Energi

Dalam fisika, energi adalah properti fisika dari suatu objek, dapat berpindah melalui interaksi fundamental, yang dapat diubah bentuknya namun tak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Joule adalah satuan SI untuk energi, diambil dari jumlah yang diberikan pada suatu objek (melalui kerja mekanik) dengan memindahkannya sejauh 1 meter dengan gaya 1 newton.

Energi
Transformasi energi. Kilat mengubah 500 megajoule energi potensial listrik menjadi energi cahaya, energi bunyi, dan energi panas.
Simbol umum	E
Satuan SI	joule
Satuan lainnya	erg, kalori, kkal, BTU, kW⋅h, eV
Dalam satuan pokok SI	J = kg m2 s−2
Dimensi SI	M L2 T−2

Kerja dan panas adalah 2 contoh proses atau mekanisme yang dapat memindahkan sejumlah energi. Hukum kedua termodinamika membatasi jumlah kerja yang didapat melalui proses pemanasan-beberapa di antaranya akan hilang sebagai panas terbuang. Jumlah maksimum yang dapat digunakan untuk kerja disebut energi tersedia. Sistem seperti mesin dan benda hidup membutuhkan energi tersedia, tidak hanya sembarang energi. Energi mekanik dan bentuk-bentuk energi lainnya dapat berpindah langsung ke bentuk energi panas tanpa batasan tertentu.

Ada berbagai macam bentuk-bentuk energi, tetapi semua tipe energi ini harus memenuhi berbagai kondisi seperti dapat diubah ke bentuk energi lainnya, mematuhi hukum konservasi energi, dan menyebabkan perubahan pada benda bermassa yang dikenai energi tersebut. Bentuk energi yang umum di antaranya energi kinetik dari benda bergerak, energi radiasi dari cahaya dan radiasi elektromagnetik, energi potensial yang tersimpan dalam sebuah benda karena posisinya seperti medan gravitasi, medan listrik atau medan magnet, dan energi panas yang terdiri dari energi potensial dan kinetik mikroskopik dari gerakan-gerakan partikel tak beraturan. Beberapa bentuk spesifik dari energi potensial adalah energi elastis yang disebabkan dari pemanjangan atau deformasi benda padat dan energi kimia seperti pelepasan panas ketika bahan bakar terbakar. Setiap benda yang memiliki massa ketika diam, memiliki massa diam atau sama dengan energi diam, meski tidak dijelaskan dalam fenomena sehari-hari di fisika klasik.

Menurut neraca massa-energi, semua bentuk energi membutuhkan massa. Contohnya, menambahkan 25 kilowatt-jam (90 megajoule) energi pada objek akan meningkatkan massanya sebanyak 1 mikrogram; jika ada timbangan yang sebegitu sensitif maka penambahan massa ini bisa terlihat. Matahari mengubah energi potensial nuklir menjadi bentuk energi lainnya; total massanya akan berubah ketika energi terlepas ke sekelilingnya terutama dalam bentuk energi radiasi.

Meskipun energi dapat berubah bentuk, tetapi hukum kekekalan energi menyatakan bahwa total energi pada sebuah sistem hanya berubah jika energi berpindah masuk atau keluar dari sistem. Hal ini berarti tidak mungkin menciptakan atau memusnahkan energi. Total energi dari sebuah sistem dapat dihitung dengan menambahkan semua bentuk energi dalam sistem tersebut. Contoh perpindahan dan transformasi energi adalah pembangkitan listrik, reaksi kimia, atau menaikkan benda.

Organisme hidup juga membutuhkan energi tersedia untuk tetap hidup; manusia misalnya, membutuhkan energi dari makanan beserta oksigen untuk memetabolismenya. Peradaban membutuhkan pasokan energi untuk berbagai kegiatan; sumber energi seperti bahan bakar fosil merupakan topik penting dalam ekonomi dan politik. Iklim dan ekosistem bumi juga dijalankan oleh energi radiasi yang didapat dari matahari (juga energi geotermal yang didapat dari dalam bumi.

Bentuk-bentuk energi

Tipe energi	Deskripsi
Kinetik	(≥0), energi akibat gerak dari suatu objek
Potensial	Energi potensial terdiri dari banyak bentuk
Mekanik	Jumlah energi kinetik dan potensial
Gelombang mekanik	(≥0), bentuk energi mekanik akibat gerak osilasi suatu benda
Kimia	energi yang terkandung dalam senyawa kimia
Listrik	energi akibat medan listrik
Magnet	energi akibat medan magnet
Radiasi	(≥0), energi akibat radiasi elektromagnetik termasuk cahaya
Nuklir	energi akibat nukleon berikatan membentuk nukleus atom
Ionisasi	energi akibat ikatan elektron ke atom atau molekul
Elastik	energi akibat deformasi material
Gravitasi	energi akibat medan gravitasi
Diam	(≥0) setara dengan massa diam
Termal	Energi dalam suatu sistem yang dipengaruhi suhu
Panas	Sejumlah energi termal yang berpindah (dari proses) ke arah suhu yang lebih rendah
Kerja mekanik	sejumlah energi yang berpindah (dari proses) akibat perpindahan pada arah gaya

Sejarah

Artikel utama: Sejarah energi dan Garis waktu termodinamika, mekanika statistika, dan proses acak

Thomas Young – orang pertama yang mengemukakan istilah "energi" dalam pandangan modern.

Kata energi berasal dari bahasa Yunani Kuno: ἐνέργεια, translit. energeia, har. 'aktivitas, operasi', yang kemungkinan muncul pertama kali dalam karya Aristoteles pada abad ke-4 SM. Kebalikan dengan definisi modern, energeia adalah konsep filosofis kualitatif yang sangat luas.

Pada akhir abad ke-17, Gottfried Leibniz mengusulkan ide bahasa Latin: vis viva, atau gaya hidup, yang didefinisikan sebagai perkalian antara massa objek dengan kuadrat kecepatannya; ia percaya bahwa total vis viva adalah kekal. Untuk memperhitungkan perlambatan akibat friksi/gesekan, Leibniz membuat teori bahwa energi termal terdiri dari gerak acak dari bagian pembentuk zat, meski pada akhirnya hal ini membutuhkan waktu lebih dari satu abad untuk diterima secara umum. Analogi modern dari besaran ini (energi kinetik) hanya berbeda pada faktor pengali setengah.

Pada tahun 1807, Thomas Young kemungkinan adalah orang pertama yang menggunakan istilah "energi" daripada vis viva. Gustave-Gaspard Coriolis menjelaskan "energi kinetik" pada tahun 1829, dan William Rankine memunculkan istilah "energi potensial" tahun 1853. Hukum kekekalan energi juga pertama kali dipostulatkan pada awal abad ke-19, dan berlaku pada semua sistem terisolasi. Pernah dipertentangkan apakah panas adalah substansi fisika atau bukan, atau hanyalah besaran fisika seperti momentum. Pada tahun 1845 James Prescott Joule menemukan hubungan antara kerja mekanik dengan munculnya panas.

Pengembangan ini memunculkan teori kekekalan energi, dirumuskan formal oleh William Thomson (Lord Kelvin) dalam termodinamika. Termodinamika memberikan penjelasan bagi pengembangan proses-proses kimia oleh Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs, dan Walther Nernst. Clausius juga mengemukakan konsep entropi dan Jožef Stefan mengenalkan hukum energi radiasi. Menurut teorema Noether, hukum kekekalan energi adalah akibat daripada hukum fisika tidak berubah terhadap waktu.

Satuan

SI dan satuan berhubungan

Energi dinyatakan dalam satu joule (J). Penggunaan satuan ini dinamakan untuk menghormati jasa dari James Prescott Joule atas percobaannya dalam persamaan mekanik panas. Dalam istilah yang lebih mendasar 1 joule sama dengan 1 newton-meter dan, dalam istilah satuan pokok SI, 1 J sama dengan 1 kg m² s⁻².

Penggunaan dalam sains

Mekanika klasik

Dalam mekanika klasik, energi yang properti yang berguna secara konsep dan matematis. Beberapa perumusan mekanika telah dikembangkan menggunakan energi sebagai konsep utama.

Kerja, sebuah bentuk energi, adalah gaya dikali jarak.

$W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

Disini dikatakan bahwa kerja ($W$) sama dengan integral garis dari gaya F sepanjang lintasan C; untuk lebih detailnya lihat pada artikel kerja mekanik. Kerja dan energi adalah tergantung kerangka.

Total energi dalam sistem terkadang disebut Hamiltonian, diambil dari nama William Rowan Hamilton. Persamaan gerak klasik dapat ditulis dalam bentuk Hamiltonian, meski untuk sistem yang sangat kompleks dan abstrak. Persamaan klasik ini memiliki analogi langsungnya dalam mekanika kuantum nonrelativistik.

Konsep lain berkaitan dengan energi disebut sebagai Lagrangian, diambil dari nama Joseph-Louis Lagrange. Formulasi ini sama pentingnya dengan Hamiltonian, dan keduanya dapat digunakan untuk menurunkan atau diturunkan dari persamaan gerak. Konsep ini ditemukan dalam konteks mekanika klasik, tetapi berguna secara umum untuk fisika modern. Konsep Lagrangian didefinisikan sebagai energi kinetik minus energi potensial. Umumnya, konsep Lagrange secara matematis lebih mudah digunakan daripada Hamiltonian untuk sistem non-konservatif (seperti sistem dengan gaya gesek).

Biologi

Dalam bidang biologi, energi berperan pada seluruh tingkat sistem biologis, dari biosfer sampai ke makhluk hidup terkecil.

Biosfer yaitu bagian atau lapisan dari bumi di mana terdapat kehidupan. Cakupan biosfer yaitu mulai dari sistem akar paling dalam pohon-pohon yang ada di bumi ke ekosistem bersuasana gelap di palung terdalam yang ada di samudra, hutan hutan yang dalam dan puncak gunung-gunung tinggi. Pergerakan energi terjadi di biosfer. Energi yang masuk ke biosfer berasal dari matahari. Ada banyak jenis energi yang dipancarkan matahari, namun yang diterima oleh bumi adalah sebagian kecil energi tersebut. Energi yang berasal dari matahari yang biasa digunakan oleh makhluk hidup adalah energi panas dan cahaya. Energi panas penting bagi bumi agar tetap menjadi biosfer sebagaimana energi panas dapat mempertahankan suhu bumi agar optimal bagi kehidupan. Cahaya diperlukan agar makhluk hidup dapat melihat. Selain itu, cahaya juga dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk membuat gula dan pati sebagai nutrisi bagi makhluk hidup lainnya.

Pada makhluk hidup, energi berperan dalam pertumbuhan dan perkembangan sel atau organel dari suatu organisme. Pada dasarnya, setiap aktivitas yang dilakukan oleh makhluk hidup memerlukan energi. Proses sintesis molekul, penguraian molekul, serta pemindahan molekul dari satu tempat ke tempat lain juga memerlukan energi.

Perpindahan

Kerja

Artikel utama: Kerja mekanik

Kerja didefinisikan sebagai "integral batas" gaya F sejauh s:

$W=\int \mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

Persamaan di atas mengatakan bahwa kerja ($W$) sama dengan integral dari perkalian dot antara gaya ($\mathbf {F}$) yang bekerja benda dan posisi benda mendekati nol ($\mathbf {s}$).

Jenis

Energi kinetik

Artikel utama: Energi kinetik

Energi kinetik adalah bagian energi yang berhubungan dengan gerakan suatu benda.

$E_{k}=\int \mathbf {v} \cdot \mathrm {d} \mathbf {p}$

Persamaan di atas menyatakan bahwa energi kinetik ($E_{k}$) sama dengan integral dari perkalian dot kecepatan ($\mathbf {v}$) sebuah benda dan momentum benda mendekati nol ($\mathbf {p}$).

Energi potensial

Artikel utama: Energi potensial

Berlawanan dengan energi kinetik, yang adalah energi dari sebuah sistem dikarenakan gerakannya, atau gerakan internal dari partikelnya, energi potensial dari sebuah sistem adalah energi yang dihubungkan dengan konfigurasi ruang dari komponen-komponennya dan interaksi mereka satu sama lain. Jumlah partikel yang mengeluarkan gaya satu sama lain secara otomatis membentuk sebuah sistem dengan energi potensial. Gaya-gaya tersebut, contohnya, dapat timbul dari interaksi elektrostatik (lihat hukum Coulomb), atau gravitasi.

Energi dalam

Artikel utama: Energi dalam

Energi internal adalah energi kinetik dihubungkan dengan gerakan molekul-molekul, dan energi potensial yang dihubungkan dengan getaran rotasi dan energi listrik dari atom-atom di dalam molekul. Energi internal seperti energi adalah sebuah fungsi keadaan yang dapat dihitung dalam sebuah sistem.

Energi listrik

Energi listrik merupakan energi yang berkaitan dengan perhitungan arus elektron yang dinyatakan dalam satuan Watt-jam atau kiloWatt-jam. Perpindahan energi listrik terjadi dalam bentuk aliran elektron melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatik melalui medan listrik yang dihasilkan oleh terkumpulnya muatan elektron pada pelat-pelat kapasitor. Total energi medan listrik ditambah dengan energi medan elektromagnetik, sama dengan energi yang berkaitan dengan medan magnet yang timbul akibat aliran elektron melalui kumparan induksi.

Energi mekanik

Bentuk perubahan energi mekanik adalah kerja. Energi mekanik tersimpan dalam bentuk energi potensial atau energi kinetik.

Energi elektromagnetik

Energi elektromagnetik adalah bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik. Energi radiasi dinyatakan dalam satuan elektron-Volt (eV) atau mega elektron-Volt (MeV). Radiasi elektromagnetik tidak berkaitan dengan massa dan merupakan bentuk energi murni. Apabila panjang gelombangnya semakin pendek dan frekuensinya semakin tinggi, maka energi transmisi semakin besar atau semakin energetik. Sumber radiasi atau panjang gelombang radiasi elektromagnetik dibagi atas beberapa kelas. Radiasi sinar gamma (y) merupakan jenis radiasi yang paling energetik dari energi elektromagnetik. Sinar X dihasilkan oleh keluar orbitnya elektron. Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik timbul akibat getaran atom. Kelompok energi elektromagnetik ini termasuk radiasi ultraviolet atau radiasi temperatur tinggi, radiasi tembus pandang dan kelompok radiasi temperatur rendah atau sinar inframerah. Jenis radiasi elektromagnetik yang lainnya adalah radiasi gelombang milimeter dan gelombang mikro yang digunakan untuk radar serta microwave-cookers.

Energi kimia

Energi kimia merupakan hasil interaksi elektron antara dua atau lebih atom/molekul yang mengalami pencampuran. Reaksi kimia ini menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis. Satuan energi kimia dinyatakan dalam kiloJoule, satuan panas Britania, atau kiloKalori. Bila energi dalam reaksi kimia terserap maka disebut dengan reaksi endotermis. Reaksi kimia eksotermis adalah sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia dalam proses pembakaran yang melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.

Energi nuklir

Energi nuklir merupakan energi dalam bentuk tersimpan yang dapat dilepas. Pembentukan energi nuklir merupakan akibat dari interaksi partikel dengan atau dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil. Satuan energi nuklir adalah juta elektron reaksi. Peluruhan radioaktif, fisi dan fusi terjadi selama reaksi nuklir berlangsung .

Energi termal

Energi termal adalah bentuk energi dasar yang dapat dikonversi secara penuh menjadi energi panas. Pengubahan energi termal ke energi lain dibatasi oleh Hukum Termodinamika Kedua. Bentuk transisi dari energi termal dapat pula dalam bentuk energi tersimpan sebagai kalor laten atau kalor sensibel yang berupa entalpi.

Termodinamika

Energi dalam

Energi dalam adalah jumlah dari semua elemen energi mikroskopik yang ada pada sistem. Energi dalam merupakan energi yang dibutuhkan untuk menciptakan sistem. Energi dalam berhubungan dengan energi potensial, seperti struktur molekul, struktur kristal, gerak partikel, dan aspek geometri lain. Termodinamika berfokus pada perubahan energi dalam, tetapi bukan nilai absolutnya.

Hukum pertama termodinamika

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi always conserved dan aliran panas merupakan bentuk perpindahan energi. Untuk sistem homogen, dengan suhu dan tekanan yang telah ditentukan, rumus penurunan dari hukum pertama, bahwa sistem yang hanya berdasar dari gaya tekanan dan perpindahan panas (misalnya silinder penuh berisi gas), perubahan diferensial energi dalam sistem dirumuskan dengan

$\mathrm {d} E=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V\,$,

dengan suku pertama di sebelah kanan adalah panas yang dipindahkan ke dalam sistem, dinyatakan dalam temperatur T dan entropi S (nilai entropi naik dan perubahan dS bernilai positif ketika sistem dipanaskan, dan suku terakhir di sebelah kanan adalah kerja yang dilakukan pada sistem, di mana tekanan P dan volume V (tanda negatif berasal dari kompresi pada sistem yang membutuhkan kerja yang dilakukan pada sistem sehingga perubahan volume, dV, bernilai negatif ketika kerja dilakukan pada sistem).

Persamaan ini sangat spesifik, mengabaikan semua energi kimia, listrik, nuklir maupun gravitasi. Rumus umum hukum pertama termodinamika nilainya tetap valid meskipun pada situasi di mana sistem tidak homogen. Untuk kasus ini, perubahan energi dalam pada sistem tertutup dinyatakan dengan

$\mathrm {d} E=\delta Q+\delta W$

dengan $\delta Q$ adalah panas yang masuk dalam sistem dan $\delta W$ adalah kerja yang dilakukan pada sistem.

Transformasi

Transformasi energi atau konversi energi merupakan proses pengubahan energi dari satu bentuk energi ke suatu bentuk energi yang lain atau berbeda. Prinsip transformasi energi dimanfaatkan oleh manusia menjadi suatu sistem yang mampu menghasilkan usaha. Setiap proses transformasi energi pasti mengalami kerugian. Setiap kerugian dalam transformasi energi dipengaruhi oleh lingkungan. Ini disebabkan oleh sifat alami energi yang cenderung dapat terseba ke mana-manar. Kegiatan konversi energi yang terencana wajib memiliki beberapa prinsip umum. Validitas dari prinsipnya harus berupa bukti empiris sehingga dapat digunakan oleh pemakai akhir energi. Prinsip utama dalam transformasi energi adalah penghematan energi, pengurangan rugi energi dan peningkatan efisiensi energi yang dikelola melalui manajemen energi. Transformasi energi dilakukan dengan memperhatikan manajemen energi tanpa mempertimbangkan kondisi keragaman teknologi dari pemakai energi di bagian akhir siklus energi. Proses transformasi energi dapat dilakukan dengan menggunakan mesin konversi energi. Pengubahan energinya dapat dalam energi mekanis, energi listrik, energi kimia, energi nuklir dan energi termal.

Manajemen

Manajemen energi selalu berkaitan dengan transformasi energi. Prinsip umum manajemen energi dan transformasi energi adalah sama. Masing-masing harus menggunakan prinsip yang bersifat umum dan telah memiliki tingkat keabsahan yang dapat ditunjukkan melalui bukti empiris. Manajemen energi tidak dipengaruhi oleh tingkat keragaman pengguna akhir energi. Kondisi ini berlaku untuk segi standar teknis, ekonomi maupun lingkungan. Konversi energi di dalam kajian manajemen energi berarti bahwa setiap proses perubahan energi harus dapat dibuat mengalami kerugian energi dengan jumlah yang sesedikit mungkin. Manajemen energi dalam hal ini berperan dalam meningkatkan efisiensi energi yang dipengaruhi oleh adanya kegiatan konversi energi. Manajemen energi yang efektif tercapai melalui tahap pengumpulan dan penyampaian informasi. Tahap pengumpulan informasi meliputi analisis data sejarah energi, audit energi, akuntansi, analisis teknik serta pembuatan proposal investasi dengan studi kelayakan sebagai acuannya. Sementara tahap penyampaian informasi meliputi pelatihandan pemberian informasi kepada personel yang bekerja di bidang energi. Program manajemen energi disesuaikan dengan kemampuan anggaran perusahaan dalam pembiayaan energi. Indeks kinerja utama pada energi-energi yang penting dkenali untuk keperluan penghematan energi. Pekerjaan manajemen energi ini dapat dilakukan oleh konsultan dai pihak internal maupun eksternal.

Lihat pula

Energi dalam ilmu alam

• Konversi energi
• enthalpy
• exergy
• daya (fisika)
• Energi orbital spesifik
• termodinamika
• entropi termodinamika

Topik utama

• Daftar topik energi
• Krisis energi
• Pengembangan energi
• Teknologi energi
• Kebijakan energi
• Energi terbaharui

Artikel lainnya

• Keseimbangan energi
• Energy demand management and DSM
• Penyimpanan energi
• Transmisi energi
• EU Energy Label
• Spiritual energy (seperti contoh pada New Age)
• Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Indonesia

Referensi

Daftar pustaka

• Ismail dan Rahman, R. A. (2020). Energi Angin: Turbin Angin (PDF). Ponorogo: Uwais Inspirasi Indonesia. ISBN 978-623-227-451-8. 
• Pudjanarsa, A. dan Nursuhut, D. (2013). Mesin Konversi Energi. Yogyakarta: ANDI. ISBN 978-979-29-3452-6.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Sutikno, dkk. (2019). Konversi Energi: Manejemen, Prinsip, dan Aplikasi (PDF). Yogyakarta: UAD Press. ISBN 978-602-0737-31-7. 
• Saleh, A. S., dan Bahariawan, A. (2018). Buku Ajar Energi dan Elektrifikasi Pertanian. Sleman: Deepublish. ISBN 978-602-475-036-7.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Widjonarko, dkk. (2020). Teknologi Penyimpanan Energi dan Perkembangannya (PDF). Jember: UPT Penerbitan Universitas Jember. ISBN 978-623-7973-58-4. 

Pranala luar

• Situs Berita Energi Terbarukan
• Portal Media Informasi Teknologi dan Energi Hijau Diarsipkan 2009-08-15 di Wayback Machine.
• Energy Encyclopedia Encyclopedia of free energy
• Conversions of energy units
• Renewable Energy
• What does energy really mean? From Physics World Diarsipkan 2004-08-03 di Wayback Machine.
• Glossary of Energy Terms
• International Energy Agency IEA - OECD

Bacaan lanjutan

• Feynman, Richard. Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher. Helix Book. See the chapter "conservation of energy" for Feynman's explanation of what energy is and how to think about it.
• Einstein, Albert (1952). Relativity: The Special and the General Theory (Fifteenth Edition). ISBN 0-517-88441-0