3.2 · Energy

Energi: akuntan fisika

Tidak ada yang menghancurkan energi — energi hanya berpindah antar tempat penyimpanan dan sebagian terdispersikan ke bentuk yang kurang bermanfaat. Topik kedua OxfordAQA membangun akuntansi ini: usaha dan daya, tiga persamaan tempat penyimpanan energi, kekekalan dengan diagram Sankey, serta pertimbangan di balik sumber energi nasional.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topik 3.2 (Versi 5.1). Pernyataan yang ditandai (P) hanya berlaku untuk Kertas-2-.

Gaya dan energi

Work is done when a force moves its point of application through a distance; work against friction transfers energy by heating (shuttle re-entry, meteorites, brakes). A stretched spring stores elastic potential energy $\frac{1}{2}ke^2$; a raised mass stores gravitational potential energy mgh; a moving mass carries kinetic energy ½mv² — doubling mass doubles it, doubling speed quadruples it (the road-safety link). Power is the rate of energy transfer.

Cek contoh. Mobil 1500 kg pada 20 m/s direkam hingga berhenti: KE terhapus $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — semua ditransfer ke pemanasan rem. Mengangkatnya 2 m pada g = 10 N/kg menyimpan $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.

Contoh terpecahkan (penyimpanan elastis ke penyimpanan kinetik). Pegas katapel memiliki $k = 100$ N/m dan diregangkan sejauh 0.20 m. Energi tersimpan $E_e = \tfrac12 \times 100 \times 0.20^2 = \tfrac12 \times 100 \times 0.040 = 2.0$ J (kuadratkan regangan terlebih dahulu). Jika seluruhnya masuk ke batu 0.050 kg: $\tfrac12 \times 0.050 \times v^2 = 2.0$, sehingga $v^2 = 80$ dan $v = 8.9$ m/s.

Contoh terpecahkan (jatuh). Bola dijatuhkan dari ketinggian 5.0 m. GPE-nya berubah menjadi KE: $mgh = \tfrac12 mv^2$, sehingga $v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 10 \times 5.0} = 10$ m/s, tanpa memandang massanya (mengabaikan gesekan udara).

Contoh terpecahkan (daya). Kren mengangkat beban 500 kg setinggi 12 m dalam waktu 20 s. Energi yang ditransfer $= mgh = 500 \times 10 \times 12 = 60\,000$ J, sehingga $P = 60\,000 \div 20 = 3000$ W $= 3.0$ kW.

Transfer dan dispersi energi

*Toko energi di atas, jalur transfer di bawah; perubahan sistem memindahkan energi antar toko.

Ketika sistem berubah, energi ditransfer — berguna, disimpan, atau terdispersi ("terbuang") ke tempat penyimpanan yang kurang bermanfaat; energi tidak pernah diciptakan atau dihancurkan. Gesekan dan hambatan udara mendispersikan energi melalui pemanasan. (P) Ayunan menukar energi kinetik dan potensial gravitasi setiap ayunannya.

*Ayunan: seluruh energi potensial gravitasi di puncak ayunan, seluruh energi kinetik di bagian bawah.

Diagram Sankey menunjukkan pendistribusian ulang: anak panah bercabang sebanding dengan aliran energi (gambar sesuai skala — lebar ∝ energi).

Cek contoh. Lampu 60 W memberikan 6 W cahaya: efisiensi $= 6/60 \times 100 = 10\%$.

Contoh terpecahkan (energi terbuang). Motor menyerap 800 W dan menghasilkan 600 W daya berguna. Efisiensi $= 600/800 \times 100 = 75\%$. Sisa 200 W terdisipasi, sehingga dalam satu menit $200 \times 60 = 12\,000$ J memanaskan motor dan lingkungannya. Pada diagram Sankey, panah input bercabang menjadi panah berguna tiga kali lebih lebar daripada yang terbuang.

Sumber energi

Bahan bakar dipilih berdasarkan kemudahan penyimpanan, kandungan energi, dan keamanan; beberapa mentransfer lebih banyak energinya secara bermanfaat daripada yang lain. Pembangkitan nasional menimbang keterbaruan terhadap biaya, keandalan, dan biaya lingkungan dari ekstraksi, penggunaan, dan pembuangan.

*Empat teknologi terbarukan dengan satu keunggulan dan satu kekurangan masing-masing.

Kesalahan umum

• Melupakan kuadrat pada $E_e = \tfrac12 ke^2$ atau $E_k = \tfrac12 mv^2$. Kuadratkan dulu $e$ atau $v$, lalu kalikan.
• Menggunakan panjang pegas alih-alih pertumbuhannya, atau sentimeter alih-alih meter.
• Menggunakan massa alih-alih berat dalam $W = F \times d$ untuk lift. Gaya yang dibutuhkan adalah berat, $mg$.
• Mendapatkan efisiensi di atas 100%. Output berguna tidak pernah bisa melebihi total input.
• Mengatakan energi terdisipasi hancur. Energi tersebut masih ada, tersebar di lingkungan sebagai energi termal.
• Menggambar diagram Sankey di mana panah output tidak menjumlahkan panah input.

Periksa diri Anda

1. Hitung usaha yang dilakukan oleh gaya 50 N yang bergerak 4 m.
2. Hitung energi elastis dalam sebuah pegas (k = 200 N/m) yang diregangkan 0.15 m.
3. Buku 2 kg diangkat 3 m pada g = 10 N/kg. Hitung GPE yang diperoleh.
4. Apa yang terjadi pada energi kinetik mobil saat mengerem?
5. Sebuah motor mentransfer 800 J dalam waktu 20 s. Hitung daya mesin tersebut.
6. Nyatakan persamaan efisiensi dalam bentuk energi dan daya.
7. Sebuah lampu memancarkan 12 J cahaya untuk setiap 100 J input. Hitung efisiensinya.
8. Lebar panah pada diagram Sankey menunjukkan apa?
9. Sebutkan satu keunggulan dan satu kelemahan dari tenaga angin.
10. Apa arti "terdisipasi"?

Jawaban: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J; 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J; 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J; 4 energi tersebut dialihkan ke energi termal rem dan lingkungan oleh gaya gesek (rem menjadi panas); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 energi keluar yang berguna ÷ total energi masuk (×100 %); sama seperti daya keluar yang berguna ÷ total daya masuk; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 energi yang mengalir ke arah tersebut — lebar sebanding dengan energi; 9 terbarukan tanpa bahan bakar atau emisi; output tidak dapat diprediksi dengan dampak visual; 10 dialihkan ke penyimpanan yang kurang berguna (seringkali panas limbah), sehingga tidak dapat dengan mudah melakukan hal yang kita inginkan.