Dasar-dasar Konversi Energi
Dr. Lucia Wiwid Wijayanti
Pengantar Energi
Salah satu tujuan dari pokok bahasan ini adalah untuk memahami bahasa energi dan konversi energi.
Untuk mencapainya, pertanyaan-pertanyaan berikut perlu dijawab:
• Apa itu energi?
• Bagaimana kita membandingkan bentuk energi?
• Bagaimana energi diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya?
• Bagaimana cara menghitung efisiensi konversi energi?
Energi: Bentuk dan Perubahan
Sifat Energi
Energi ada di sekitar kita.
Kita dapat mendengar energi sebagai suara.
Kita dapat melihat energi sebagai cahaya.
Kita bisa merasakan energi sebagai angin.
Kita menggunakan energi ketika:
• memukul bola softball.
• mengangkat tas buku.
• menekan pegas.
Organisme hidup membutuhkan energi untuk tumbuh dan bergerak.
Energi terlibat ketika:
Seekor burung terbang.
Sebuah bom meledak.
Hujan turun dari langit.
Listrik mengalir dalam kawat.
Apakah energi sehingga dapat terlibat dalam begitu banyak kegiatan yang berbeda?
Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.
Jika suatu benda atau organisme melakukan kerja (mengerahkan gaya pada jarak tertentu untuk memindahkan suatu benda), objek atau
organisme tersebut menggunakan energi.
Karena hubungan langsung antara energi dan kerja, energi diukur dalam satuan yang sama dengan kerja: joule (J).
Selain menggunakan energi untuk melakukan kerja, benda memperoleh energi karena kerja yang dilakukan pada mereka.
Bentuk Energi
Enam bentuk utama energi adalah:
1. Panas 2. Kimia
3. Elektromagnetik 4. Nuklir
5. Mekanis 6. Listrik
Bentuk energi dan satuannya
Energi panas
• Gerakan internal atom disebut energi panas, karena partikel yang bergerak menghasilkan panas.
• Energi panas dapat dihasilkan oleh gesekan.
• Energi panas menyebabkan perubahan suhu dan fase dari segala bentuk materi.
Energi kimia
• Energi Kimia diperlukan untuk mengikat atom bersama-sama.
• Ketika ikatan putus, energi dilepaskan.
• Bahan bakar dan makanan adalah bentuk energi kimia yang tersimpan.
Energi listrik
Jaringan listrik membawa energi listrik ke rumah-rumah.
Energi elektromagnetik
• Cahaya adalah salah satu bentuk energi elektromagnetik.
• Setiap warna cahaya mewakili jumlah energi elektromagnetik yang berbeda.
• Energi elektromagnetik juga dibawa oleh sinar-X, gelombang radio, dan sinar laser.
Energi nuklir
• Inti atom adalah sumber energi nuklir.
• Ketika inti membelah (fisi), energi nuklir dilepaskan dalam bentuk energi panas dan energi cahaya.
• Energi nuklir juga dilepaskan ketika inti bertabrakan dengan kecepatan tinggi dan bergabung (fusi).
Energi matahari dihasilkan dari reaksi fusi nuklir
di mana inti hidrogen melebur membentuk inti helium.
Energi nuklir
adalah bentuk energi
yang paling terkonsentrasi.
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir mengubah energi nuklir
menjadi energi listrik.
Energi Mekanik
• Ketika kerja dikenakan pada suatu benda, benda tersebut
memperoleh energi. Energi yang diperolehnya dikenal sebagai energi mekanik.
• Saat bola ditendang, energi mekanis dikenakan pada bola untuk membuatnya bergerak.
Saat bola dilempar, energy diberikan
kepada bola tersebut.
Ketika bola bowling mengenai pin,
sebagian energi ditransfer ke pin
(transfer momentum).
Konversi energi
• Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Perubahan bentuk energi disebut konversi energi.
• Semua bentuk energi dapat diubah menjadi bentuk lain.
• Energi matahari melalui sel surya dapat diubah langsung menjadi listrik.
• Tumbuhan hijau mengubah energi matahari (elektromagnetik) menjadi pati dan gula (energi kimia).
• Pada motor listrik, energi listrik diubah menjadi energi mekanik.
• Dalam mesin mobil, bahan bakar dibakar untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas. Energi panas tersebut kemudian diubah menjadi energi mekanik.
• Dalam baterai, energi kimia diubah menjadi energi listrik.
• Energi mekanik air terjun diubah menjadi energi listrik dalam generator.
Kimia → Panas → Mekanik
Keadaan Energi
• Konversi energi yang paling umum adalah konversi antara energi potensial dan kinetik.
• Semua bentuk energi dapat berada di salah satu dari dua keadaan:
Potensial Kinetik
Keadaan Energi: Energi Kinetik dan Potensial
• Energi Kinetik adalah energi gerak.
• Energi Potensial adalah energi yang tersimpan.
Energi Kinetik
• Energi gerak disebut energi kinetik.
• Semakin cepat suatu benda bergerak, semakin besar energi kinetik yang dimilikinya.
• Semakin besar massa benda yang bergerak, semakin besar energi kinetik yang dimilikinya.
• Energi kinetik bergantung pada massa dan kecepatan.
Energi kinetik = Massa x kecepatan2 2
• Apa yang memiliki pengaruh lebih besar dari energi kinetik, massa atau kecepatan? Mengapa?
Energi potensial
• Energi Potensial adalah energi yang tersimpan.
• Disimpan secara kimia dalam bahan bakar, inti atom, dan dalam makanan.
• Atau disimpan karena kerja yang dilakukan di atasnya:
➢Peregangan karet gelang.
➢Memutar jam tangan.
➢Menarik kembali panah busur.
➢Mengangkat batu bata tinggi-tinggi di udara.
Energi potensial:
energi yang memiliki massa, posisi dalam medan gaya, dll.
• potensial listrik (tegangan/voltage)
mekanisme penyimpanan: kapasitor, induktor, superkonduktor
• potensial gravitasi
mekanisme penyimpanan: menara air, bendungan hidrolik, mengangkat beban
• potensial inersia
mekanisme penyimpanan: inersia fluida, massa bergerak
• kompresi fluida
mekanisme penyimpanan: tabung gas, tangki propana, silinder piston
• potensial kimia: (energi internal, entalpi dalam termodinamika)
mekanisme penyimpanan: baterai, batu bara, minyak bumi, hidrogen, glukosa
• termal:
mekanisme penyimpanan: massa, Phase Change Material (PCM)
Energi yang disimpan karena diregangkan atau ditekan
disebut
energi potensial elastis.
Energi Potensial Gravitasi
Energi potensial
yang bergantung pada ketinggian disebut
energi potensial gravitasi (EPG).
Air terjun dan kepingan salju yang jatuh semuanya memiliki energi potensial gravitasi.
Jika kita berdiri
di papan loncat 3 meter, kita memiliki
3 kali energi potensial gravitasi, dibandingkan
energi potensial gravitasi di papan loncat 1 meter.
"Semakin besar mereka, semakin keras mereka jatuh" bukan hanya
pepatah. Itu benar. Benda dengan massa lebih besar memiliki EPG yang lebih besar.
Rumus untuk mencari EPG. adalah EPG = Berat X Tinggi.
Konversi Energi Potensial-Kinetik
Roller coaster bekerja karena energi yang dibangun ke dalam sistem.
Awalnya, mobil ditarik secara mekanis ke atas bukit tertinggi, memberi mereka banyak energi potensial. Konversi antara energi potensial dan energi kinetik menggerakkan mobil sepanjang perjalanan.
Hukum Kekekalan Energi
• Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dengan cara biasa.
• Itu hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.
• Pada tahun 1905, Albert Einstein mengatakan bahwa massa dan energi dapat diubah menjadi satu sama lain.
• Dia menunjukkan bahwa jika materi dihancurkan, energi diciptakan, dan jika energi dihancurkan, massa dibuat.
• E = mc2
Konversi Energi
• Proses konversi energi dapat dibagi menjadi Konversi Langsung dan Tidak Langsung.
• Konversi langsung adalah proses satu langkah misalnya konversi fotovoltaik dari energy elektromagnetik menjadi energi listrik.
• Langsung: Proses konversi satu langkah fotovoltaik: elektromagnetik → listrik baterai: kimia → listrik
pendingin termoelektrik (TEC): termal → listrik
• Tidak Langsung: Proses konversi multi-langkah
Siklus diesel (gas): kimia → termal → mekanik → mekanik
Kincir angin
Mekanik →mekanik→mekanik→listrik
Teknologi penyimpanan energi
Perbandingan teknologi penyimpanan energi
Efisiensi konversi energi
• Efisiensi konversi energi didasarkan pada gagasan kerja yang berguna.
Sebagian energi yang diubah tidak diubah menjadi bentuk yang diinginkan.
• Definisi umum efisiensi dapat dinyatakan sebagai rasio energi yang dikehendaki dengan biaya energi.
