Mengapa Menghemat Energi Padahal Energi itu Kekal?

Kamu pasti sering mendengarkan himbauan untuk menghemat energi. Namun menurut hukum kekekalan energi (yang juga merupakan hukum termodinamika pertama), energi dapat berubah dari suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya, tapi total energi selalu sama saja. Di dalam suatu sistem tertutup, jumlah energi total tidak dapat berubah. Lalu, apa maksudnya menghemat energi, padahal energi itu kekal apapun yang kita lakukan?

Nah di sinilah permasalahannya, hukum kekekalan energi memang benar, namun tidak menceritakan seluruhnya. Energi memang kekal, namun ada suatu bentuk energi yang tidak dapat digunakan, suatu bentuk energi yang tak berguna, dan apabila suatu bentuk energi berubah ke bentuk energi tak berguna ini, energi tersebut tidak dapat berubah ke bentuk energi lainnya lagi. Penjelasannya tentang kemungkinan perubahan bentuk energi ke bentuk energi yang tak berguna ini dirangkum oleh hukum termodinamika kedua, yang mana akan kita bahas sedikit di sini. Hukum termodinamika kedua juga menceritakan bahwa ada proses yang dinamakan sebagai proses irreversibel (tidak dapat balik ke keadaan semua).

Sebuah contoh sederhana tentang perubahan energi: contoh energi mekanik menjadi energi internal (energi-dalam) adalah gerakan dengan suatu gesekan. Energi internal adalah energi yang berhubungan dengan gerak partikel-partikel penyusun benda. 

Perhatikanlah misalnya ada sebuah balok dengan suatu energi kinetik awal tertentu bergerak sepanjang meja kasar. Dalam proses balok bergerak di sepanjang meja ini, energi kinetik awal balok diubah menjadi energi internal balok dan meja. Namun, proses kebalikannya tidak pernah terjadi, di mana energi internal balok dan meja secara spontan berubah menjadi energi kinetik balok sehingga membuat balok yang tadinya diam menjadi bergerak di sepanjang meja sementara meja dan balok mendingin (energi internalnya berkurang karena berubah menjadi energi kinetik), hal ini tidak pernah terjadi. Namun hal ajaib ini tentu saja tidak melanggar hukum kekekalan energi (atau hukum termodinamika pertama) karena total energinya sama saja, mau bagaimanapun prosesnya ‘kan. Nah, karena tidak pernah terjadi proses balok di atas meja tiba-tiba bergerak dan meja serta balok mendingin seperti di atas, maka kita mengambil kesimpulan bahwa hukum kekekalan energi (atau hukum termodinamika pertama) tidak cukup untuk menjelaskan hal ini, kita perlu konsep baru tentang urutan proses, konsep ini dikenal sebagai hukum termodinamika kedua. Banyak sekali contoh proses irreversibel, sebuah gelas yang pecah tidak akan pernah secara spontan kembali menjadi gelas yang utuh. 

Contoh lainnya adalah tentang panas, jika kita menempatkan benda panas bersinggungan dengan benda dingin, maka energi panas akan mengalir dari benda yang panas ke benda yang dingin sampai temperaturnya sama; namun kebalikannya tidak pernah terjadi, di mana dua buah benda yang temperaturnya sama bersinggungan dan tiba-tiba salah satunya menjadi lebih panas dan salah satunya lagi menjadi lebih dingin tanpa ada energi panas yang mengalir dari satu benda ke benda satunya lagi. Perlu kita sadari bahwa dari setiap proses irreversibel, sistem dan lingkungannya selalu bergerak ke arah keadaan yang lebih tak teratur. Ketidakteraturan/keacakan/kekacauan ini di dalam termodinamika dinyatakan oleh besaran fisika yang diberi nama entropi, dilambangkan dengan huruf S. Nah, perubahan entropi (ΔS) dari suatu sistem-lah yang berkaitan serta bertanggung jawab terhadap bentuk energi yang tidak berguna. 

Definisi perubahan entropi adalah sebagai berikut

Dengan dQ_rev adalah energi panas (atau kalor) yang harus ditambahkan pada sistem dalam satu proses reversibel (agar dapat kembali ke keadaan semula) untuk membawanya dari keadaan awal ke keadaan akhir. Jika panas diambil dari sistem, dQ_rev bernilai negatif dan perubahan entropi sistem pun bernilai negatif. T adalah temperatur sistem. Dari definisi entropi ini pula hukum termodinamika kedua dapat dinyatakan, “untuk sembarang proses, entropi semesta (sistem dan lingkungannya) ΔS_u tak pernah berkurang.”

Untuk lebih jelasnya tentang perubahan entropi dan juga energi tak berguna, perhatikanlah gambar berikut,

Gambar 1a. Balok dari Ketinggian h Dijatuhkan

 

Gambar 1b. Saat Balok yang Dijatuhkan dari Ketinggian h Mengenai Tanah.

Sebuah balok bermassa m yang jatuh dari ketinggian h dan mengalami tumbukan tak elastik dengan tanah liat (tumbukan tak elastik maksudnya balok tidak terpental setelah tumbukan, menempel di tanah liat setelah tumbukan). Jelas sekali ini adalah proses irreversibel. Misalkan balok, tanah, dan atmosfer semuanya bertemperatur T yang tak banyak berubah selama proses. Jika kita anggap balok, tanah, dan atmosfer sebagai suatu sistem tertutup, maka tak ada energi panas yang dihantarkan dari atau ke luar sistem. Keadaan sistem setelah berubah karena energi internalnya telah bertambah sejumlah mgh (ingat, energi potensial balok bermassa m). Perubahan ini sama seperti kita menambahkan energi panas Q = mgh ke sistem pada temperatur konstan T. Untuk menghitung perubahan entropi sistem, maka kita perhatikan proses reversibel dengan panas Q_rev = mgh yang ditambahkan pada temperatur konstan T. Menurut rumus definisi entropi kita di atas, perubahan entropinya adalah sebesar

Ini juga merupakan perubahan entropi semesta ΔS_u.

Dalam proses ini, energi “terbuang percuma”. Ketika balok bermassa m ada pada ketinggian h, energi potensialnya yang sebesar mgh seharusnya dapat digunakan untuk melakukan usaha yang bermanfaat, seperti mengangkat beban misalnya. Setelah tumbukan tak elastik dengan tanah, energi ini tidak lagi dapat digunakan karena telah menjadi energi internal yang tidak teratur untuk balok dan lingkungannya. Setelah tumbukan, partikel penyusun balok dan tanah akan bergerak lebih acak, lebih tak teratur daripada sebelum tumbukan, entropinya naik. (sebenarnya sebagian energinya masih dapat digunakan jika ada suatu tandon (suatu benda penampung panas) yang temperaturnya lebih rendah daripada temperatur atmosfer T agar energinya dapat diserap untuk menjalankan mesin panas yang bekerja pada temperatur antara T dan temperatur tandon yang lebih dingin tadi). Energi yang telah menjadi tak berguna akibat proses ini besarnya adalah TΔS_u. Jadi, bisa kita ambil hasil umumnya sebagi berikut:

"Pada proses irreversibel, energi yang sama dengan perubahan entropi semesta dikalikan dengan temperatur tandon yang paling dingin yang tersedia menjadi tak berguna untuk melakukan usaha"

Agar lebih sederhana, kita akan menamakan energi yang menjadi tak berguna untuk melakukan usaha sebagai “rugi usaha”:

Nah, sekarang Kamu sudah mulai memahami ‘kan kenapa kita harus menghemat energi. Sebenarnya total energi sama saja, namun ada bentuk energi yang tak berguna dan tak dapat berubah menjadi bentuk energi lainnya yang berguna. Contoh, mobil Kamu menggunakan BBM (energi kimia) yang kemudian diubah menjadi energi mekanik agar bergerak, namun energi kimia tersebut tidak seluruhnya diubah menjadi energi mekanik, namun juga berubah menjadi energi bunyi, energi panas dan bentuk-bentuk energi lainnya. Bentuk energi yang berubah dari energi kimia BBM tersebut salah satunya adalah energi yang tidak berguna, dan jika energi kimia BBM ini “habis” berubah menjadi bentuk energi lainnya, maka kita tidak dapat mempergunakan energi yang tak berguna ini lagi. Hal yang sama juga berlaku pula pada sumber-sumber energi lainnya, baik sumber energi yang tak terbarukan (seperti BBM) dan juga energi terbarukan.

Gambar 2. Perubahan Energi Kimia BBM Menjadi Bentuk Energi Lainnya.

Penghematan energi dapat pula diartikan sebagai penghematan sumber energi agar tidak semuanya berubah menjadi energi yang kita inginkan dan juga menjadi energi tak berguna. Sumber energi paling besar yang masih kita gunakan sampai saat ini adalah BBM, oleh karena itu kita harus menghemat penggunaan BBM dan jangan “menghabiskan” energi kimia BBM yang sudah hampir langka ini menjadi energi gerak, energi cahaya, energi listrik, dan energi panas dan energi tak berguna. Walaupun total energi di alam semesta ini konstan, tapi energi yang telah berubah menjadi energi tak berguna tidak dapat dimanfaatkan kembali. Kita harus bijak dalam penggunaan BBM yang sudah hampir habis ini. Mematikan lampu saat lampu itu tidak dibutuhkan adalah salah satu cara mudah untuk menghemat energi.

Jadi, penghematan energi yang dihimbaukan kepada kita itu maksudnya adalah menghemat penggunaan energi yang berguna agar tidak cepat berubah menjadi energi yang tak berguna.

TRIVIA:

Bentuk energi tak berguna mengambil bentuk –serupa– energi panas. Entropi alam semesta selalu bertambah karena proses yang terjadi di alam semesta, artinya alam semesta memanas seiring waktu. Jika alam semesta memanas sampai temperatur tertentu, maka energi tak berguna ini benar-benar tidak dapat digunakan lagi karena agar energi ini dapat digunakan, maka dibutuhkan suatu tandon yang lebih dingin; hal ini tidak mungkin lagi karena seluruh alam semesta serta isinya  sudah bertemperatur sama.

BACA JUGA:
Exergy