HUKUM KEKEKALAN ENERGI

HUKUM KEKEKALAN ENERGI

A.      ASAL MULA KONSERVASI ENERGI

Pada tahun 1831 Faraday telah memperkenalkan bidang listrik magnet. Pada percobaan sebelumnya ia telah menemukan bahwa arus listrik dapat menghasilkan sifat kemagnetan, kemudian di percobaan berikutnya ia menunjukkan bahwa magnet memiliki kekuatan dalam keadaan tertentu untuk menghasilkan listrik. Ia telah membuktikannya, dan memang benar adanya hubungan antara listrik dan sifat kemagnetan. Ia kemudian menujukkan bahwa seluruh bagian, baik banyak ataupun sedikit akan dipengaruhi oleh gaya magnet, dan bahkan cahaya dapat dipengaruhi oleh magnet contohnya pada fenomena polarisasi. Ia yakin bahwa ia telah melengkapi segala sesuatu yang berhubungan dengan kelistrikan secara keseluruhan, konvertibilitas listrik dan aksi kimia.

Kemudian ia menghubungkannya dengan cahaya, afinitas kimia, sifat kemagnetan, dan kelistrikan. Dan lebih jauh, ia mengetahui sepenuhnya bahwa tak seorangpun dapat memproduksi kekuatan (energi) dan menyediakan satu sama lain sampai kapanpun. “ Tidak  di tempat manapun” katanya. “ Apakah mungkin  ada energi yang tercipta dengan sendirinya tanpa adanya suatu  pemasok yang cocok untuk menyediakannya.” Faraday kemukakan ini nyaris tidak disadari sebagian besar orang dan ini merupakan sebuah kebenaran dan setelah keluarnya pernyataan ini, gagasan yang dibuatnya ini kemuadian dikenal sebagai sebagai doktrin dari “konservasi energi”, hukum yang menyatakan pengubahan energi dai satu bentuk ke bentuk lainnyatidak akan pernah terjamin dalam suatu kuantitas yang sama, atau singkatnya “untuk menciptakan atau memusnahkan energi adalah suatu ketidakmungkinan, dan seluruh fenomena dari materi di alam semesta terbentuk dari transformasi energi.

# Note: pemikiran faraday ini merupakan dasar dari hukum kekekalan energi, dengan kata lain, mulai muncul ide untuk melakukan penelitian mengenai konservasi energi ini muncul setelah gagasan faraday muncul.

Energi panas, tidak mampu dibuat, melainkan bentuk dari suatu transformasi energi.         Untuk membuktikan kebenaran mengenai konservasi energi ini, pad abad ke-18 Count Rumford and Humphry Davy  menunjukkan,  kerja mungkin diubah kedalam bentuk panas, dan penafsiran yang benar dari fakta ini berarti transormasi dari molar menjadi gerakan intro molekular. Namun sebelum Joule bereksperimen dengan transformai panas, seorang berkebangsaan Denmark  telah mempelajarinya terlebih dahulu, seorang ahli filsafat Kopenhagen, Colding namanya telah mendapat ide yang sama dan telah mempertunjukkannya. Dan masih di era yang sama di negara Jerman, 3 orang ilmuan yang telah terlebih dahulu melakukannya dari Joule dan Colding hampir mampu menunjukkan kebenaran dari hukum ini, namun sayangnya mereka belum dapat memaparkan secara jelas dan tidak mampu mempertunjukkannya. Nama dari ketiga orangan jerman itu adalah Mohn, Mayer, dan Helmothz. Mereka bertiga telah berjasa besar memberikan doktrin terhadap konservasi energi yang saat ini tengah menjadi perhatian kita.

Karangan Mayer pada 1847

Helmholtz merangkum kesimpulan dalam esainya sebagai berikut: Tidak mungkin untuk menurunkan jumlah tak terbatas dari kekuatan mekanik (energi) meskipun dengan cara apapun termasuk mengkombinasikannya sedimikian rupa secara alamiah.

B.       JAMES PRESCOTT JOULE DAN HUKUM KEKEKALAN ENERGI

James Prescott Joule, seorang ilmuwan Inggris yang namanya diabadikan menjadi satuan energi Joule ini lahir di Salford, Lancashire, Inggris pada 24 Desember 1818.

James Prescott Joule merumuskan Hukum Kekekalan , yaitu "Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan."

Ia adalah anak seorang pengusaha bir yang kaya raya, namun sedikitpun ia tidak pernah merasakan pendidikan di sekolah hingga usia 17 tahun. Hal ini disebabkan karena sejak kecil ia selalu sakit-sakitan akibat luka di tulang belakangnya. Sehingga, ia terpaksa hanya tinggal di rumah sepanjang hari.

Karena itu, ayahnya sengaja mendatangkan guru privat ke rumahnya dan menyediakan semua buku yang diperlukan Joule. Tidak hanya itu, ayahnya bahkan menyediakan sebuah laboratorium khusus untuk Joule. Meskipun begitu, Joule tidak hanya mengandalkan pelajaran yang ia dapatkan dari guru privatnya. Joule tetap berusaha belajar sendiri sehingga sebagian besar pengetahuan yang dimilikinya diperoleh dengan cara belajar sendiri. Joule dikenal sebagai siswa yang rajin belajar, rajin bereksperimen, dan juga rajin menulis buku. Bukunya yang berjudul Tentang Panas yang Dihasilkan oleh Listrik terbit pada tahun 1840 saat ia berusia 22 tahun.

Tiga tahun kemudian tepatnya pada tahun 1843 bukunya mengenai ekuivalen mekanik panas terbit. Lalu, empat tahun berikutnya (1847) ia juga menerbitkan buku mengenai hubungan dan kekekalan energi. Buku-buku hasil karyanya tersebut begitu menarik perhatian Sir William Thomson atau dikenal dengan nama Lord Kevin. Sehingga, akhirnya Joule bekerja sama dengan Thomson dan menemukan efek Joule-Thomson.

Efek tersebut merupakan prinsip yang kemudian dikembangkan dalam pembuatan lemari es. Efek tersebut menyatakan bahwa apabila gas dibiarkan berkembang tanpa melakukan kerja ke luar, maka suhu gas itu akan turun, Joule diambil dari satuan unit yang didefinisikan sebagai besarnya energi yang dibutuhkan untuk memberi gaya sebesar satu Newton sejauh satu meter. Oleh sebab itu, 1 joule sama dengan 1 newton meter (simbol: N.m). Selain itu, satu joule juga adalah energi absolut terkecil yang dibutuhkan (pada permukaan bumi) untuk mengangkat suatu benda seberat satu kilogram setinggi sepuluh sentimeter.

Definisi satu joule lainnya yaitu pekerjaan yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan listrik sebesar satu coulomb melalui perbedaan potensial satu volt, atau satu coulomb volt (simbol: C.V). 1 joule juga dapat didefinisikan sebagai pekerjaan untuk menghasilkan daya satu watt terus-menerus selama satu detik, atau satu watt sekon (simbol: W.s).

Konversi 1 joule adalah sama dengan 107 erg.

1 joule mendekati sama dengan: 6.241506363x1018 eV (elektron volt), 0.239 kal (kalori), 2.7778x10-7 kwh (kilowatt-hour), 2.7778x10-4 wh (watt-hour), atau 9.8692x10-3 liter-atmosfer. Berkat penemuan-penemuannya Joule menerima Medali Emas Copley, menjadi anggota Royal Society –sebuah Lembaga Ilmu Pengetahuan Inggris yang pernah dipimpin Newton selama 25 tahun. Selain itu, Joule juga menjadi Presiden Asosiasi Kemajuan Ilmu Pengetahuan di Inggris.

PERCOBAAN JAMES PRESCOTT JOULE

            Inilah percobaan Joule yang paling terkenal, yang pada dasarnya tidak akan melibatkan arus listrik. Peralatannya terdiri atas roda jantera kuningan yang memutar air didalam wadah tembaga. Roda jantera diputar oleh sebuah beban yang dijatuhkan. Ketika jatuh, beban tadi memiliki energi mekanis atau gerak. Joule menjatuhkan beban tadi berkali – kali. Mekanisme kerja alatnya adalah pada waktu jatuh, beban memutar roda jantera dan mengaduk air. Setiap kali beban jatuh, suhu air akan naik. Jumlah kenaikannya bergantung pada jarak beban yang dijatuhkan. Hal ini membuktikan bahwa energi gerak beban yang dijatuhkan. Hal ini membuktikan bahwa energi gerak beban yang dijatuhkan berubah menjadi energi panas dalam air. Kenaikan suhu yang sama juga bisa diperoleh dengan memanaskan air di atas kompor. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini (4,186 J = 1 kal) dikenal sebagai tara kalor mekanik.

Dari hasil percobaannya dengan tujuan untuk menentukan kesetaraan antara kalor dan energi, Joule menyimpulkan hubungan antara kalor dan usaha yaitu sebagai berikut :

a.         Kalor merupakan suatu bentuk energi yang dapat berpindah dari lingkungan ke suatu sistem atau sebaliknya karena ada perbedaan suhu antara suatu sistem dengan lingkungannya. tanpa pengaruh dari luar, kalor akan selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Misalnya, perpindahan kalor saat pendinginan sebuah mesin kendaraan.

b.         Usaha juga merupakan suatu bentuk perpindahan energi melalui gaya yang dilakukan sistem pada lingkungan atau sebaliknya dimana titik tangkap gaya mengalami perpindahan. Misalnya, usaha pada beban yang bergerak ke bawah.

Pada percobaan Joule tersebut, terjadi kenaikan suhu air yang dapat disebabkan oleh adanya aliran kalor akibat usaha yang dilakukan. Perubahan suhu air, tentu akan menyebabkan perubahan energi kinetik partikel – partikel air dan pada akhirnya akan mengakibatkan perubahan energi dalam air. Energi dalam didefinisikan sebagai jumlah total energi kinetik partikel – partikel zat dalam suatu sistem.

C.      THOMSON DAN HUKUM KEKEKALAN ENERGI

THOMSON

(1824 – 1907)

Tahun 1847, untuk pertama kalinya Thomson mendengar karya James Joule mengenai hubungan panas dan gerak mekanis. Asas penyimpanan tenaga dalam karya Joule kelak dikenal sebagai Hukum Termodinamika Pertama. Meskipun Joule diakui sebagai penemu utama termodinamika, Thomsonlah yang "memantapkan termodinamika menjadi disiplin ilmu yang resmi dan merumuskan hukumnya yang pertama dan kedua dengan terminologi yang tepat."

Hukum Termodinamika Pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, tetapi bentuknya dapat diubah. Artinya, jumlah tenaga/zat di alam semesta adalah tetap. "Hukum ini secara meyakinkan mengajarkan bahwa alam semesta tidak menciptakan diri sendiri! Struktur alam semesta sekarang adalah hasil konservasi, bukan inovasi sebagaimana dinyatakan oleh teori evolusi."Tahun 1851, Thomson menerbitkan tulisan berjudul "On the Dynamical Theory of Heat", yang mendukung teori Joule mengenai panasdan gerak. Tulisan ini merupakan langkah penting dalam prosesperpaduan bagian fisika yang terpisah-pisah. Karya ini juga memuat Hukum Termodinamika Kedua versi Thomson. (Tanpa diketahui Thomson,tahun sebelumnya, ahli fisika Jerman, R.J.E. Clausius sudah mengajukan hukum yang sama dengan Hukum Termodinamika Kedua versi Thomson.)

Hukum Kedua Termodinamika juga disebut Hukum Peluruhan Energi. Asasuniversal yang mendasari hukum ini menunjukkan bahwa semua sistem,jika tidak diprogram sebelumnya atau tidak diatur dengan tepat,cenderung berubah dari keadaan teratur menjadi tidak teratur. Inimenunjukkan bahwa secara keseluruhan, alam semesta berprosesterus-menerus menuju kondisi di mana pengaturan semakin berkurang.Ringkasnya, hukum termodinamika menunjukkan bahwa "jumlah tenaga dialam semesta tidak berubah, tapi tenaga yang ada senantiasa berkurang."

Energi disipasi adalah energi yang hilang dalam suatu sistem. Hilang dalam arti berubah menjadi energi lain yang tidak menjadi tujuan suatu sistem. Contohnya, energi panas yang timbul akibat gesekan, Energi listrik yang terbuang akibat adanya hambatan pada kawat penghantar.Energi panas pada trafo. trafo itu dikehendaki untuk mengubah tegangan. Namun pada kenyataan timbul panas pada trafo. Panas ini dapat dianggap energi disipasi.