Apa itu energi panas?

Aliran energi panas dari satu sistem ke sistem lainnya adalah dasar untuk cabang fisika yang dikenal sebagai termodinamika. Para ilmuwan telah membuat lompatan inovatif dalam ilmu fisika berkat penemuan di bidang termodinamika. Saat ini, temuan tersebut membantu memicu era baru alternatif energi.

Asal-usul istilah “energi panas” berasal dari zaman kuno (sekitar 500 SM). Namun, penemuannya sering dikaitkan dengan James Prescott Joule, fisikawan, matematikawan, dan pembuat bir Inggris dari abad ke-19.

Joule bereksperimen dengan konversi energi mekanik dan menyadari bahwa semakin ia memanipulasi kecepatan suatu zat, semakin panas pula zat tersebut. Dengan mengamati perubahan suhu melalui gesekan dan reaksi kimia, Joule menemukan bahwa energi dapat bermanifestasi dalam berbagai bentuk, seperti panas, dan bahwa ada korelasi langsung antara panas dan proses mekanik (energi yang ditransfer ke atau dari suatu objek dengan menerapkan gaya).

Di sepanjang kariernya, Joule dan temuannya disambut dengan keraguan. Dan sekarang kita mengukur jumlah pekerjaan yang dihasilkan oleh suatu sistem dalam joule, sebuah unit energi dalam Sistem Satuan Internasional (satuan SI). Temuannya membuka jalan bagi hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa energi total dari sebuah sistem yang terisolasi akan tetap konstan. Penemuan ini mengarah pada penciptaan hukum termodinamika pertama

Di antara empat ilmu fisika, termodinamika adalah cabang fisika yang berfokus pada panas, usaha, dan suhu, serta mengeksplorasi hubungannya dengan energi, entropi , dan sifat-sifat fisika seperti materi dan radiasi. Perilaku yang diamati di antara semua elemen ini diatur oleh empat hukum:

Awalnya, hukum awal tidak dianggap sebagai hukum termodinamika yang terpisah karena tersirat dalam tiga hukum lainnya. Hukum ini berfokus pada keseimbangan termal, yaitu ketika dua benda yang berdekatan mencapai suhu yang sama dan tidak lagi bertukar energi panas (bayangkan air panas dan cangkir dingin yang sama-sama mencapai suhu kamar). Hukum ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, keduanya juga berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dalam banyak hal, hukum awal beroperasi sebagai properti transitif.

Disajikan dalam bentuk rumus, hukum pertama termodinamika merupakan ekspresi dari hukum kekekalan energi. Hukum ini menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, namun hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Oleh karena itu, panas dalam suatu sistem akan sama dengan panas dari suatu sumber.

Dalam bentuk yang paling sederhana, hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa panas mengalir secara spontan dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Namun, kebalikannya tidak akan terjadi: panas tidak akan mengalir secara spontan dari daerah dingin ke daerah panas. Perbedaan ini adalah kunci karena menetapkan konsep entropi (tingkat gangguan atau ketidakpastian dalam suatu sistem) sebagai properti fisik. Entropi akan meningkat hingga mencapai puncaknya pada kesetimbangan termal.

Meskipun dianggap mustahil, hukum termodinamika ketiga menyatakan bahwa ketika suhu suatu sistem mendekati nol absolut,  entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Konsep nol absolut, dimana semua aktivitas dalam sebuah sistem akan berhenti, dianggap tidak dapat dicapai karena molekul tidak akan pernah tidak bergerak sama sekali. Namun, menurut teori, titik nol atau kemungkinan suhu terendah, adalah -273,15 derajat Celcius (atau -459,67 derajat Fahrenheit) pada skala suhu Kelvin.

Energi dapat dikategorikan sebagai energi kinetik atau potensial. Energi kinetik diukur dengan pergerakan suatu benda dan memperhitungkan massa dan kecepatan. Energi potensial adalah potensi suatu benda untuk bergerak berdasarkan beberapa faktor seperti kedudukan (apakah benda tersebut tergantung di udara atau di lantai?), sifat (dari apa benda tersebut terbuat?), dan hubungan dengan benda lain (apakah benda lain dapat menyebabkan geraknya?).

Bayangkan sebuah bola yang tergantung pada tali. Saat tergantung, bola tersebut menyimpan potensi energi. Bola tidak bergerak, tetapi bisa saja bergerak karena ada gravitasi yang bekerja pada bola sebagai potensi gaya. Jika tali dipotong dan bola jatuh, bola akan memiliki energi kinetik karena menjadi benda yang bergerak. Beberapa contoh penting dari energi potensial dan kinetik meliputi:

Energi termal adalah energi kinetik total dalam suatu sistem, yang diamati sebagai energi kinetik getaran, rotasi, atau translasi. Namun, ada juga energi “tersembunyi“ (atau lebih tepatnya, mikroskopis) yang terdapat dalam bentuk energi internal yang mempertimbangkan semua partikel dalam suatu sistem, dan memperhitungkan energi kinetik dan potensial.

Energi panas dapat ditransfer melalui tiga metode: konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk memahami cara kerja masing-masing, bayangkan panci yang berisi air mendidih di atas kompor.

• Konduksi adalah aliran energi melalui bahan padat. Saat api memanaskan panci, energi bergerak ke seluruh benda dan meningkatkan suhu permukaannya.
• Konveksi adalah aliran energi melalui pergerakan fluida. Saat panci semakin panas, air menyesuaikan dengan perbedaan suhu. Air panas naik ke atas saat air dingin ditarik ke bawah, sehingga menciptakan arus melingkar yang dikenal sebagai gerakan massa fluida.
• Radiasi adalah aliran energi melalui gelombang. Energi kinetik dari bara api bergerak melalui gelombang elektromagnetik dan diubah menjadi panas setelah menyentuh suatu objek, dalam hal ini, panci.

Panas yang didistribusikan dalam contoh ini berpindah melalui tiga wujud berbeda: padat, cair, dan gas. Energi panas dapat mengubah objek di setiap keadaan dan bahkan dapat memulai perubahan fase tergantung pada jumlah panas yang diberikan. Hal ini bergantung pada panas laten dan panas sensibel.

Panas laten mengacu pada jumlah panas atau energi yang dibutuhkan untuk memicu perubahan fase (mengubah air mendidih menjadi uap). Panas sensibel mengacu pada energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu zat (nyala api yang membuat panci lebih panas). Setiap benda memiliki kapasitas panas spesifiknya sendiri, yaitu jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar satu derajat Celsius. "Air memiliki panas spesifik tinggi yang berarti membutuhkan banyak energi untuk menaikkan suhunya, sedangkan udara memiliki panas spesifik rendah karena gas biasanya memiliki kapasitas panas spesifik yang lebih rendah."

Energi panas sering digunakan secara bergantian untuk menyebut panas, meskipun ada sedikit perbedaan. Energi panas mengacu pada pergerakan molekul dan atom dalam suatu sistem. Panas, di sisi lain, adalah perpindahan atau aliran energi panas dari satu sistem ke sistem lainnya. Baik energi panas maupun panas diukur dalam joule.

Suhu mengacu pada energi kinetik rata-rata yang dihasilkan dalam suatu sistem dan diukur dalam Celsius, Fahrenheit, Kelvin, atau Rankine. Penting untuk diperhatikan bahwa suhu merekam “panas” atau ”dingin” suatu objek pada waktu tertentu, bukan energinya. Misalnya, suhu tidak dapat memberi tahu Anda jumlah panas yang keluar dari sistem.

Cara lain untuk memikirkan hubungan antara ketiganya adalah bahwa energi panas adalah jumlah total energi dalam sebuah sistem, panas adalah aliran energi dari sistem tersebut ke sistem lainnya, dan suhu adalah energi kinetik rata-rata molekul.

Pada saat kekhawatiran akan perubahan iklim semakin meningkat, dorongan bagi bisnis untuk beralih menuju operasi net zero semakin meningkat. Energi panas memberikan kesempatan bagi organisasi untuk mulai menggunakan sumber energi terbarukan dan meninggalkan bahan bakar fosil.

Contohnya termasuk: 

Memanfaatkan energi panas sebagai sumber energi terbarukan dapat menjadi cara efektif bagi perusahaan untuk mendiversifikasi strategi manajemen energi mereka. Terlebih lagi, hal ini dapat membantu dunia usaha memitigasi kerusakan lebih lanjut terhadap bumi dengan mengurangi konsumsi dan meningkatkan konservasi energi.