Energi: tersimpan, ditransfer, terbuang
Tidak ada yang ‘menghabiskan’ energi — energi hanya berpindah antar penyimpan dan bocor di sepanjang jalurnya. Bagian ini menyebutkan penyimpan dan transfer, mengukur efisiensi dengan diagram Sankey, menelusuri panas melalui konduksi, konveksi, dan radiasi, menghubungkan usaha, energi potensial gravitasi, dan energi kinetik, serta (P) menimbang bagaimana listrik dihasilkan.
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Bagian 4 (pernyataan 4.1–4.19P). Satuan: joule (J), watt (W), newton (N), dan (P) J/kg °C.
Transfer energi
Delapan penyimpan: kimia, kinetik, gravitasi, elastis, termal, magnetik, elektrostatik, nuklir. Empat jalur transfer: secara mekanis, secara elektrik, melalui pemanasan, melalui radiasi (cahaya dan suara). Energi terjaga — totalnya tidak berubah; perangkat hanya mengalihkan sebagian dari penyimpanan yang diinginkan ke penyimpanan yang tidak diinginkan.
Cek contoh. Lampu di atas: efisiensi $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
Contoh terpecah (efisiensi kedua arah). Teko menggunakan 2000 J energi listrik dan 1800 J di antaranya memanaskan air; sisanya 200 J memanaskan teko dan udara. Efisiensi $= 1800/2000 \times 100 = 90\%$.
Bekerja mundur: sebuah lampu memiliki efisiensi 25% dan memancarkan 15 J cahaya setiap detik. Masukan haruslah $15 \div 0.25 = 60$ J setiap detik, sehingga itu adalah lampu 60 W; sisanya 45 J setiap detik terbuang sebagai panas.
Transfer energi termal
Panas bergerak dengan tiga cara, masing-masing memiliki mekanisme sendiri dan masing-masing dapat dicegah oleh pertahanan yang berbeda.
Konduksi: getaran partikel mentransfer energi melalui zat padat — cepat pada logam (elektron bebas). Konveksi: fluida memanas, mengembang, menjadi kurang padat dan naik; fluida dingin turun untuk menggantikannya — angin laut, radiator memanaskan ruangan. Radiasi: gelombang inframerah merambat melalui ruang hampa; permukaan gelap dan kusam adalah pemancar dan penyerap terbaik; permukaan terang dan mengkilap memantulkan. Mengurangi perpindahan yang tidak diinginkan: isolasi (dinding rongga, loteng, kaca ganda mengurangi konduksi dan konveksi; foil mengkilap memantulkan radiasi).
Usaha, daya, dan persamaan energi
Usaha sama dengan energi yang ditransfer. Jatuh, GPE berubah menjadi KE (dikurangi usaha melawan hambatan udara).
Cek terarah. Buku 2 kg diangkat 1.5 m pada g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. Dilepaskan, di tanah $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. Lampu 60 W menyala 10 s: $W = 60 \times 10 = 600$ J.
Contoh terpecah (KE berubah menjadi GPE). Bola 0.50 kg dilempar lurus ke atas dengan kecepatan 8.0 m/s. Abaikan gesekan udara ($g = 10$ N/kg).
- Energi kinetik pada awal: $KE = \tfrac12 \times 0.50 \times 8.0^2 = \tfrac12 \times 0.50 \times 64 = 16$ J. Kuadratkan kecepatan terlebih dahulu.
- Di titik tertinggi seluruh 16 J adalah GPE: $h = \dfrac{GPE}{mg} = \dfrac{16}{0.50 \times 10} = 3.2$ m.
Bola 1.0 kg yang dilempar dengan kecepatan yang sama juga mencapai ketinggian 3.2 m: massa saling menghilangkan.
Contoh terpecah (daya dan efisiensi bersamaan). Motor listrik mengangkat beban 20 kg setinggi 3.0 m dalam waktu 5.0 s. Usaha berguna $= mgh = 20 \times 10 \times 3.0 = 600$ J, sehingga daya berguna $= 600 \div 5.0 = 120$ W. Motor menyerap 1000 J energi listrik dalam waktu tersebut, sehingga efisiensinya adalah $600/1000 \times 100 = 60\%$.
Sumber energi dan pembangkitan listrik (P)
Setiap pembangkit listrik adalah rantai transfer energi dari penyimpanan ke listrik; tabel ini menyebutkan tujuh yang diperlukan oleh spesifikasi.
| Metode | Transfer energi | Kelebihan | Kekurangan |
|---|---|---|---|
| angin | kinetik → listrik | terbarukan, tanpa biaya bahan bakar | tidak dapat diprediksi, dampak visual/kebisingan |
| hidroelektrik | gravitasi → listrik | terbarukan, pasokan instan | membanjiri lembah, lokasi terbatas |
| panas bumi | termal → listrik | terbarukan, stabil | sedikit lokasi yang sesuai |
| pemanas surya | termal (air panas) | terbarukan, tanpa biaya operasional | bergantung siang hari/mendung |
| sel surya | cahaya → listrik | terbarukan, tenang | mahal, output intensitas rendah |
| bahan bakar fosil | kimia → termal → listrik | andal, terkonsentrasi | emisi CO₂, tidak terbarukan |
| nuklir | nuklir → termal → listrik | energi besar per kg, tanpa CO₂ | limbah radioaktif, dekomisioning |
Kesalahan umum
- Memberikan nilai efisiensi di atas 100%, atau mencampur desimal (0.6) dengan persentase (60%). Pastikan output berguna ≤ masukan total, dan nyatakan bentuk mana yang Anda gunakan.
- Menyatakan energi habis terpakai. Energi tersebut dipindahkan ke penyimpanan lain, sebagian besar ke penyimpanan termal lingkungan, di mana energi itu tidak lagi berguna.
- Lupa mengkuadratkan kecepatan dalam $KE = \tfrac12 mv^2$, atau menggunakan massa dalam gram. Gunakan kilogram, dan kuadratkan $v$ sebelum dikalikan.
- Menyatakan permukaan mengkilap merupakan pemancar baik. Permukaan gelap dan matte adalah pemancar dan penyerap inframerah terbaik; permukaan mengkilap memantulkannya.
- Menyatakan panas naik. Fluida panas naik karena berekspansi dan menjadi kurang padat; konveksi tidak dapat terjadi dalam benda padat.
- Menyebut sumber terbarukan sebagai andal. Angin dan surya bersifat terbarukan tetapi bergantung pada cuaca.
Periksa diri Anda
- Sebutkan empat penyimpanan energi dan dua jalur transfer.
- Sebuah motor menggunakan 500 J dan menghasilkan 350 J kerja berguna. Hitung efisiensinya.
- Sebutkan tiga metode transfer panas dan satu yang tidak memerlukan medium.
- Permukaan mana yang memancarkan inframerah paling baik?
- Nyatakan dua cara rumah mengurangi kehilangan panas yang tidak diinginkan.
- Hitung usaha yang dilakukan oleh gaya 40 N yang bergerak 3 m.
- Hitung KE mobil 800 kg pada 20 m/s.
- Pemanas mentransfer 12 000 J dalam waktu 30 s. Hitung dayanya.
- (P) Sebutkan satu keunggulan dan satu kelemahan dari tenaga angin dan tenaga nuklir.
- (P) Dua metode terbarukan mana yang mengekstrak energi yang sudah tersimpan sebagai panas di dalam tanah atau air yang mengalir?
Jawaban: 1 kimia, kinetik, gravitasi, termal (juga elastis, magnetik, elektrostatik, nuklir); mekanis dan listrik (juga pemanasan, radiasi); 2 $350/500 \times 100 = 70\%$; 3 konduksi, konveksi, radiasi — radiasi tidak memerlukan medium; 4 permukaan gelap, kusam (hitam doff); 5 isolasi lot/tembok berlapis dan kaca ganda (juga foil reflektif, penutup celah); 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W; 9 (P) angin — terbarukan tanpa biaya bahan bakar, tetapi tidak dapat diprediksi dan mengganggu pemandangan; nuklir — energi sangat besar per kilogram tanpa CO₂, tetapi limbah radioaktif harus disimpan dengan aman selama berabad-abad; 10 (P) panas bumi (panas tanah) dan hidroelektrik (penyimpanan gravitasi air).