas dimulai dari 90 °C dan berakhir pada 75 °C setelah 10 min. Air dalam gelas beker yang ditutup dengan 2 mm foil dimulai dari 80 °C dan berakhir pada 70 °C. Bahan mana yang merupakan isolator yang lebih baik? Jelaskan batasan dan tingkatkan metode sebelum memeriksa.

Penalaran. Cotton turun $90-75=15$ °C; foil turun $80-70=10$ °C. Material, ketebalan dan suhu awal semuanya berbeda, sehingga tidak ada pembacaan akhir maupun penurunan suhu yang dapat mengisolasi efek material. Gunakan ketebalan terukur yang sama dan area penutup yang seragam, suhu awal yang sama, volume air, peralatan dan lingkungan sekitar yang identik; catat pada waktu yang sama dan ulangi percobaan. Tarik kesimpulan untuk kondisi yang diuji, dengan memperhitungkan variasi.

Bagian dari energi masukan yang berakhir di tempat berguna disebut efisiensi:

• Efisiensi dapat berupa desimal (0 hingga 1) atau persentase (0 % hingga 100 %). Ujian mungkin meminta salah satunya; desimal di atas 1 atau persentase di atas 100 % adalah mustahil — periksa jawaban Anda berdasarkan hal ini.
• Persentase terbuang = $= 100\,\% -$ - persentase berguna.

Contoh kerja yang ditulis guru. Sebuah lampu menggunakan daya listrik 4.0 W dan memiliki efisiensi 0.85 untuk transfer cahaya yang berguna. Tentukan daya cahaya yang berguna dan sisa dayanya.

• Diketahui: total masukan dan efisiensi sebagai desimal. Susun ulang sebelum mensubstitusikan.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• Sisa dayanya adalah $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. Output ditambah sama dengan input; tidak ada energi yang hilang. Efisiensi adalah rasio tanpa satuan.

Transfer ujian — disesuaikan dari AQA Juni 2024 Paper 1H Q01.3. Metode A memanaskan air sebesar 80 °C, menyimpan 33 600 kJ per 100 kg, dan membuang 40%; instalasi mungkin dilakukan di mana saja dalam soal. Metode B memompa air ke atas setinggi 500 m, menyimpan 490 kJ per 100 kg, membuang 25%, dan memerlukan pegunungan tinggi. Bandingkan fraksi yang berguna, energi yang berguna, dan kendala praktis sebelum memeriksa.

• Persentase berguna $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

Metode B memiliki fraksi berguna $f_B=1-0.25=0.75$ dan energi berguna $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. Metode ini lebih efisien daripada A (75% berbanding 60%), tetapi A menyediakan jauh lebih banyak energi useful per 100 kg (20 160 kJ berbanding 367.5 kJ). Jelaskan kedua besaran tersebut, batasan lokasi yang disebutkan, serta perlunya mengisolasi air yang dipanaskan. Gunakan bukti numerik bersama batasan yang disebutkan.

Efisiensi: bandingkan transfer yang berguna secara jelas

Ditulis guru. Peralatan angkat A dan B masing-masing menerima input listrik 2000 W. Output mekanis yang berguna keduanya adalah 1700 W dan 1500 W. Tentukan kedua efisiensi dan selisihnya dalam poin persentase.

Selisihnya adalah $85\%-75\%=10$ poin persentase. A mentransfer fraksi yang lebih besar untuk pengangkatan yang berguna; satuan rasio saling menghilangkan. Jangan confundkan perbedaan poin persentase dengan perubahan persentase relatif.

Penalaran Tier Tinggi. Pelumasan mengurangi disipasi gesekan dalam motor pengangkat; isolasi mengurangi perpindahan termal yang tidak diinginkan dari penyimpanan air panas. Pada input tetap, pengurangan perpindahan yang tidak diinginkan dapat meninggalkan output yang lebih berguna dan efisiensi yang lebih besar. Pada output yang berguna tetap, $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$, sehingga efisiensi yang lebih besar berarti input yang dibutuhkan lebih sedikit. "Berguna" bergantung pada tugas yang dituju: pemanasan berguna untuk menghangatkan ruangan dan mungkin tidak diinginkan pada motor pengangkat.

Sumber energi utama adalah bahan bakar fosil (batu bara, minyak, gas), bahan bakar nuklir, biofuel, angin, tenaga air, geothermal, pasang surut, Matahari dan gelombang air.

Sumber terbarukan diperbarui saat digunakan. Bahan bakar fosil dan nuklir bersifat tidak terbarukan pada skala waktu manusia. Pembaruan, ketersediaan saat dibutuhkan, dan dampak lingkungan adalah pertanyaan yang berbeda. Terbarukan tidak berarti terus-menerus atau bebas risiko. Bandingkan penggunaannya dalam transportasi, pembangkit listrik dan pemanasan. Deskripsi mesin pembangkit tidak diperlukan di sini.

Sumber bahan bakar: penggunaan dan trade-off

• Batubara, minyak dan gas: listrik atau pemanasan; bahan bakar berbasis minyak banyak digunakan dalam transportasi. Pembangkitan bergantung pada pasokan bahan bakar dan pemeliharaan. Pembakaran melepaskan karbon dioksida; belerang dalam bahan bakar dapat menghasilkan sulfur dioksida, berkontribusi terhadap hujan asam.
• Bahan bakar nuklir: listrik, menggunakan bahan bakar terbatas. Pemeliharaan dan masa henti mempengaruhi ketersediaan. Tidak ada emisi CO$_2$ akibat pembakaran selama pembangkitan, tetapi limbah radioaktif memerlukan pengelolaan yang aman.
• Biofuel: transportasi, pemanasan atau listrik. Sumber biologisnya dapat diganti, namun produksinya membutuhkan lahan dan waktu. Pembakaran melepaskan CO$_2$. Pertumbuhan kembali dapat menyerap CO$_2$, namun keseimbangan keseluruhan juga bergantung pada budidaya, pengolahan dan perubahan penggunaan lahan; netralitas karbon tidak terjadi otomatis.

Enam sumber terbarukan lainnya

Turbin angin dapat memengaruhi satwa liar dan menimbulkan kebisingan; instalasi tenaga surya memerlukan ruang dan bahan. Waduk dapat merendam daratan dan mengubah habitat sungai. Pengembangan geotermal melibatkan pengeboran lokal. Instalasi pasang surut dan ombak dapat memengaruhi habitat laut serta mahal untuk dibangun dan dirawat. Bedakan dampak lingkungan dengan kendala teknis dan biaya ekonomi. Klaim bahwa tidak ada emisi pembakaran bahan bakar selama operasi tidak berarti nol dampak selama manufacture, konstruksi, dan pembuangan.

Contoh terpecahkan: waktu operasi aktual

AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q02.5 menyebutkan satu pembangkit nuklir menghasilkan listrik selama 92% dari tahun 365-hari. Dengan $f$ pecahan penghasilannya:

Sekitar 336 hari (skema soal ini menerima 335 atau 336). Pembangkit tersebut tidak menghasilkan listrik sepanjang tahun; jangan menggeneralisasi persentasenya ke setiap pembangkit. Fraksi waktu ini saja tidak memberikan keluaran energi listrik maupun efisiensi.

Menafsirkan tren: coba, lalu periksa

Data fiksi buatan guru, hanya dua kategori yang berkontribusi pada setiap total:

TWh adalah satuan energi. Temukan setiap total dan bagian fosil. Apakah jumlah energi fosil menurun?

Periksa:

Bagiannya turun sebanyak 20 poin persentase, tetapi energi fosil meningkat sebesar 10 TWh. Penurunan bagian saja tidak dapat membuktikan penurunan emisi.

Mengambil keputusan berdasarkan bukti

Tugas buatan guru: sebuah klinik membutuhkan listrik sepanjang malam. Panel surya tidak menghasilkan output di malam hari; generator gas yang terawat dapat berjalan jika bahan bakar disuplai. Pembangkitan surya tidak memiliki CO$_2$ pembakaran bahan bakar; pembakaran gas melepaskan CO$_2$. Jelaskan komprominya, usulkan suplai yang mungkin, dan identifikasi bukti yang hilang.

Periksa: surya saja tidak memenuhi kebutuhan malam hari. Surya dengan penyimpanan yang diisi daya atau cadangan lain bisa bekerja jika daya dan energi tersimpan memenuhi permintaan. Gas dapat menyediakan daya di malam hari, dengan bahan bakar dan pemeliharaan, tetapi melepaskan CO$_2$. Periksa permintaan, kapasitas penyimpanan, kondisi pengisian, pasokan bahan bakar, biaya, dan situs sebelum memilih. Pembiayaan adalah kendala ekonomi; akses ke perawatan yang andal adalah masalah sosial. Peraturan perencanaan adalah kendala politik, dan pembagian biaya serta manfaat secara adil menimbulkan pertanyaan etis. Sains mengidentifikasi dan mengukur masalah; keputusan juga bergantung pada kendala-kendala ini. Kesimpulan harus mengikuti bukti dan prioritas yang dinyatakan; tidak ada kalimat penutup standar yang menjamin nilai.

Pengingat 1: hubungkan persamaan-persamaan

Buatan guru: motor menerima 5.0 J dalam 2.0 s. Motor tersebut menggerakkan gerobak bermassa 0.50 kg dari keadaan diam di lintasan datar. Gerobak memperoleh 4.0 J energi kinetik; sisanya memanaskan sistem dan lingkungan. Temukan kecepatan akhir, efisiensi untuk menggerakkan gerobak, daya masuk rata-rata, dan perpindahan energi yang tersisa. Cobalah sebelum memeriksa.

Periksa: karena kecepatan awal adalah nol, energi kinetik akhir adalah 4.0 J.

Energi 1.0 J tersebut ditransfer melalui pemanasan. Energi kekal.

Pengambilan 2: diagnosis tiga klaim

1. RP1: seluruh input pemanas digunakan sebagai kenaikan energi blok, padahal sebagian memanaskan ruangan. Dengan massa dan kenaikan suhu terukur yang tetap, apa yang terjadi pada kapasitas panas spesifik yang dihitung?
2. RP2: kedua lapisan isolasi dan volume air berubah. Mengapa kesimpulan tentang lapisan tidak dapat diandalkan? Sebutkan variabel kontrol.
3. Panel surya disebut pasokan malam hari yang terjamin karena tenaga surya dapat diperbarui. Apa kesalahannya dan apa tambahan yang diperlukan?

Periksa:

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. Menggunakan nilai input yang lebih besar akan melebih-lebihkan $c$ dalam kasus yang disebutkan.
2. Dua variabel yang berubah mengacaukan hasil. Jaga volume, wadah, suhu awal, waktu, dan lingkungan tetap; ulangi pengukuran dan bandingkan penurunan suhu selama periode waktu yang sama.
3. Pengisian ulang tidak menjamin ketersediaan daya saat dibutuhkan. Diperlukan penyimpanan terisi yang memadai atau sumber lain pada malam hari.

Gunakan istilah yang diminta, tunjukkan persamaan dan satuan, serta ikuti instruksi presisi soal. Penyebab dan konsekuensi fisiknya lebih berguna daripada daftar hafalan.

Kesalahan umum

• Memasukkan panjang regangan ke dalam $E_e = \tfrac12 ke^2$. Gunakan perpanjangan $e$ = panjang regangan − panjang awal, dalam meter.
• Lupa mem Kuadratkan kecepatan di $E_k = \tfrac12 mv^2$. Menggandakan kecepatan membuat energi kinetik menjadi empat kali lebih besar.
• Menggunakan gram di $\Delta E = mc\Delta\theta$ atau menit di $P = E/t$. Ubah ke kg dan s terlebih dahulu.
• Memberikan efisiensi di atas 100% (atau 1). Output berguna tidak pernah melebihi input total; jika ya, kedua angka tersebut tertukar.
• Berkata bahwa energi "habis" atau "hilang". Energi tersebut terdispersi: ditransfer ke tempat penyimpanan yang kurang berguna, biasanya tempat penyimpanan termal lingkungan, dan totalnya tetap sama.
• Menyebut sumber terbarukan sebagai andal. Angin dan surya adalah terbarukan, tetapi outputnya bergantung pada cuaca dan waktu.