Transformasi energi
Transformasi energi, juga dikenal sebagai konversi energi, adalah proses perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dalam fisika, energi adalah kuantitas yang menyediakan kapasitas untuk melakukan pekerjaan atau bergerak (misalnya mengangkat benda) atau menyediakan panas. Selain diubah, menurut hukum kekekalan energi, energi dapat dipindahkan ke lokasi atau objek yang berbeda, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.
Energi dalam berbagai bentuknya dapat digunakan dalam proses alami, atau untuk memberikan layanan kepada masyarakat seperti pemanasan, pendinginan, penerangan, atau melakukan pekerjaan mekanis untuk mengoperasikan mesin. Sebagai contoh, untuk memanaskan rumah, tungku membakar bahan bakar, yang energi potensial kimianya diubah menjadi energi panas, yang kemudian ditransfer ke udara rumah untuk menaikkan suhunya.
Keterbatasan dalam konversi energi panas
Konversi ke energi panas dari bentuk energi lain dapat terjadi dengan efisiensi 100%. Konversi di antara bentuk energi non-termal dapat terjadi dengan efisiensi yang cukup tinggi, meskipun selalu ada sejumlah energi yang hilang secara termal karena gesekan dan proses serupa. Kadang-kadang efisiensinya mendekati 100%, seperti ketika energi potensial diubah menjadi energi kinetik saat sebuah benda jatuh di ruang hampa udara. Hal ini juga berlaku untuk kasus yang berlawanan; misalnya, sebuah benda dalam orbit elips di sekitar benda lain mengubah energi kinetiknya (kecepatan) menjadi energi potensial gravitasi (jarak dari benda lain) ketika bergerak menjauhi benda induknya. Ketika mencapai titik terjauh, ia akan membalikkan prosesnya, mempercepat dan mengubah energi potensial menjadi kinetik. Karena ruang angkasa adalah ruang hampa udara, proses ini memiliki efisiensi hampir 100%.
Energi panas sangat unik karena dalam banyak kasus (willow) tidak dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Hanya perbedaan dalam densitas energi panas/termal (suhu) yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan, dan efisiensi konversi ini akan (jauh) kurang dari 100%. Hal ini karena energi panas merupakan bentuk energi yang sangat tidak teratur; energi panas tersebar secara acak di antara banyak keadaan yang tersedia dari kumpulan partikel mikroskopis yang membentuk sistem (kombinasi posisi dan momentum untuk setiap partikel dikatakan membentuk ruang fase). Ukuran gangguan atau keacakan ini adalah entropi, dan ciri khasnya adalah bahwa entropi sistem yang terisolasi tidak pernah berkurang. Seseorang tidak dapat mengambil sistem entropi tinggi (seperti zat panas, dengan sejumlah energi panas) dan mengubahnya menjadi keadaan entropi rendah (seperti zat bersuhu rendah, dengan energi yang lebih rendah pula), tanpa entropi tersebut berpindah ke tempat lain (seperti udara di sekitarnya). Dengan kata lain, tidak ada cara untuk memusatkan energi tanpa menyebarkan energi ke tempat lain.
Energi panas dalam kesetimbangan pada suhu tertentu sudah mewakili energi maksimum antara semua keadaan yang mungkin terjadi karena energi panas tidak sepenuhnya dapat diubah menjadi bentuk yang "berguna", yaitu energi yang dapat melakukan lebih dari sekadar memengaruhi suhu. Hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa entropi sistem tertutup tidak akan pernah berkurang. Karena alasan ini, energi panas dalam suatu sistem dapat dikonversi ke jenis energi lain dengan efisiensi mendekati 100% hanya jika entropi alam semesta ditingkatkan dengan cara lain, untuk mengkompensasi penurunan entropi yang terkait dengan hilangnya energi panas dan kandungan entropinya. Jika tidak, hanya sebagian dari energi panas tersebut yang dapat dikonversi ke jenis energi lain (dan dengan demikian menjadi kerja yang berguna). Hal ini karena sisa panas harus dicadangkan untuk dipindahkan ke reservoir termal pada suhu yang lebih rendah. Peningkatan entropi untuk proses ini lebih besar daripada penurunan entropi yang terkait dengan transformasi sisa panas menjadi jenis energi lain.
Untuk membuat transformasi energi menjadi lebih efisien, sebaiknya hindari konversi termal. Sebagai contoh, efisiensi reaktor nuklir, di mana energi kinetik inti pertama-tama diubah menjadi energi panas dan kemudian menjadi energi listrik, berada pada kisaran 35%. Dengan konversi langsung energi kinetik menjadi energi listrik, yang dilakukan dengan menghilangkan perantara transformasi energi panas, efisiensi proses transformasi energi dapat ditingkatkan secara dramatis.
Sejarah transformasi energi
Transformasi energi di alam semesta dari waktu ke waktu biasanya ditandai dengan berbagai jenis energi, yang telah tersedia sejak Big Bang, yang kemudian "dilepaskan" (yaitu, ditransformasikan menjadi jenis energi yang lebih aktif seperti energi kinetik atau energi radiasi) oleh mekanisme pemicu.
Pelepasan energi dari potensi gravitasi
Transformasi energi secara langsung terjadi ketika hidrogen yang dihasilkan dalam Big Bang terkumpul menjadi struktur seperti planet, dalam sebuah proses di mana sebagian dari potensi gravitasi akan diubah secara langsung menjadi panas. Di Jupiter, Saturnus, dan Neptunus, misalnya, panas yang berasal dari runtuhnya atmosfer gas besar planet-planet tersebut terus menggerakkan sebagian besar sistem cuaca di planet-planet tersebut. Sistem-sistem ini, yang terdiri dari pita-pita atmosfer, angin, dan badai dahsyat, hanya sebagian saja yang ditenagai oleh sinar Matahari. Namun, di Uranus, hanya sedikit proses ini yang terjadi.
Di Bumi, sebagian besar panas yang dihasilkan dari bagian dalam planet, diperkirakan sepertiga hingga setengah dari total panas, disebabkan oleh runtuhnya material planet secara perlahan ke ukuran yang lebih kecil, menghasilkan panas.
Pelepasan energi dari potensi radioaktif
Contoh lain yang sudah dikenal dari proses transformasi energi dari Big Bang adalah peluruhan nuklir, yang melepaskan energi yang awalnya "tersimpan" dalam isotop-isotop berat, seperti uranium dan thorium. Energi ini tersimpan pada saat nukleosintesis elemen-elemen ini. Proses ini menggunakan energi potensial gravitasi yang dilepaskan dari keruntuhan supernova Tipe II untuk menciptakan elemen-elemen berat ini sebelum dimasukkan ke dalam sistem bintang seperti Tata Surya dan Bumi. Energi yang terkunci di dalam uranium dilepaskan secara spontan selama sebagian besar jenis peluruhan radioaktif, dan dapat dilepaskan secara tiba-tiba dalam bom fisi nuklir. Dalam kedua kasus tersebut, sebagian energi yang mengikat inti atom dilepaskan sebagai panas.
Pelepasan energi dari potensi fusi hidrogen
Dalam rantai transformasi serupa yang dimulai pada awal alam semesta, fusi nuklir hidrogen di Matahari melepaskan simpanan energi potensial lain yang diciptakan pada saat Big Bang. Pada saat itu, menurut salah satu teori, ruang angkasa mengembang dan alam semesta mendingin terlalu cepat sehingga hidrogen tidak dapat menyatu sepenuhnya menjadi elemen yang lebih berat. Hal ini mengakibatkan hidrogen menjadi penyimpan energi potensial yang dapat dilepaskan melalui fusi nuklir. Proses fusi ini dipicu oleh panas dan tekanan yang dihasilkan dari keruntuhan gravitasi awan hidrogen ketika mereka menghasilkan bintang, dan sebagian energi fusi kemudian ditransformasikan menjadi cahaya bintang. Mempertimbangkan tata surya, cahaya bintang, yang sebagian besar berasal dari Matahari, dapat disimpan lagi sebagai energi potensial gravitasi setelah menabrak Bumi. Hal ini terjadi pada kasus longsoran salju, atau ketika air menguap dari lautan dan disimpan sebagai curah hujan di atas permukaan laut (di mana, setelah dilepaskan di bendungan pembangkit listrik tenaga air, air tersebut dapat digunakan untuk menggerakkan turbin/ generator untuk menghasilkan listrik).
Sinar matahari juga mendorong banyak fenomena cuaca di Bumi. Salah satu contohnya adalah badai, yang terjadi ketika area lautan hangat yang luas dan tidak stabil, yang dipanaskan selama berbulan-bulan, melepaskan sebagian energi panasnya secara tiba-tiba untuk menggerakkan pergerakan udara yang hebat selama beberapa hari. Sinar matahari juga ditangkap oleh tanaman sebagai energi potensial kimiawi melalui fotosintesis, ketika karbon dioksida dan air diubah menjadi kombinasi karbohidrat, lipid, dan oksigen yang mudah terbakar. Pelepasan energi ini sebagai panas dan cahaya dapat dipicu secara tiba-tiba oleh percikan api, dalam kebakaran hutan; atau mungkin tersedia lebih lambat untuk metabolisme hewan atau manusia ketika molekul-molekul ini dicerna, dan katabolisme dipicu oleh aksi enzim.
Melalui semua rantai transformasi ini, energi potensial yang tersimpan pada saat Big Bang kemudian dilepaskan melalui peristiwa-peristiwa peralihan, terkadang disimpan dalam beberapa cara berbeda untuk jangka waktu yang lama di antara pelepasannya, sebagai energi yang lebih aktif. Semua peristiwa ini melibatkan konversi satu jenis energi menjadi energi lain, termasuk panas.
Konversi energi lainnya
Ada banyak mesin dan transduser yang berbeda yang mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya. Berikut ini adalah beberapa contohnya:
Hidrolisis ATP (energi kimia dalam adenosin trifosfat → energi mekanik)
Baterai (listrik) (energi kimia → energi listrik)
Generator listrik (energi kinetik atau kerja mekanis → energi listrik)
Pemanas listrik (energi listrik → panas)
Api (energi kimia → panas dan cahaya)
Gesekan (energi kinetik → panas)
Sel bahan bakar (energi kimia → energi listrik)
Tenaga panas bumi (panas → energi listrik)
Mesin panas, seperti mesin pembakaran internal yang digunakan pada mobil, atau mesin uap (panas → energi mekanik)
Bendungan pembangkit listrik tenaga air (energi potensial gravitasi → energi listrik)
Lampu listrik (energi listrik → panas dan cahaya)
Mikrofon (suara → energi listrik)
Tenaga panas laut (panas → energi listrik)
Fotosintesis (radiasi elektromagnetik → energi kimia)
Piezoelektrik (regangan → energi listrik)
Termoelektrik (panas → energi listrik)
Tenaga gelombang (energi mekanik → energi listrik)
Kincir angin (energi angin → energi listrik atau energi mekanik)
Disadur dari: en.wikipedia.org