Apa Itu Hukum Kekekalan Energi? Pengertian dan Contoh

Hukum kekekalan energi berarti energi total dalam sistem terisolasi tetap konstan. Energi dapat berpindah antar benda atau berubah bentuk, tetapi tidak diciptakan dari ketiadaan atau dimusnahkan menjadi ketiadaan.

Dalam simbol, gagasan utamanya adalah

$$E_{total} = \mathrm{constant}$$

atau, untuk sistem yang sama pada dua waktu yang berbeda,

$$E_i = E_f$$

Itu tidak berarti setiap jenis energi tetap sama dengan sendirinya. Artinya, yang tetap sama adalah total energinya untuk sistem yang Anda pilih, dalam kondisi yang dinyatakan.

Mengapa hukum kekekalan energi penting

Cara tercepat untuk memikirkannya adalah sebagai anggaran energi. Jika satu bagian berkurang, bagian lain harus bertambah dengan jumlah yang sama, asalkan tidak ada energi yang masuk ke sistem atau keluar dari sistem.

Dalam soal fisika dasar, energi sering berpindah antara:

• energi kinetik
• energi potensial gravitasi
• energi potensial elastis
• energi termal

Sebagai contoh, ketika sebuah benda jatuh, energi potensial gravitasi berkurang sementara energi kinetik bertambah. Jika hambatan udara cukup kecil untuk diabaikan, perubahan itu sering dimodelkan sebagai perpindahan di dalam energi mekanik.

Kapan persamaan energi sederhana berlaku

Hukum kekekalan penuh berlaku untuk sistem terisolasi. Dalam mekanika di kelas, jalan pintas yang umum adalah kekekalan energi mekanik:

$$K_i + U_i = K_f + U_f$$

Persamaan yang lebih singkat ini berlaku ketika perubahan energi yang Anda perhatikan hanya terjadi antara energi kinetik $K$ dan energi potensial $U$, seperti energi potensial gravitasi atau elastis, dan ketika efek disipatif seperti gesekan atau hambatan udara dapat diabaikan atau diperhitungkan secara terpisah.

Jika gesekan berpengaruh, energi total tetap kekal, tetapi sebagian energi mekanik berubah menjadi energi termal. Dalam kasus itu, lebih aman menuliskan neraca energi yang mencakup perpindahan tersebut.

Contoh soal: bola dijatuhkan dari ketinggian

Misalkan sebuah bola bermassa $1\,\mathrm{kg}$ dijatuhkan dari keadaan diam dari ketinggian $5\,\mathrm{m}$. Abaikan hambatan udara. Berapa kecepatan bola sesaat sebelum menyentuh tanah?

Di atas:

$$K_i = 0$$

Dengan menggunakan $U = mgh$ di dekat permukaan Bumi,

$$U_i = mgh = (1)(9.8)(5) = 49\,\mathrm{J}$$

Sesaat sebelum tumbukan, ambil tanah sebagai energi potensial gravitasi nol, sehingga

$$U_f = 0$$

Dengan menggunakan kekekalan energi mekanik,

$$K_i + U_i = K_f + U_f$$ $$0 + 49 = \frac{1}{2}(1)v^2 + 0$$ $$49 = \frac{1}{2}v^2$$ $$v^2 = 98$$ $$v \approx 9.9\,\mathrm{m/s}$$

Poin pentingnya bukan hanya angkanya. Contoh ini menunjukkan mengapa hukum kekekalan energi berguna: Anda dapat menemukan kecepatan akhir tanpa melacak percepatan pada setiap saat.

Kesalahan umum dalam hukum kekekalan energi

• Mengira "energi kekal" berarti energi kinetik tetap konstan. Biasanya yang tetap konstan adalah total energinya, bukan setiap bagiannya.
• Menggunakan $K_i + U_i = K_f + U_f$ ketika gesekan atau hambatan udara penting tanpa memperhitungkan energi yang berubah menjadi kalor.
• Lupa bahwa kekekalan bergantung pada definisi sistem. Jika energi melintasi batas sistem, energi di dalam sistem itu saja dapat berubah.
• Mencampuradukkan kekekalan energi dengan kekekalan energi mekanik. Energi mekanik dapat berkurang meskipun energi total tetap kekal.

Di mana hukum kekekalan energi digunakan

Hukum kekekalan energi digunakan di seluruh fisika karena menghubungkan banyak situasi berbeda dengan satu gagasan. Dalam soal pengantar, konsep ini sangat umum digunakan pada:

• benda jatuh dan benda yang dilempar
• bandul dan gerak seperti roller coaster
• pegas dan osilasi
• tumbukan dan kehilangan energi termal
• rangkaian listrik, gelombang, dan termodinamika pada tingkat yang lebih luas

Metode ini sering menjadi cara tercepat ketika gaya atau percepatan terlalu merepotkan untuk dilacak langkah demi langkah.

Pemeriksaan cepat sebelum memakai rumus

Ajukan dua pertanyaan sebelum menggunakan persamaan energi:

1. Sistem apa yang saya pilih?
2. Bentuk energi apa saja yang perlu dimasukkan untuk situasi ini?

Kebiasaan itu mencegah sebagian besar kesalahan. Setelah pilihan-pilihan itu jelas, hukum kekekalan energi menjadi kurang seperti rumus yang harus dihafal dan lebih seperti alat pencatatan yang menjaga fisika tetap konsisten.

Coba soal serupa

Gunakan contoh bola jatuh yang sama, tetapi ubah ketinggiannya menjadi $20\,\mathrm{m}$. Buat prediksi terlebih dahulu: jika ketinggian menjadi empat kali lebih besar, apakah kecepatannya menjadi empat kali lebih besar atau hanya dua kali lebih besar? Lalu hitung dan bandingkan.