Materi Dan Energi

A. Materi

Benda terdiri atas suatu materi dan energi. Tubuh suatu organisme dibagun oleh materi dan bergantung pada energi. Jadi mahluk hidup ataupun yang tidak hidup semua tersusun dari materi. Materi adalah sesuatu yang memiliki massa dan menepati suatu ruang. Sebagai contoh, udara tersusun dari gas-gas yang tidak dapat dilihat dengan mata tetapi dapat dibuktikan keberadaannya dan dapat diketahui massanya.

1. Wujud Materi

Wujud materi ada tiga macam yaitu padat, cair, dan gas. Zat padat memiliki bentuk dan volume yang tetap, selama tidak ada pengaruh lain. Contoh emas memiliki bentuk dan volume tetap dimanapun berada. Zat cair mempunyai bentuk yang berubah-ubah sesuai dengan bentuk ruang yang ditempatinya dan volume yang tetap. Contoh, air di dalam gelas, bentuknya akan seperti gelas tetapi tetap memiliki volume yang tetap.Sedangkan gas tidak tetap baik bentuk dan volumenya karena gas mengisi seluruh ruang yang tersedia.

2. Massa dan Berat

Massa suatu benda menyatakan jumlah materi yang ada pada benda tersebut. Massa suatu benda tetap di segala tempat. Massa merupakan sifat dasar materi yang penting.

Berat suatu benda dapat diukur dengan menimbangnya, tetapi massa suatu benda dapat dihitung jika diketahui beratnya dan gaya gravitasi ditempat penimbangan dilakukan. Oleh kerena itu, digunakanlah neraca. Dua benda yang memiliki massa sama jika ditimbang ditempat yang sama, beratnya akan sama. Maka, timbul pengertian bahwa massa sama dengan berat.

3. Klasifikasi Materi

Suatu benda yang seluruh bagiannya memiliki sifat-sifat yang sama disebut bahan homogen. Contoh, larutan gula dalam air. Larutan memang merupakan campuran yang serba sama. Sedangkan tanah dan campuran minyak dengan air merupakan campuran heterogen.

Suatu bahan yang tersusun dari dua atau lebih zat-zat yang sifatnya berbeda disebut campuran. Komposisi campuran tidak tetap, tetapi bervariasi. Oleh karena itu, akan kita kenal campuran homogen dan campuran heterogen.

Batu kapur, granit, batu pualam merupakan campuran heterogen karena tampak jelas heterogenitas sifat-sifatnya.

Materi yang homogen dan susunan kimianya tetap disebut zat atau substansi. Ada dua macam zat, yaitu unsur dan senyawa. Unsur yaitu zat yang dengan reaksi kimia tidak dapat diuraikan lagi menjadi zat-zat lain. Contoh, oksigen (O), dan Hidrogen (H). Sedangkan senyawa adalah zat yang dengan unsur kimia dapat diuraikan menjadi beberapa zat lain yang lebih sederhana. Contohnya yaitu air.

4. Atom dan Molekul

Pada abad 5 sebelum Masehi, Leukippos dan Demokritos telah mengembangkan ajaran mikrokosmos tentang hebatnya materi.

Demokritos (460-370 SM) menyatakan bahwa struktur zat discontinue dan bahwa semua materi terdiri atas partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut atom (a=tidak, tomos=dibagi).

Pada masa Robert Boyle, yakni pada abad ke-17, para ahli Fisika mengembangkan teori baru tentang struktur materi, yaitu teori molekul. Menurut teori ini, partikel-partikel terkecil zat disebut molekul, dan molekul-molekul zat yang sama akan sama semua sifatnya. Teori ini juga menerangkan peristiwa diferensiasi zat perubahan wujud zat, dan sifat-sifat gas.

a. Teori Atom Dalton

Pada awal abad ke-19 (1766-1874), John Dalton menerangkan dua buah hukum dasar ilmu kimia, yakni hukum kekekalan massa dari Lavoisier dan hukum ketetapan perbandingan dari Proust. Dasar teorinya antara lain sebagai berikut;

· Tiap-tiap unsur terdiri dari partikel-partikel kecil yang disebut atom. Atom tidak dapat dibagi-bagi.

· Atom-atom unsur yang sama, sifatnya sama, atom dari unsur yang berbeda, sifatnya juga berbeda.

· Atom tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan.

· Reaksi kimia tejadi karena pengabungan atau pemisahan atom-atom.

· Senyawa ialah hasil reaksi atom-atom penyusunnya.

Untuk membedakan unsur atom, Berzellius mengembangkan tanda atom. Tanda atom umumnya diturunkan dari nama Latin dengan mengambil huruf pertama dan seringkali ditambah dengan sebuah huruf lain dalam nama itu.

5. Susunan Atom

Pengetahuan tentang susunan atom menjadi jelas setelah penelitian-penelitian oleh Sir Humphry Davy dan Michael Faraday, yang keduanya berasal dari Inggris.

a. Penemuan Elektron dan Proton

Partikel atom yang pertama kali ditemukan adalah elektron. Berawal dari penyelidikan tentang listrik melalui gas-gas pada tekanan rendah.

Percobaan dilakukan oleh Joseph John Thomson dan kawan-kawannya mengenai hantaran listrik melalui berbagai gas dengan menggunakan tabung tertutup yang dapat dihampakan. Pada ujung-ujung tabung itu terdapat kutub listrik positif atau anoda dan kutub negatif atau katoda. Bila keduanya dihubungkan dengan sumber listrik bertegangan tinggi dan tekanan gas didalam tabung dikurangi, akan terjadi pancaran sinar berasal dari katoda dan menuju ke anoda yang disebut sinar katoda yang bersifat cahaya dan dapat mengerakan baling-baling yang diletakan dalam jalannya. Dari sifat tersebut menunjukan bahwa sinar katoda terdiri dari partikel-partikel bermuatan listrik negatif.

Pada tahun 1897, J.J. Thomson (1856-1940) membuktikan dengan eksperimen bahwa partikel sinar katoda tidak bergantung pada bahan katoda. Partikel itu disebut elektron. Jadi dapat ditarik kesimpulan bahwa tiap atom unsur mengandung elektron.

E. Goldstein seorang berkebangsaan jerman pada tahun 1886 menemukan bahwa apabila lempeng tabung katoda itu berlubang-lubang maka gas yang terdapat di belakang katoda akan berpijar. Ini menunjukan bahwa ada sejenis sinar yang melewati lubang-lubang yang terdapat pada katoda. Sinar ini disebut sinar saluran karena melalui saluran yag menghubungkan ruang belakang katoda dengan ruang di antara kedua kutub. Percobaan selanjutnya, dengan menggunakan berbagai jenis gas, menunjukan adanya massa partikel positif dari sinar saluran itu bergantung pada jenis yang dipakai. Ini diperoleh bila gas yang digunakan adalah gas Hidrogen, patikel terkecil ini kemudian disebut proton.

b. Model Atom

Dengan ditemukan elektron, maka Model atom Dalton diganti dengan Model atom Thomson. Menurut Thomson, atom berupa bola bermuatan positif dan pada tempat-tempat tertentu terdapat elektron-elektron. Jumlah muatan positif sama dengan muatan negatif sehingga atom bersifat netral. Model atom Thomson mulai ditinggalkan sejak Ernest Rutherford yang dibantu Hans Geiger dan Ernest Marsden pada tahun 1909 menemukan bukti-bukti baru tentang sifat atom melalui eksperimen yang disebut eksperimen penghabluran sinar alfa.

Sinar alfa yaitu sinar positif yang dapat dihasilkan dalam tabung sinar katoda yang berisi gas helium, akan tetapi pada eksperimen ini digunakan bahan radioaktif sebagai sumber partikel alfa yang berkecepatan tinggi. Pada tahun 1911 Rutherford menduga bahwa atom hampir seluruhnya terdiri atas ruang kosong. Dan ada muatan positif atom, dengan demikian merupakan massa atom, yang terkumpul dalam volume yang sangat kecil yang disebut inti atom (the atomic nucleus). Inti atom harus merupakan bagian yang sangat kecil dari atom. Inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron.

Di dalam inti atom ada suatu bagian ruangan yang saling tarik-menarik dengan sejumlah elektron sesuai dengan jumlah muatan inti yang disebut proton. Jumlah proton di dalam inti atom disebut nomor atom. J.J. Chadwick pada tahun 1932 secara kuantitatif menyelidiki bagian inti atom yang lain yang bersifat netral. Partikel ini disebut netron. Karena terdapat di dalam inti atom, proton dan netron disebut pula nukleon. Jumlah nukleon merupakan nomor massa dari suatu atom.

c. Model atom Bohr

Menurut teori mekanika klasik tentang cahaya, elektron yang bergerak harus disertai harus disertai kehilangan tenaga kinetik eloktron. Dengan demikian, kecepatan elektron itu semakin lama semakin berkurang, jaraknya terhadap inti semakin kecil, dan akhirnya akan jatuh dan melekat pada inti. Untuk mengatasi kelemahan model atom Rutherford, Bohr mengajukan pendapat yang revolusioner, yang bertentangan dengan mekanika klasik Newton. Menurut Bohr, di sekitar inti terdapat lintasan-lintasan elektron yang berjumlah terbatas. Dan pada lintasan itu bergerak sebuah elektron yang tdak memancarkan sinar. Maka, dalam keadaan station, elektron memiliki jumlah tenaga tetap dan terdapat dalam keadaan seimbang yang mantap.

B. Energi

Energi adalah kemamapuan untuk melakukan suatu kegiatan atau kerja. Tanpa adanya energi dunia ini akan diam. Dalam kehidupannya manusia selalu melakukan kegiatan menggunakan otak serta otot dan untuk menggerakan otak dan otot tersebut dibutuhkan suatu energi. Energi diperoleh melalui pembakaran zat makanan yang masuk ke tubuh manusia berupa makanan. Kegiatan manusia lainnya dalam memproduksi barang juga memerlukan suatu energi yang diperoleh dari bahan sumber energi atau sering di sebut sumber daya alam.

Sumber energi atau sumber daya alam dibedakan menjadi dua yaitu:

a. Sumber daya alam yang dapat diperbaharui tidak dapat habis, contoh ; tumbuhan, hewan, air, tanah, sinar matahari, angin, dan sebaginya.

b. Sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui atau habis, contoh; minyak Bumi, batu bara, emas, perak, nikel.

Secara detail energi dapat dibedakan atas butir-butir berikut dan perlu diketahui bahwa energy dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lainnya. Contohnya, energi potensial air terjun dapat diubah menjadi energi listrik, energy gerak.

1. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena sifat geraknya. Energi mekanik terdiri dari energi potensial dan energi kinetik.

Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda karena posisinya (kedudukan) terhadap suatu acuan.Energi kinetikadalah energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya. Setiap benda mempunyai berat, baik dalam keadaan diam atau bergerak setiap benda mempunyai energi. Contohnya, energi yang tersimpan dalam air yang dibendung pada sebuah waduk bersifat tidak aktif, disebut juga dengan energi potensial (energi tempat). Bila bendungan waduk dibuka, air akan mengalir dengan deras, sehingga energi air menjadi aktif, disebut juga dengan energi kinetik. Mengalirnya air tersebut adalah dengan energi kinetik (tenaga gerak).

Air waduk pada contoh di atas memiliki energi potensial karena letaknya. Semakin tinggi letak air waduk terhadap permukaan air laut, semakin besar energi potensialnya. Kenyataan itu dapat dirumuskan sebagai berikut.

Epotensial = mgh

m = massa benda
g = beasar gravitasi Bumi
h = jarak ketinggiannya

Sedangkan besarnya energi kinetik dapat dirumuskan:
Ekinetik = ½ m V^2

V = kecepatan gerak benda

2. Energi Panas

Energi panas disebut juga sebagai energi kalor. Pemberian panas pada suatu benda dapat menyebabkan naiknya suhu suatu benda tersebut atau bahkan bapat menyebabkan perubahan bentuk, perubahan ukuran, atau bisa juga terjadi perubahan volume benda tersebut. Ada tiga istilah yang penggunaannya sering rancu, yaitu panas, kalor, dan suhu. Panas adalah suatu bentuk energy. Energy panas yang berpindah disebut kalor, dan suhu adalah derajat panas pada suatu benda.

Contoh, ketika sedang merebus air berarti energy panas diberikan kepada air, yang berasal dari energy yang tersimpan di dalam bahan bakar kayu atau minyak tanah sehingga suhu air akan naik. Jika energy panas diteruskan sampai suhu air meningkat mencapai titik didihnya, maka air akan menguap dan akan berubah bentuk menjadi uap air.

Banyaknya energy panas yang diberikan dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

Q = m x c t kalori, di mana
Q = menyatakan banyaknya energy panas dalam kalori
m = menyatakan masa benda/zat yang mendapatkan energy panas
c = menyatakan kalor jenis benda/zat yang mendapatkan panas
t = menyatakan kenaikan (perubahan suhu)

3. Energy magnetik

Banyak hal yang dapat kita pelajari dari magnet. Magnet akan menarik benda-benda yang mengandung medan magnet disekitarnya. Magnet juga akan menahan benda-benda yang telah menempel padanya. Bahkan magnet juga mampu mengarahkan suatu logam bermedan magnet kepada arah tertentu. Magnet juga akan menularkan sifat magnetis pada benda-benda yang melekat padanya, sehingga sama-sama mempunyai kekuatan magnetis.

Energi magnetik adalah energi yang tersimpan di dalam magnet. Energi magnetik dapat dipahami dengan mengamati gejala yang ditimbulkan dua batang magnet yang kutub-kutubnya saling didekatkan satu dengan yang lainnya. Seperti telah di ketahui bahwa magnet itu mempunyai 2 macam kutub, yaitu kutub magnet selatan dan utara. Jika kedua batang magnet yang mempunyai kutub yang sama apabila saling didekatkan maka kedua magnet tersebut akan saling bertolakan. Namun sebalaiknya apabila kedua magnet mempunyai kutub yang tidak sama maka kedua magnat tersebut akan saling tarik-menarik.

Pengertian mengenai energy magnetic akan sangat jelas jika dipahami melalui penelitian medan magnet. Di sekitar kutub suatu magnet terdapat medan magnet, yaitu berupa ruangan atau daerah di sekeliling kutub magnet di mana energy magnetic masih dapat dirasakan. Hal ini dapat diperhatikan gejalanya apabila suatu benda kecil ataupun suatu magnet yang lemah diletakan sekitar kutub magnet, maka benda kecil atau mgnet tersebut akan begerak. Itu berarti bahwa di sekeliling magnet yang menimbulkan medan magnet ada kemampuan untuk menggerakan benda lain. kemampuan tersebut adalah energy magnetic. Magnet dapat menarik benda lain apabila benda tersebut dalam bentuk magnet atau suatu benda yang terdapat energy magnetiknya. Benda-benda yang dapat menjadi magnet yaitu, besi dan baja.

4. Energy listrik

Energi listrik adalah kemampuan untuk melakukan atau menghasilkan usaha listrik (kemampuan yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik dari satu titik ke titik yang lain yang tersimpan dalam arus listik. Energi listrik ditimbulkan melalui berbagai macam cara. Misalnya:

a. Dengan sungai atau air terjun yang memiliki energi kinetik

b. Dengan energi angin yang dipakai untuk menggerakan kincir angin

c. Menggunakan accu (energi kimia)

d. Menggunakan tenaga uap yang dapat digunakan untuk memutar generator listrik

e. Menggunakan tenaga diesel

f. Menggunakan tenaga nuklir

Dengan adanya energi listrik dalam kehidupan banyak sekali yang dapat dirasakan, terutama di dalam kehidupan kota-kota besar sebagai penyokong industri yang ada di kota besar tersebut, selain di kota-kota besar bahkan sekarang listrik digunakan sebagai penerangan sampai jauh ke plosok desa.

Di samping dapat di lihat dari kegunaannya, dapat dilihat energi apa saja yang dapat dihasilkan dari energi listrik. Contohnya, untuk menyalakan sebuah lampu penerangan di rumah maka energi listrik diubah menjadi energi cahaya, untuk menggerakan suatu mesin maka energi listrik diubah menjadi energi mekanik.

Sangat jelas bahwa energi listrik benar-benar mempunyai peranaan penting, baik dalam kehidupan rumah tangga maupun di bidang industri.

5. Energi Kimia

Energi kimia yaitu energi yang timbul akibat terjadinya proses atau reaksi kimia. Energi yang dimiliki manusia diperoleh melalui makanan yang dimakan. Makanan dari pada bahan manusia pada umumnya tersusun atas senyawa kimia yang di dalamnya tersimpan energi kimia.

Jika kedua macam atom karbon dan oksigen tersebut bereaksi akan terbentuk suatu molekul-molekul baru, yaitu karbondioksida. Dengan bergabungnya kedua atom tersebut maka akan memerlukan suatu energi. energi tersebut adalah kalori yang dikenal sebagai energy kimia. Jika kedua atom yang bergabung tersebut yaitu atom karbon dan oksigen dipisahkan maka atom tersebut akan melepaskan energi. Energi yang terlepas tersebut adalah eksoterm.

Jadi jelaslah untuk memahami adanya energi kimia melalui reaksi eksoterm di mana berlangsungnya reaksi kimia disertai dengan pembebasan kalori yang disebut energi kimia.

6. Energi Bunyi

Energi bunyi adalah gelombang yang berasal dari sumber bunyi, yaitu benda yang bergetar. Getaran yang selaras akan mempunyai energi dua macam, yaitu energi potensial dan energy kinetik. Dapat ditunjukan bahwa jumlah kedua macam energi pada suatu getaran selaras adalah selalu tetap dan besarnya tergantung massa, simpangan dan waktu getar atau periodenya.

Sebagai contoh adnya energi bunyi atau getaran, yaitu apabila orang melihat jatuhnya sebuah benda dari ketinggian gedung tertentu. Pada saat benda itu jatuh di lantai, energi kinetiknya berubah menjadi energi getaran, yaitu timbulnya suatu getaran pada lantai tersebut yang menimbulkan bunyi. Apabila getaran tersebut sangat besar, akan dapat dirasakan adanya energi getaran, yaitu dengan terlihatnya getaran pada benda-benda lain yang ada di sekitar benda yang jatuh tersebut. Gendang telinga manusia hanya mampu menerima energi getaran yang ditimbulkan oleh sumber getar yang frekuensunya paling rendah 16 getaran per detik (hertz) dan paling besar 20.000 getaran per detik.

7. Energy Nuklir

Energi nuklir yaitu energi yang dihasilkan oleh reaksi pembelahan inti (fisi) berantai. Energi nuklir diperoleh apabila suatu atom pecah menjadi atom yang lain dan pecahannya tersebut disertai pembebasan energi. Sumber energy nuklir yang sangat besar adalah uranium. Di dalam reaksi atom, uranium ditembakan dengan neutron sehingga masuk ke inti uranium dan kemudian pecah. Pecahnya atom uranium disertai pembebasan suatu energi yang sangat besar dan dihasilkan juga produk dua neutron baru. Neutron baru tersebut akan menembaki atom uranium lain dan diikuti peristiwa yang sama. Proses itu berlangsung terus-menerus dan disebut sebagai berlangsungnya reaksi beranatai yang sangat cepat dengan pengeluaran energi yang dahsyat.

Energi nuklir juga dapat digambarkan seperti energi yang disimpan di dalam arloji ketika arloji itu diputar. Apabila kunci yang menahan per arloji itu dibuka dengan tiba-tiba, energi yang tersimpan tadi akan keluar semuanya dengan sangat kuat dan arloji tersebut kemungkinan akan rusak. Namun apabila energi tersebut dilepaskan secara perlahan dan disalurkan melalui roda-roda serta mekanisme lainnya, energi tersebut akan memberi manfaat bagi jalannya arloji tersebut. Demikian juga dengan energi nuklir. Apabila tidak dikendalikan dengan baik penggunaannya, bukan tidak mungkin energi nuklir akan membunuh manusia, seperti yang terjadi pada perang Dunia Kedua di mana kota Hirosima dan Nagasaki telah dibom atom oleh Amerika Serikat. Namun, dengan maksud menuju suasana yang damai dan aman, maka energi nuklir dapat dimanfaatkan untuk kesejahteraan hidup orang banyak.

Dengan kemajuan sains dan teknologi, energy nuklir dapat digunakan sebagai berikut ini. Untuk kapal bertenaga nuklir, lokomotif bertenaga nuklir, pesawat terbang bertenaga nuklir, pembangkit listrik tenaga nuklir, dan juga diperlukan dalam dunia kesehatan.

8. Energi Cahaya atau Cahaya

Energi cahaya terutama cahaya matahari banyak diperlukan oleh tumbuhan yang berdaun hijau. Tumbuhan tersebut membutuhkan energi cahaya untuk proses berfotosintesis. Sebagai manusia juga yang hidup di dunia ini, kita menerima cahaya utama kita dari matahari, yang memberikan kehangatan, pertumbuhan dan kekuatan.

Dengan kemajuan teknologi, saat ini dapat juga digunakan energi dari cahaya atau sinar yang dikenal dengan sebutan sinar laser. Sinar laser adalah sinar pada suatu gelombang yang sama dan sangat amat kuat. Sinar laser banyak sekali digunakan di dalam banyak bidang, misalnya dalam bidang perindustrian digunakan dalam pembutan senjata laser yang dapat menembus baja. Sinar laser juga digunakan dalam bidang kesehatan menunjukan bahwa banyak penyakit yang dapat disembuhkan dengan sinar laser.

Seorang sarjana dari Hongaria bernama Meester meneliti bahwa sinar laser yang lemah mempunyai pengaruh yang baik atas proses penyembuhan luka-luka. Sinar laser yang digunakan adalah sebuah laser gas, gas yang dipergunakan adalah helium dan neon.

9. Energi Matahari

Energi matahari adalah energi yang paling besar dan paling murah di dunia ini. Dapat dikatakan murah karena mnusia d dunia ini tidak perlu membeli untuk mendapatkan energi matahari tersebut. Matahari memancarkan energinya dalam bentuk gelombang-gelombang radiasi. Energi yang dipancarkan matahari besarnya tidak kurang dari 3, 8 x 1033 erg setiap dediknya. Di antara jumlah energi matahari yang di pancarkan ke Bumi, Bumi hanya menerima sedikit di bandingkan dengan seluruh jumlah energi matahari yang dipancarkan ke tempat lainnya.

Energi matahari dapat juga dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, di antaranya ialah sebagai tenaga penggerak satelit buatan, proses fotosintesis pada tumbuhan hijau, pembangkit listrik tenaga surya