Bahan Ajar Poin 13.docx

BAHAN AJAR FISIKA SMA KELAS XII

MATERI SUMBER ENERGI BAB XI

Oleh: Faozah Ilyana (4201415093) Dosen Pengampu: 1. Drs. Hadi Susanto, M.Si 2. Dr. Siti Wahyuni S.Pd, M.Sc

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

PETA KONSEP

bersifat

Energi

Energi mekanik Energi kimia

Energi primer Energi Sekunder

Kekal

Energi tak terbarukan Energi terbarukan

Batu bara Minyak bumi dan gas alam Nuklir

Energi radiasi

Energi listrik

Panas bumi Matahari

Energi nuklir Angin Air Lautan

Biomassa

A. Energi

Energi adalah ukuran dari kesanggupan benda tersebut untuk melakukan suatu usaha. Energi berasal dari bahasa Yunani yaitu energia yang berarti kemampuan untuk melakukan usaha. Energi merupakan besaran yang kekal, artinya energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari suatu bentuk satu ke bentuk yang lain namun tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan. Dalam pengertian sehari-hari energi merupakan kemampuan untuk melakukan gerak, jika suatu objek mampu untuk melakukan gerakan, maka obyek tersebut dikatakan mempunyai energi. Definisi energi, energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Energi merupakan besaran yang kekal, artinya enegi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk yang lain. 1. Bentuk-bentuk Energi Bentuk energi dihasilkan dari gaya-gaya fundamental, yaitu gaya gravitasi, gaya elektromagnetik, dan gaya nuklir serta benda-benda yang berinteraksi. Berdasarkan bentuknya, energi digolongkan menjadi lima bentuk utama, yaitu energi mekanik,energi kimia, energi radiasi (pancaran),energi listrik, dan energi nuklir. Karet ketapel yang ditarik atau dregangkan memiliki energi mekanik berupa energi potensial elastik. Energi ini tidak tampak, tetapi jika pada ujung karet diletakkan batu kecil, energi potensial elastik yang tersimpan dalam karet akan mampu melontarkan batu kecil ke tempat yang cukup jauh ketika ujung karet dibebaskan. Energi potensial elastik berkaitan dengan gaya-gaya antaratom dalam bahan karet. Bensin memiliki energi kimia. Energi kimia adalah energi yang tersimpan secara kimiawi atau tersembunyi. Energi kimia yang dikandung bensin baru tampak ketika bensin ini dibakar dalam mesin dalam suatu reaksi kimia yang menghasilkan energi. Contoh dari energi kimia selain itu misalnya makanan yang kita makan menghasilkan energi kimia yang sangat bermanfaat bagi tubuh. Minyak bumi mengandung energi kimia yang sangat bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari. Energi radiasi didefinisikan sebagai energi yang dapat melintasi ruang hampa. Kebanyakan orang hanya memikirkan cahaya tampak atau cahaya Matahari ketika membahas bentuk energi ini. Akan tetapi, cahhaya tampak hanyalah sebagian kecil dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh energi radiasi. Dengan demikian, energi radiasi adalah seluruh komponen cahaya Matahari dan komponen-komponen lainnya pada spektrum gelombang elektromagnetik. Spektrum cahaya yang efek panasnya terasa adalah inframerah. Oleh karena itu, radiasi inframerah kadang-kadang disebut “radiasi panas atau radiasi kalor.” Gelombang mikro (microwave) yang digunakan untuk memasak pun termasuk dalam energi radiasi. Energi radiasi dipancarkan sebagai gelombang elektromagnetik sehingga energi radiasi pastilah berkaitan dengan gaya elektromagnetik. Energi listrik adalah energi yang ditimbulkan oleh benda yang bermuatan listrik. Muatan listrik yang diam (statis) menimbulkan energi potensial listrik, sedangkan

muatan listrik yang bergerak (dinamis) menimbulkan arus listrik dan energi magnet. Energi nuklir adalah energi yang tersimpan dalam atom. Energi keluar ketika terjadi proses reaksi nuklir. Energi ini diperoleh dari hasil reaksi inti, yaitu reaksi yang terjadi pada inti atom dimana partikel - partikel berenergi tinggi bertumbukkan dengan inti atom tersebut sehingga terbentuklah inti baru yang berbeda dengan inti semula. 2. Konversi Energi Energi dalam pengetahuan teknologi dan fisika dapat diartikan sebagai kemampuan melakukan kerja. Energi di dalam alam adalah suatu besaran yang kekal (hukum termodinamika pertama). Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat dikonversikan/berubah dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain, misalnya pada kompor di dapur, energi yang tersimpan dalam minyak tanah diubah menjadi api. Selanjutnya jika api digunakan untuk memanaskan air dalam panci, energi berubah bentuk lagi menjadi gerak molekul-molekul air. Perubahan bentuk energi ini disebut konversi. Sedangkan perpindahan energi disebabkan adanya perbedaan temperatur yang disebut kalor. Energi juga dapat dipindahkan dari suatu sistem ke sistem yang lain melalui gaya yang mengakibatkan pergeseran posisi benda. Transfer energi ini adalah kemampuan suatu sistem untuk menghasilkan suatu kerja yang pengaruh/berguna bagi kebutuhan manusia secara positif. Jadi energi adalah suatu kuantitas yang kekal, dapat berubah bentuk, dan dapat pindah dari satu sistem ke sistem yang lain, akan tetapi jumlah keseluruhannya adalah tetap. Berikut ini beberapa contoh Perubahan Energi : - Perubahan energi panas menjadi energi gerak, contohnya kertas yang dibentuk spiral bergerak saat dipanaskan di atas lilin. - Perubahan energi gerak menjadi energi panas. Contoh : tangan kanan dan kiri kita ketika digosok-gosokkan terasa hangat, ban sepeda/sepeda motor setelah perjalanan cukup jauh maka menjadi panas. - Perubahan energi cahaya menjadi energi listrik. Contoh: panel surya - Perubahan energi kimia menjadi energi gerak. Contoh: kereta uap(menggunakan bahan bakar dari batu bara), kendaraan bermotor ( menggunakan bahan bakar bensin, solar, atau avtur), gergaji mesin. - Perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Contoh:dinamo, kincir angin, generator (PLTA) - Perubahan energi listrik menjadi energi gerak. Contoh: mixer, AC, pompa air, mobil mainan, kipas angin listrik. - Perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Contoh: pengisian accumulator/aki, charger batu baterai. - Perubahan energi gerak menjadi energi bunyi. Contoh : ketika kita bertepuk tangan maka akan terdengar bunyi. - Perubahan energi kimia menjadi energi panas. Contoh: energi makanan akan berubah menjadi panas setelah dimakan. - Perubahan energi cahaya menjadi energi kimia. Contoh: pada proses fotosintesis tumbuhan; - Perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Contoh: menyalakan senter dengan baterai, handphone. - Perubahan energi panas menjadi energi listrik. Contoh: Pembangkit Listrik Tenaga

Geothermal ( panas bumi ). - Perubahan energi listrik menjadi energi panas. Contoh: penggunaan setrika listrik, solder, kompor listrik, oven, microwave. - Perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh : bola lampu, tabung lampu, layar televisi, layar monitor komputer. - Perubahan energi listrik menjadi energi bunyi. Contoh: radio, bel listrik, sirine, dan alarm; - Perubahan energi potensial menjadi energi gerak. Contoh: benda yang jatuh seperti mangga jatuh, rambutan jatuh, dan lain-lain.

3. Kekekalan Energi Dalam kehidupan sehari-sehari kelihatannya energi tidak kekal. Ketika Anda mendorong sebuah balok kayu diatas lantai, balok akhirnya berhenti. Bahkan ketika Anda mendorong balok tersebut di atas lantai es yang licin pun, balok akhirnya akan berenti. Ketika Anda mengayunkan bandul, maka settelah beberapa waktu bandul pun akan berhenti. Mari kita lihat kasus ketika Anda mengayuh sepeda sehingga melaju di jalan dan kemudian mengerem untuk memberhentikannya. Ketika sepeda berhenti berarti energi kinetik adalah nol. Kemana perginya energi kinetik sepeda ini? Energi ini akan menjadi panas dalam pelek dan rem sepeda, kemudian akhirnya panas ini diradiasikan ke angkasa sebagai radiasi inframerah. Semua energi radiasi yang mencapai Bumi akhirnya diradiasikan kembali ke angkasa (Gambar 12. ). Dengan demikian pada semua bentuk perpindahan dan konversi energi yang terjadi, jumlah total energi tetap konstan. Ketika mereka mengamati ada energi yang meninggalkan suatu sistem, mereka akan berusaha mengamati bentuk baru hasil konversi. Hal ini karena total energi adalah konstan dalam setiap situasi yang telah diukur. Konsistensi ini mengarah ke hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, energi hanya dapat dikonversi dari satu bentuk ke bentuk lainnya, tetapi total energi tetap konstan. Nuklir Radiasi Radiasi

Kimia

Kimia

≈ Mekanik

≈ Panas

Gambar 11.1 Energi yang berasal dari Matahari, mengalami sejumlah konversi kemudian diradiasikan kembali. Jumlah total energi yang akhirnya pergi sama dengan jumlah yang mulamula datang

B. Jenis Energi Berdasarkan asal energi, energi dapat digolongkan sebagai energi primer atau energi sekunder. Energi primer adalah energi yang berasal dari sumber energi yang ditemukan di alam, anatara lain angin,air,surya,kayu,batubara, minyak, dan nuklir. Energi sekunder adalah energi yang diperoleh dari sumber-seumber energi primer, antara lain listrik dan gas. Berdasarkan ketersediaannya di alam, energi dapat digolongkan sebagai energi terbarukan dan energi tak terbarukan. Energi terbarukan adalah energi yang berasal dari sumber yang dapat dengan cepat dipulihkan kembali secara alami dan prosesnya berkelanjutan. Semua energi terbarukan senantiasa tersedia di alam dalam waktu yang relatif sangat panjang sehingga tidak perlu khawatir akan kehabisan sumbernya. Energi terbarukan antara lain panas Bumi, Matahari, angin,air, dan biomassa. Energi tak terbarukan adalah energi yang asalnya dari sumber-sumber yang terbatas jumlahnya di Bumi dan prosesnya tidak berkelanjutan sehingga pada saatnya sumber energi ini akan habis. Energi tak terbarukan antara lain energi fosil (minyak bumi,gas alam,dan batu bara) dan energi nuklir (bahan bakarnya adalah uranium yang persediannya terbatas). 1. Energi Tak Terbarukan a. Batu bara Batubara adalah batuan sedimen yang berasal dari material organik (organoclastic sedimentary rock), yang memiliki kandungan utama berupa karbon, hidrogen, dan oksigen. Batubara ini merupakan hasil akumulasi tumbuhan dan material organik pada suatu lingkungan pengendapan tertentu.

Gambar 11.2 Proses Pembentukan Batubara Batubara yang kita kenal dibentuk dari sisa- sisa tumbuhan yang terkubur di dasar rawa selama jutaan tahun yang lalu. Pertama, sisa-sisa tumbuhan berubah menjadi bahan yang padat disebut gambut. Akibat tekanan dan pemanasan dari lapisan bagian atas, sisa-sisa tumbuhan tersebut berubah menjadi batubara. Sebanyak 80% pertambangan batu bara dimanfaatkan untuk membangkitkan tenaga listrik. Batu bara secara konsisten digiling menjadi serbuk dan ditiupkan ke dalam tungku. Ini sangat meningkat efisiensi, tetapi juga memproduksi abu terbang (fly ash) atau asap yang melalui cerobong. PLTU batu bara selain bermanfaat untuk membangkitkan listrik ternyata juga

menghasilkan sulfur dioksida dan fly ash yang menimbulkan polusi lingkungan. (Gambar 12. )

Gambar 11.3 Polusi yang dihasilkan PLTU batu bara b. Minyak Bumi dan Gas Alam

Minyak bumi adalah zat cair licin dan mudah terbakar yang terjadi sebagian besar karena hidrokarbon. Menurut teori, minyak bumi berasal dari sisa - sisa binatang kecil dan tumbuhan yang hidup di laut jutaan tahun yang lalu yang mengendap dan mendapat tekanan dari lempengan bumi sehingga secara alami larut dan berubah menjadi minyak bumi. Minyak bumi membentuk suatu lapisan tipis mengitari butiran-butiran batuan tempat terbentuk. Tekanan dari lapisan batuan dan air menggerakkan minyak dan gas melalui batuan padat dan terjebak di bawah batuan ini. Jika gas alam hadir, gas menempati ruang di atas tumpukan minyak. Tumpukan minyak bumi dan gas alam seperti ini adalah sumber suplai untuk sumber energi ini. Gas alam sering juga disebut sebagai gas bumi atau gas rawa. Gas alam adalah bahan bakar fosil berbentuk gas yang terutama terdiri atas metana (𝐶𝐻4 ). Gas alam juga mengandung hidrokarbon yang lebih berat seperti etana (𝐶2 𝐻6 ), dan propana (𝐶3 𝐻8 ), dan butana (𝐶4 𝐻10 ). Gas alam juga mengandung gas-gas sulfur (belerang). c. Nuklir Bahan bakar dari PLTN adalah U-235 yang diperkaya. Para pendukung energi nonnuklik tidak memasukkan tenaga nuklir sebagai bagian energi terbarukan karena persediaan U-235 di alam terbatas, katakanlah ratusan tahun dan U-235 tidak dapat diproduksi ulang (tidak berkelanjutan). Namun, para penggiat nuklir beralasan bahwa nuklir termasuk energi terbarukan karena bahan bakarnya akan habis dalam waktu yang sangat lama jika digunakan adalah reaktor pembiak cepat (FBR : Fast Breaeder Reactor). Hal ini karena cadangan bahan bakar nuklir untuk reaktor ini dapat ratusan hingga ribuan kali lipat.

d. Masalah pada Energi Tak Terbarukan Masalah utama pada energi fosil adalah ketersediaannya di bumi yang terbatas. Manusia telah mengkonsumsi bahan bakar fosil selama kurang dari 200 tahun. Dengan konsumsi seperti saat ini, diperkirakan cadangan minyak bumi saat ini hanya dapat memasok kita sampai sekitar tahun 2055 (±40 tahun lagi). Gas alam hanya dapat memasok kita sampai sekitar tahun 2085 (±70 tahun lagi). Batu bara akan bertahan lebih lama sampai sekitar tahun 2250 (±135 tahun lagi). Oleh karena itu, sangat perllu untuk mengembangkan teknologi baru untuk memanfaatkan semua sumber energi yang disediakan alam. Saat in, sumber energi alternatif tersebut memang tidak ditujukan untuk menggantikan energi fosil secara keseluruhan, tetapi secara perlahan energi akan memperpanjang ketersediaan energi fosil(yang berarti akan memperpanjang ketersediaan energi fosil). 2. Energi Terbarukan Sumber energi terbaharui (renewable) didefinisikan sebagai sumber energi yang dapat dengan cepat diisi kembali oleh alam. Berikut ini adalah yang termasuk sumber energi terbaharui: a. Energi Panas Bumi Energi panas bumi adalah energi panas yang berasal dari dalam bumi. Energi panas ini dihasilkan di dalam inti bumi yang ditimbulkan oleh peristiwa peluruhan partikel-partikel radioaktif di dalam batuan. Inti bumi terbentuk dari magma yang mengalir menembus berbagai lapisan batuan di bawah tanah. Saat mencapai reservoir air bawah tanah, terbentuklah air panas bertekanan tinggi yang keluar ke permukaan bumi melalui celah atau retakan di kulit bumi, maka timbul sumber air panas yang biasa disebut uap panas.

Gambar 11.4 Uap panas b. Energi Matahari Energi matahari diperoleh dari cahaya panas yang merupakan komponen dari panas matahari. Selain memanaskan air, energi ini juga bisa diubah menjadi listrik.

Gambar 11.5 Sel Surya Matahari Secara global, matahari menyediakan 10.000 kali energi bumi yang dapat di memanfaatkan siapapun secara gratis, dan merupakan salah satu sumber energi alternatif yang potensial untuk dikelola dan dikembangkan lebih lanjut, terutama bagi negara- negara tropis seperti Indonesia. c. Energi angin

Energi angin adalah energi yang dihasilkan oleh udara yang berhembus di permukaan bumi. Energi angin dapat diubah menjadi energi mekanik untuk menghasilkan usaha. Karena angin tidak menimbulkan polusi, maka banyak negara - negara membangun turbin angin sebagai sumber tenaga listrik tambahan.

Gambar 11.6 Turbin angin d. Energi Air Air memiliki massa jenis 1.000 kali massa jenis udara. Energi potensial air krena ketinggian dan energi kinetik karena kelajuan alir air dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan tenaga listrik. Inilah yang dilakukan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA). Prinsip kerja PLTA sebagai berikut. Aliran air dari ketinggian tertentu dibendung. Air deras yang jatuh disalurkan melalui pipa pesat dan kemudian diarahkan ke bilah-bilah

turbin air sehingga energi kinetik air ini dapat menggerakkan posros turbin. Ada dua jenis poros turbin, yaitu turbin dorong dan turbin reaksi. Pada turbin dorong, airnya mengalir ke bilah-bilah dan mendorong bilah berputar. Pada turbin reaksi, airnya memancar dari pancuran kecil-kecil yang terpasang pada sebuah roda. Waktu air memancar, rodanya berputar. Poros turbn yang berputar diubungkan dengan generator sehingga listrik dibangkitkan. e. Energi Lautan Bumi kita sekitar 70% terdiri atas lautan. Dengan demikian, pemanfaatan energi lautan ini di masa depan sebagai energi terbarukan yang persediannya cukup besar dan ramah lingkungan untuk mengganti energi fosil menjadi cukup penting. Energi lautan dapat dimanfaatkan dalam tiga cara, yaitu energi gelombang laut, energi pasang surut, dan energi panas laut (OTEC = ocean thermal energy conversion). Meskipun pada masa sekarang, energi laut memerlukan teknologi yang mahal dibandingkan dengan sumber energi terbarukan lainnya, tetapi laut tetap penting sebagai sumber energi potensial si masa depan. f. Energi Biomassa

Biomassa merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui karena tumbuh tumbuhan dapat kita tanam setiap saat. Dari berbagai macam bahan bakar biomassa, kayu merupakan kebutuhan yang sangat banyak digunakan, seperti pada rumah tangga dan pada ketel uap. Membakar biomassa bukan cara satu satunya untuk menghasilkan energi karena biomassa dapat juga dikonversi ke bentuk energi lain diantaranya gas metana atau etanol dan biosolar.

Gambar 11.17 Jenis-jenis Bimoassa

Uji Kompetensi Bab 11 Pilihan Ganda 1. Sebagaian besar energi sampai ke Bumi dan meninggalkan Bumi dalam bentuk energi .... a. Nuklir b. Kimia c. Radiasi d. Kinetik e. Listrik 2. Hukum kekekalan energi didasarkan pada syarat bahwa .... a. Energi harus digunakan lebih cepat daripada energi yang diciptakan atau suplai energi akan habis b. Energi harus di hemat karena energi dengan mudah dimusnahkan c. Kita tidak perlu khawatir tentang suplai energi karena energi tidak dapat dimusnahkan d. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan e. Kita melawan hukum jika memusnahkan energi 3. Di Indonesia bahan bakar primer yang digunakan untuk menghasilkan energi adalah .... a. Kayu b. Gas alam c. Batu bara d. Minyak bumi e. Nuklir 4. Pancaran sinar matahari dimungkinkan dapat membuat sumber energi lain salah satunya ... a. Angin b. Pasang surut c. Panas bumi d. Panas air e. Nuklir 5. Di antara sumber energi berikut yang dipertimbangkan seabagai energi tak terbarukan adalah energi ... a. Bahan bakar fosil b. Sinar matahari c. Panas bumi d. Pasang surut e. Angin

Uraian 1. Apa yang dimaksud dengan energi primer dan energi sekunder? Berikan beberapa contoh 2. Apa yang dimaksud dengan energi tak terbarukan? Berikan beberapa contoh 3. Mengapa penting untuk menghemat energi? 4. Sebutkan tiga cara untuk memanfaatkan energi lautan 5. Jelaskan sejarah terjadinya bahan bakar fosil !