HUKUM KEKEKALAN ENERGI

HUKUM KEKEKALAN ENERGI

Tujuan           :

1.      Untuk menjelaskan asal mula konversi energi.

2.      Untuk mendeskripsikan hasil pemikran dan percobaan dari Michael Faraday mengenai listrik dan magnet.

3.      Untuk mengetahui pemikiran dari Count Rumford and Humphry Davy

4.      Untuk mengetahui pemikiran dari Sadi Carnot.

5.      Untuk mengenal pemikiran pemikiran dari Mohr.

6.      Untuk menjelaskan sumbangsih dari James Prescott Joule mengenai Hukum Kekeklan Energi.

7.      Untuk menceritakan pemikiran Helmholtz mengenai Konversi Gaya.

8.      Untuk mendeskripsikan biografi dai James Prescott Joule.

9.      Untuk menjelaskan percobaan yang dilakukan oleh James Prescott Joule.

10.  Untuk menyebutkan hasil percobaan James Prescott Joule mengenai hubungan antara kalor dan usaha.

11.  Untuk mendeskripsikan biografi dari William Thomson.

12.  Untuk menjelaskan Hukum Termodinamika yang dikemukakan oleh William Thomson.

Pertanyaan    :

1.      Jelaskan asal mula konversi energi!

2.      Deskripsikan hasil pemikran dan percobaan dari Michael Faraday mengenai listrik dan magnet!

3.      Sebutkan hasil pemikiran dari Count Rumford and Humphry Davy!

4.      Apa saja hasil pemikiran dari Sadi Carnot?

5.      Bagaimana hasil pemikiran- pemikiran dari Mohr?

6.      Jelaskan sumbangsih dari James Prescott Joule mengenai Hukum Kekeklan Energi?

7.      Ceritakan pemikiran Helmholtz mengenai Konversi Gaya!

8.      Deskripsikan biografi dai James Prescott Joule!

9.      Jelaskan percobaan yang dilakukan oleh James Prescott Joule!

10.  Sebutkan hasil percobaan James Prescott Joule mengenai hubungan antara kalor dan usaha!

11.  Deskripsikan biografi dari William Thomson!

12.  Jelaskan Hukum Termodinamika yang dikemukakan oleh William Thomson!

Peta Konsep   :

Pembahasan  :

A.    Asal Mula Konservasi Energi

Pada tahun 1831 Faraday telah memperkenalkan bidang listrik magnet. Ia telah menemukan bahwa arus listrik dapat menghasilkan sifat kemagnetan, dan menunjukkan bahwa magnet memiliki kekuatan dalam keadaan tertentu untuk menghasilkan listrik. Ia telah membuktikannya, dan memang benar adanya hubungan antara listrik dan sifat kemagnetan. Dan bahkan Ia mengatakan bahwa 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.”

Gagasan menakjubkan yang Faraday kemukakan 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.

Doktrin Yong dan Frensel merupakan jalan utama yang mengarahkan pada masalah konservasi. Disamping itu Fenomena elektromagnetik juga telah membantu mengarahkan pada masalah konservasi energi. Tapi dari semua ini belum benar-benar dapat membantu mengarahkan pada sebuah tujuan yang sama, yaitu masalah konservasi namun hal ini justru mengarah ke sub bidang ilmu lain dari fisika.

Energi panas, tidak mampu dibuat, melainkan bentuk dari suatu transformasi energi. Untuk membuktikan kebenaran mengenai konservasi energi ini, pada 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.

Tapi pada 1824, ahli filsafat Perancis Sadi Carnot menyatakan hal yang sama namun yakin bahwa pasti kuantitas dari kerja dapat diubah kedalam kuantitas yang pasti pula dalam bentuk panas, baik dalam jumlah yang banyak ataupun sedikit. Sama seperti peneliti sebelumnya, Carnot tidak dapat membuktikan keyakinannya atas pemikirannya mengenai konservasi energi, ia masih menyatakannya dalam bentuk “faktor-faktor berubah  yang dapat diperhitungkan”, tapi ia tidak mampu memberi alasan dengan jelas hubungannya dengan energi mekanik.

Pada 1837 pemikir asal Jerman ini, Mohr, telah memahami kebenaran yang sebenarnya, dan menyatakannya dalam sebuah artikel “Zeitschrift fur Physik” dan lain sebagainnya. Tapi artikel-artikel ini tidak menarik perhatian sama sekali bagi orang-orang pada saat itu, bahkan dari negara Mohr sendiri. Namun Mohr masih mendapatkan penghargaan atas usahanya dalam memecahkan masalah konsevasi energi dan berani mengungkapkannya , dan mungkin belum pernah  ada orang yang memikirkan masalah ini sejauh dirinya dan berhasil menemukan kebenaran sesungguhnya sejelas seperti yang ia dapatkan, meskipun ia idak berhasil menunujukkan validitasnya, namun hal itu tidak perlu dipermasalahkan.

Pada tahun 1840, muncul seorang yang benar-benar meneliti kembali hasil pemikiran Rumford dan Davy yaitu James Prescott Joule. Dari hasil demonstrasi yang dilakukan joule ada sebuah kakuratan dan kesamaan mutlak antara “mechanical work” dan panas tanpa memperhatikan bentuk  perwujudan gerakan molar, dan dapat menghasilkan sebuah kepastian dan terukur jumlah dari panasnya. Joule menemukan, sebagai contoh, permukaan lautan di Manchester adalah setinggi 707 kali, dengan tinggi air yang hanya dua kaki dapat mengahsilkan cukup panas untuk menaikkan suhu dari satu pound air dalam satu derajat fahrenheit. Jika panas tidak dapat diciptakan namun hanya dapat  ditranformasikan dalam bentuk yang lain, maka tidak harus dalam bentuk jenis yang sama, misalnya dalam bentuk energi cahaya, energi listrik, energi magnet yang kesemuanya itu memiliki hubungan yang erat dan saling terkait anatara satu dengan yang lain, sehingga antara satu dengan lainnya dapat saling bertransformasi dengan panas. Semua analogi tersebut nampakanya menuju pada suatu kesimpulan yang benar, seluruh eksperimen yang dilakukanpun  nampakanya mendukung. Hukum setara mekanika panas kemudian menjadi kunci utama dari hukum terbesar, hukum kekekalan energi.

Pada 1842 Dr. Julius Robert Mayer, seorang dokter praktik di kota kecil heilborn, di jerman, menerbitkan makalah di Liebig Annalen “The Forces of Inorganic Nature," yang isinya tidak hanya mengenai teori mekanika panas saja, tetapi juga doktrin untuk kekekalan energi yang secara  eksplisit  berhasil ia ungkapkan.

Dua tahun sebelumnya, ketika ia menjadi ahli bedah di sebuah kapal Hindia Belanda yang tengah menjelajahi daerah tropis , ia mengamati bahwa darah vena pasien tampak lebih merah dari darah vena yang biasanya diamati di daerah beriklim iklim sedang. Dia merenungkan fakta yang tampaknya tidak berarti ini,  dan akhirnya ia menemukan kesimpulan bahwa penyebabnya oksidasi yang lebih rendah dari oksidasi  yang dipelukan untuk menjaga suhu tubuh di daerah tropis. Melalui refleksi ini dengan menganalogikan tubuh sebagai mesin yangbergantung pada kekuatan luar agar meiliki kemampuan untuk  melakukan suatu hal, dan pada akhirnya ia menemukan pendapat yang bebas untuk “mechanicaltheory of heat”.

a.      Karangan Mayer pada 1847

Pada tanggal 23 Juli di tahun 1847, Helmholtz menyebutkan  "Konservasi gaya " pada Physical Society. Kata "Gaya", yang dimaksud Helmholtz disini setara dengan istilah modern yang sering digunakan saat ini "energi." Kalimat ini ternyata diterima dengan sangat baik oleh Masyarakat, tapi Helmholtz terpaksa menerbitkannya sebagai pamflet setelah Poggendorff menolak Annalen-nya (sejenis jurnal fisika yang diterbitkan pada masa lampau) karena dianggap terlalu spekulatif.

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. Namun, ada satu pelajaran yang cukup sulit dipahaminya, yaitu Matematika. Setelah berusia 17 tahun Joule baru bersekolah dan masuk ke Universitas Manchester dengan bimbingan John Dalton, seorang ahli kimia Inggris yang begitu terkenal.

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. Selain itu, Joule yang sangat taat kepada agama juga menemukan hukum kekekalan energi bersama dengan dua orang ahli fisika dari Jerman, yaitu Hermann von Helmholtz dan Julius Von Mayer. Hukum kekekalan energi yang mereka temukan menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, energi hanya dapat berubah bentuk menjadi energi listrik, mekanik, atau kalor.

Ia adalah seorang yang hobi fisika. Dengan percobaan ia berhasil membuktkan bahwa panas (kalori) tak lain adalah suatu bentuk energi. Dengan demikian ia berhasil mematahkan teori kalorik, teori yang menyatakan panas sebagai zat alir. Joule (simbol J) adalah satuan SI untuk energi dengan basis unit kg.m2/s2. Nama joule diambil dari penemunya James Prescott Joule. Joule disimbolkan dengan huruf J. Istilah ini pertama kali diperkenalkan oleh Dr. Mayer of Heilbronn.

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

Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda lain dengan suhu yang lebih rendah. Satuan kalor yang masih umum dipakai sampai saat ini yaitu kalori. Satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1°C. Terkadang satuan yang digunakan adalah kilokalori (kkal) karena dalam jumlah yang lebih besar, di mana 1 kkal = 1.000 kalori. Satu kilokalori (1 kkal) adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 °C.

Pada tahun 1800-an, seorang ilmuwan dari Inggris, James Prescott Joule (1818 - 1889) melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan pandangan bahwa kalor merupakan bentuk transfer energi. Percobaan ini membuktikan bahwa apabila suatu bentuk energi diubah menjadi bentuk energi lain, maka tidak ada energi yang musnah. Salah satu bentuk percobaan Joule ditunjukkan secara sederhana seperti pada gambar di atas.

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 :

·         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.

·         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

William Thomson lahir di Belfast, Irlandia, pada tanggal 26 Juni 1824. Dia adalah anak ke-4 dari tujuh bersaudara, anak James Thomson, guru dan penulis buku pelajaran matematika. William dan saudaranya yang lebih tua, James, sangat berbakat. Keduanya masuk Universitas Glasgow pada usia 10 dan 11 tahun. Tahun 1846, saat berusia 22 tahun, Thomson menjadi profesor dalam ilmu fisika (dulu disebut filsafat alam) di Universitas Glasgow.

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.

Daftar Pustaka

Akbar, Najwa. 16 Nopember 2012. Teknologi dan Perkembangannya. (Internet). (Terdapat di : http://teknologiidanperkembangan.blogspot.com/2012/11/resume-sejarah-fisika-perkembangan-ilmu.html ). Diakses pada 04 Mei 2013.

Huda, Tiyas. Sejarah Kimia – Hukum Kekalan Energi. (Internet). (Terdapat di : http://tiyasnnhuda.blogspot.com/2013/05/sejarah-kimia-hukum-kekekalan-energi.html). Diakses pada 04 Mei 2013.

Violita, Amanda. 2012. Hukum kekekalan Energi. (Makalah). Indralaya : Universitas Sriwijya.