Kita mengenal tiga metode untuk menyimpan energi dalam sistem: energi kinetik, yang berhubungan dengan gerakan anggota sistem, energi potensial, ditentukan oleh konfigurasi sistem, dan energi internal (biasa disebut energi dalam), yang berkaitan dengan suhu sistem.
Kita sekarang mempertimbangkan untuk menganalisa situasi fisik menggunakan pendekatan energi untuk dua jenis sistem: sistem nonisolated (tak terisolasi) dan terisolasi. Untuk sistem nonisolated, kita akan menyelidiki cara bahwa energi dapat menyeberangi batas dari sistem, menghasilkan perubahan energi total sistem. Analisis ini mengarah ke prinsip penting yang disebut konservasi energi. Konservasi dari prinsip energi jauh melampaui fisika dan dapat diterapkan untuk organisme biologis, sistem teknologi, dan situasi rekayasa.
Dalam sistem terisolasi, energi tidak menyeberangi batas dari sistem. Untuk sistem ini, energi total sistem adalah konstan. Jika tidak ada gaya nonkonservatif bertindak dalam sistem, kita dapat menggunakan kekekalan energi mekanik untuk memecahkan berbagai masalah.
Situasi yang melibatkan transformasi energi mekanik menjadi energi internal karena gaya nonkonservatif memerlukan penanganan khusus. Kita menyelidiki prosedur untuk semua jenis masalah.
Akhirnya, kita menyadari bahwa energi dapat melintasi batas sistem pada tingkat yang berbeda. Kita menjelaskan laju transfer energi dengan kuantitas daya.
Analisis Model: Sistem Tak terisolasi (Energi)
Sebagaimana telah kita lihat, suatu objek, dimodelkan sebagai partikel, dapat bekerja dengan berbagai gaya, mengakibatkan perubahan energi kinetik. Jika kita memilih objek sebagai sistem, situasi ini sangat sederhana adalah contoh pertama dari sistem nonisolated (tak terisolasi), energi yang melintasi batas sistem selama beberapa interval waktu karena interaksi dengan lingkungan. Skenario ini adalah umum dalam masalah fisika. Jika sistem tidak berinteraksi dengan lingkungannya, itu adalah sistem yang terisolasi, yang akan kita pelajari dalam Bagian 8.2.
Teorema Usaha- energi kinetik dari Bab 7 adalah contoh pertama dari persamaan energi yang tepat untuk sistem nonisolated. Dalam kasus teorema itu, interaksi sistem dengan lingkungannya adalah usaha yang dilakukan oleh gaya eksternal, dan besaran dalam sistem yang berubah adalah energi kinetik.
Sejauh ini, kita telah melihat hanya ada satu cara untuk mentransfer energi ke dalam sistem: Usaha. Kita sebutkan di bawah ini beberapa cara lain untuk mentransfer energi masuk atau keluar dari sistem. Rincian proses ini akan dipelajari dalam bagian lain dari buku ini. Kita menggambarkan mekanisme untuk mentransfer energi pada Gambar 8.1 dan meringkas mereka sebagai berikut.
 |
| Konservasi energi |
Usaha, adalah metode mentransfer energi ke sistem dengan menerapkan gaya ke sistem sedemikian rupa sehingga titik penerapan gaya mengalami perpindahan (Gambar 8.1a).
Gelombang mekanik adalah suatu cara untuk mentransfer energi dengan memungkinkan gangguan untuk menyebarkan melalui udara atau medium lain. Ini adalah metode dimana energi (yang Anda deteksi sebagai suara) meninggalkan sistem radio Anda melalui loudspeaker dan memasuki telinga Anda untuk merangsang proses pendengaran (Gambar 8.1b). Contoh lain dari gelombang mekanik adalah gelombang seismik dan gelombang laut.
Panas adalah mekanisme transfer energi yang didorong oleh perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya. Sebagai contoh, bayangkan membagi sendok logam menjadi dua bagian: pegangan, yang kita kenal sebagai sistem, dan bagian terendam dalam secangkir kopi, yang merupakan bagian dari lingkungan (Gambar 8.1c). Gagang sendok menjadi panas karena elektron bergerak cepat dan atom di bagian terendam benjolan menjadi lebih lambat di sekitar bagian pegangan. Partikel-partikel ini bergerak lebih cepat karena tabrakan dan menabrak kelompok berikutnya yang merupakan partikel lambat. Oleh karena itu, energi internal dari pegangan sendok naik dari transfer energi karena proses tabrakan.
Transfer Materi
Transmisi listrik
Radiasi elektromagnetik
atau menghancurkan energi, energi yang selalu dilestarikan. Fitur ini telah diuji dalam percobaan yang tak terhitung jumlahnya, dan tidak ada eksperimen yang pernah menunjukkan pernyataan ini tidak benar. Oleh karena itu, jika jumlah total energi dalam perubahan sistem, hanya bisa karena energi telah melintasi batas sistem dengan mekanisme transfer seperti salah satu metode yang tercantum di atas.
Energi merupakan salah satu dari beberapa besaran dalam fisika yang digunakan. Kita akan melihat besaran lainnya dalam bab-bab berikutnya. Ada banyak besaran fisika yang tidak mematuhi prinsip konservasi. Misalnya, tidak ada konservasi prinsip daya atau konservasi prinsip kecepatan. Demikian pula, di daerah lain selain besaran fisika, seperti dalam kehidupan sehari-hari, beberapa besaran diturunkan dan beberapa tidak. Misalnya, uang dalam sistem rekening bank Anda adalah kuantitas kekal. Satu-satunya cara perubahan saldo rekening jika uang melintasi batas dari sistem dengan deposito atau penarikan. Di sisi lain, jumlah orang dalam sistem suatu negara tidak kekal. Meskipun orang memang menyeberangi batas dari sistem, yang mengubah jumlah penduduk, penduduk juga dapat berubah oleh orang-orang meninggal dunia dan dengan melahirkan bayi baru. Bahkan jika tidak ada orang yang menyeberangi batas sistem, kelahiran dan kematian akan mengubah jumlah orang dalam sistem. Tidak ada setara dalam konsep energi untuk mati atau melahirkan. Pernyataan umum prinsip konservasi energi dapat dijelaskan secara matematis dengan persamaan konservasi energi sebagai berikut:
∆Esystem = ∑ T (8.1)
dimana Esystem adalah energi total sistem, termasuk semua metode penyimpanan energi (kinetik, potensial, dan internal), dan T (untuk transfer) adalah jumlah energi yang ditransfer melintasi batas sistem dengan beberapa mekanisme. Dua dari mekanisme transfer kita, telah dibuat notasi simbolis. Untuk usaha, Twork = W seperti dibahas dalam Bab 7, dan untuk panas, Theat = Q sebagaimana dijelaskan dalam Bab 20. (Sekarang yang kita kenal dengan usaha, kita dapat menyederhanakan penampilan persamaan dengan membiarkan simbol sederhana W mewakili Wext usaha eksternal pada sistem. Untuk usaha internal, kita akan selalu menggunakan Wintuntuk membedakannya dari W.) Empat anggota lainnya dari daftar kita, tidak diberi simbol, jadi kita akan menamakannya TMW (mechanical waves/gelombang mekanik), TMT (Matter Transfer/transfer materi), TET(Electrical Transmission/transmisi listrik), dan TER (Electromagnetic Radiation/ radiasi elektromagnetik).
Perluasan penuh Persamaan 8.1 adalah:
∆K + ∆U + ∆Eint = W + Q + TMW + TMT+ TET + TER (8.2)
yang merupakan representasi matematis utama dari versi energi dari model analisis sistem nonisolated. (Kita akan melihat versi lain dari model sistem nonisolated, melibatkan momentum linear dan momentum sudut, di bab berikutnya.) Dalam kebanyakan kasus, Persamaan 8.2 tereduksi menjadi satu, jauh lebih sederhana karena beberapa istilah adalah nol. Jika untuk sistem yang diberikan, semua persyaratan di sisi kanan dari persamaan konservasi energi adalah nol, sistem merupakan sistem yang terisolasi, yang kita pelajari pada bagian berikutnya.
Konservasi persamaan energi tidak lebih rumit dalam teori daripada proses menyeimbangkan laporan rekening giro. Jika account Anda adalah sistem, perubahan dalam saldo rekening untuk bulan tertentu adalah jumlah dari semua transfer: deposito, penarikan, biaya, bunga, dan cek tertulis. Anda mungkin menemukan itu berguna untuk memikirkan energi sebagai mata uang alam!
Misalkan sebuah gaya yang diterapkan pada sistem nonisolated dan titik penerapan gaya bergerak dengan sebuah perpindahan. Lalu satu-satunya efek pada sistem ini adalah untuk mengubah kecepatan. Dalam hal ini, satu-satunya mekanisme adalah transfer usaha (sehingga sisi kanan Persamaan. 8.2 tereduksi menjadi hanya W) dan satu-satunya jenis energi dalam sistem yang berubah adalah energi kinetik (sehingga ∆Esystem yang mengurangi hanya ∆K). Persamaan 8.2 kemudian menjadi:
∆K = W
yang merupakan teorema usaha –energi kinetik. Teorema ini adalah kasus khusus dari prinsip yang lebih umum mengenai kekekalan energi. Kita akan melihat beberapa kasus khusus lainnya di bab-bab selanjutnya (Serway, 2010:199-201).
Tinggalkan komentar