Oleh: Andrias Widiantoro
MAKALAH
Materi Dan Energi
Ilmu Bumi dan Falaq
Dosen Pengampu:
Abdul Basid, M.Si
Oleh:
Faslucky Afifudin
NIM. 07640011
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS ISLAM NEGERI
MAULANA MALIK IBRAHIM MALANG
2009
A.
Materi dan Energi
Ketika gunung St. Helens meletus,
berton-ton debu partikel dari ledakan menyelimuti udara di Washington. Dan pada
saat gunung Mauna Loa di Hawaii meletus,
lava berpijar mengalir seperti sungai. Terbentuk dari apakah lava dan debu-debu
tersebut ? Apa yang membuat batu meleleh di dalam bumi dan memaksanya keluar ke
permukaan sebagai lava ? Dari berbagai jenis proses yang berbeda, di dalam
aliran sungai Mississippi, di dalam Teluk Mexico, tercatat bahwa ada
berjuta-juta kerikil, pasir dan material lainnya yang terlarut di dalamnya.
Terbentuk dari apakah pasir-pasir tersebut ? Apakah material-material tersebut
sama dengan material-material yang terkandung dalam lava di Hawaii dan
debu-debu vulkanik di Alaska ? Apakah yang terbentuk di aliran sungai
Mississippi ?
Peristiwa-peristiwa yang
dijelaskan diatas adalah contoh dari berbagai jenis proses yang terjadi di bumi
yang dipelajari dalam ilmu geologi. Letusan vulkanik dan aliran sungai-sungai
terlihat jenis yang berbeda dari proses yang terjadi di permukaan. Tetapi
pertanyaan yang di ajukan adalah sama, yaitu apakah material-material yang
menyusun bumi ? Apa yang menyebabkan proses di dalam bumi ? Dua pertanyaan yang
mendasari geologi dan harus terjawab sebelum ada proses tunggal atau batu yang
dipelajari.
Terbentuk dari
apakah bumi ?
Semua material, gas-gas di
atmosfer, air di samudra, dan batu-batu di pegunungan tersusun dari materi yang
kecil yang disebut atom. Untuk mengetahui bumi, kita harus mengetahui apakah
atom itu dan bagaimana atom dapat bergabung satu sama lain membentuk zat-zat
yang berbeda.
Struktur atom
Atom terdiri dari
partikel-partikel kecil yang berbeda, yaitu elektron, proton dan neutron.
Elektron adalah partikel yang mempunyai massa terkecil dan memiliki muatan
negatif. Proton mempunyai massa sekitar 1832 kali massa elektron dan memiliki
muatan positif, besarnya muatan ini sama dengan muatan elektron. Neutron
memiliki massa sedikit lebih besar yaitu sekitar 1833 kali massa elektron,
tetapi tidak bermuatan. Proton dan neuton terkumpul di dalam inti (inti) setiap
atom dan dikelilingi oleh awan elektron. Semua massa dan muatan positif dari
atom dapat ditemukan pada inti atom dan muatan negatif terkonsentrasi pada awan
elektron. Meskipun elektron megorbit dan berpindah dengan cepat, namun elektron
tidak dapat melarikan diri (lepas) dari inti atom. Elektron terikat dengan
muatan positif proton dan menarik seperti kutub-kutub magnet satu sama lain.
Gaya tarik ini disebut gaya elektrostatis. Jadi keseluruhan muatan atom adalah
nol, hal ini dikarenakan jumlah muatan positif proton harus sama dengan jumlah
muatan negatif elektron yang mengorbit.
Tidak semua atom sama, boleh jadi
atom berbeda dalam nomor atom (jumlah proton dalam inti atom) atau nomor massa
(jumlah proton dan neutron dalam inti atom). Satuan massa atom adalah amu
(atomic massa unit), yang masing-masing sama dengan massa proton. Pengaruh
elektron pada atom umumnya kecil dan diabaikan. Atom juga berbeda dalam ukuran.
Umunya elektron mengelilingi di sekitar inti atom, dan atom dengan nomor atom
yang lebih besar akan mempunyai ukuran yang lebih besar dengan atom yang
mempunyai nomor atom lebih kecil.
Unsur
Semua atom yang memiliki nomor
atom yang sama dapat disebut unsur yang sama, mereka mempunyai sifat fisik yang
sama dan bertingkah dengan cara yang sama dalam proses alam. Seperti bersifat
gas dan beracun yaitu unsur clorin mempunyai 17 proton dan semua atom berat,
padat dan unsur tidak stabil seperti uranium yang memiliki 92 proton. 88 elemen
telah ditemukan di bumi dan di atmosfer dan 18 di antaranya dibuat oleh
fisikawan inti. Meskipun demikian, hanya sebagian kecil yang berperan penting
dalam proses-proses di bumi, sebagaimana ditunjukkan pada gambar tabel.
Isotops
Semua atom dari unsur-unsur
mungkin mempunyai nomor atom yag sama, tetapi tidak perlu pula mempuyai
mempunyai nomor massa yang sama. Atom-atom hidrogen (dengan nomor atom 1) boleh
jadi mempunyai nomor massa 1, 2, atau 3 amu, tergantung dari berapa neutron
(nol, satu atau dua) yang berada di dalam intinya. Atom-atom uranium (dengan
nomor atom 92) mungkin mempunyai nomor massa 234, 235, atau 238 amu. Atom-atom
dari satu unsur yang sama yang memiliki nomor massa yang berbeda disebut
isotop. Untuk mengetahui isi atom, kita harus mengetahui nomor atom dan nomor
massa.
Struktur dari unsur
Aspek tertentu dari struktur
unsur sangat penting untuk diketahui material bumi, singkatnya atom dari suatu
unsur akan digambarkan dalam bentuk model. Model paling sederhana adalah model
atom hidrogen, intinya tediri dari proton tunggal (dengan nol, satu atau dua
neutron), dan satu elektron yang mengelilingi intinya. Helium H mempunyai 2 buah proton dan dua buah neutron
di dalam intinya, kedua atom tersebut memiliki jarak orbit elektron yang sama
dari inti. Meskipun tiga buah elektron
dari atom Lithium tidak mempunyai jarak yang sama dari intinya.
Dua-duanya mengelilingi inti dengan jarak yang sama, tetapi yang ketiga lebih
jauh lagi jaraknya. Elektron yang megelilingi inti akan memiliki jarak yang
sama jika elektron tersebut dalam satu kulit yang disebut kulit elektron. Dalam
kulit ini haya dapat terisi dua buah elektron, sama halnya untuk kulit terdalam
dari atom Lithium, dan untuk elektron ke tiga harus berada di kulit yang
berbeda. Sifat yang sama juga terjadi pada unsur dengan nomor atom 4 (Beryllium)
dan 10 (Neon). Ke empat dari sepuluh elektron kira-kira memiliki jarak yang
sama dari inti sama halnya untuk kulit yang ketiga, dan kulit elektron kedua
berada diluar kulit yang pertama.
Sodium juga berbeda, atom ini memiliki dua elektron
di bagian kulit terdalam sebagaimana atom dari elemen dengan nomor atom 2 dan
10, dan 8 elekktron di kulit ke dua sebagaimana neon, tetapi elektron kesebelas
berada di kulit ketiga. Hal ini dikarenakan hukum yang mengatur jumlah elektron
yang mengisi setiap kulit, 2 buah elektron untuk kulit yang pertama, 8 buah
untuk kulit yang ke dua dan 18 buah untuk kulit yang ke tiga, namun hukum ini
tidak menjadi topik pembahasan kita.
Reaksi-reaksi yang
melibatkan atom-atom
Atom-atom mengalami dua jenis
perubahan yaitu reaksi kimia yang hanya melibatkan elektron yang berada di
sekitar inti atom dan reaksi inti yang mempengaruhi inti dari atom itu sendiri.
Pada reaksi kimia, atom-atom berikatan
satu sama lain tanpa merubah struktur inti. Sedangkan pada reaksi inti, inti
atom berubah dengan bertambah atau kehilangan partikel inti, dalam proses ini
unsur berubah menjadi unsur lainnya. Atom-atom dari semua unsur mengalami
reaksi kimia dan hanya isotop tertentu dari unsur khusus yang mengalami reaksi
inti. Tiga isotop dari potasium, sebagai contohnya,
semuanya dapat mengalami
reaksi kimia, tetapi hanya yang tengah yang dapat mengalami reaksi inti, kedua reaksi
ini sangat penting untuk material bumi dan proses geologi.
Reaksi-reaksi inti
Dalam reaksi inti, inti atom dari
suatu unsur terbentuk kembali menjadi inti atom dari unsur yang lain, sebagai
contohnya reaksi inti dari salah satu isotop uranium :
Inti uranium berubah menjadi inti
Thorium dengan kehilangan bagian dari materi penyusun inti yaitu dua proton dan
dua neutron. Partikel ini disebut partikel alfa dan jenis reaksi ini disebut
peluruhan alfa. Dan pada reaksi ini dilepaskan energi juga. Reaksi inti seperti
ini, yang mana inti terpecah disebut reaksi fisi. Sedangkan reaksi inti yang
melibatkan dua atom dari unsur yang sama dan membentuk unsur lainnya disebut
reaksi fusi, reaksi fusi terjadi di matahari yang mana dua inti hidrogen
bergabung membentuk inti helium, reaksi ini tidak terjadi di bumi.
Ketika terjadi reaksi inti
terjadi secara spontan tanpa campur tangan manusia, dilepaskan beberapa energi
dan proses ini disebut radioaktifitas. Unsur yang terlibat dalam reaksi ini
disebut unsur radioaktif. Reaksi uranium akan dijelaskan lebih lanjut pada bab
8, di mana pemanfaatan dari radioaktivitas ini digunakan untuk mengukur umur
dari material bumi yang akan didiskusikan.
Reaksi kimia dan
senyawa
Atom dari beberapa unsur di alam
adalah atom yang terisolasi dan tidak bergabung satu sama lain dengan atom
lain, seperti atom-atom dari gas mulia : helium, neon dan argon. Meskipun
demikian kebanyakan atom di alam ini dapat dijumpai dalam bentuk senyawa, beberapa
unsur tersebut disebut dalam keadaan asli,
yang mana atom-atom tersebut bergabung satu sama lain. Contoh umumnya adalah
emas, sulfur, karbon dan oksigen, meskipun atom-atom dari unsur lain
berkombinasi satu sama lainnya. Seperti air adalah gabungan dari atom oksogen
dan hidrogen, dan garam dapur adalah gabungan dari atom natrium dan klorida.
Tanpa memperhatikan bagaimana itu terjadi, beberapa gaya mungkin mengikat
mereka bersama.
Ketika atom dari dua unsur yang
berbeda berikatan bersama, umumnya mereka kehilangan sifat khususnya,dan
menjadi senyawa dengan sifat yang berbeda. Sebagai contohnya adalah garam
dapur, NaCl yang penting bagi manusia, namun sodium murni dan clorin murni akan
berakibat fatal bagi tubuh manusia. Clorin murni adalah jenis gas hijau yang
beracun dan sodium padat kuning akan meledak dan menimbulkan api jika
diletakkan di dalam air.
Apa yang mengontrol
ikatan
Sebuah perbandingan dari unsur
inert (lembam) yang tidak berikatan satu sama lain dengan unsur reaktif
menunjukkah bahwa ikatan dipengaruhi oleh elektron terluar. Gas mulia tidak
mengalami reaksi kimia dikarenakan kulit elektron terluar terisi penuh (seperti
helium dan neon) atau terisi sebagian dengan jumlah elektron stabil sebagaimana
argon. Selain unsur ini mumpunyai kulit terluar atau subkulit yang tidak terisi
penuh sehingga berikatan dengan unsur lainnya.
Efek dari elektron terluar
dijelaskan ketika unsur diurutkan pada tabel periodik, jadi unsur dengan jumlah
elektron sama di bagian kulit terluar di tempatkan pada kolom yang sama. Gas
mulia berada di kolom paling kanan dan selanjutnya adalah unsur yang kekurangan
satu elektron di kulit terluar atau subkulitnya. Di kolom paling kiri adalah
unsur yang mempunyai satu elektron di bagian kulit terluar. Unsur pada kolom
yang sama akan berlaku sama dalam reaksi kimia. Hal ini menunjukkan betapa
pentingnya elektron terluar mempengaruhi dalam tingkah laku kimia.
Bagaimana ikatan
terjadi ?
Empat jenis ikatan dari sebagian
terpenting dalam geologi adalah : ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan metallik
(logam) dan van der Wall’s. Semua material bumi terikat bersama dengan salah
satu atau kombinasi dari beberapa ikatan tersebut.
Ikatan ionik, gas mulia tidak
mengalami reaksi kimia dikarenakan kulit elektron terluarnya terisi penuh atau dengan
sebagian yang stabil. Dalam ikatan ionik, atom akan bertambah atau kehilangan
elektron di kulit terluarnya. Misalnya ikatan antara Lithium dan Flourida, LiF.
Sebuah atom litium hanya memiliki sebuah elektron di kulit terluarnya. Atom ini
akan stabil seperti atom helium jika melepaskan elektron terluarnya. Sama
halnya dengan atom flourida akan stabil seperti atom neon jika menambahkan satu
elektron di kulit terluarnya. Transfer elektron dari lithium ke flourin secara
serempak menghasilkan susunan elektron yang stabil untuk keduanya tetapi juga
menjadikan lithium dengan muatan positif ( tiga buah proton di dalam inti dan
hanya mempunyai dua elektron yang mengorbit) dan flourin dengan muatan positif
(sembilam proton di dalam inti tetapi dengan sepuluh elektron).
Partikel bermuatan tersebut
disebut ion, ion bermuatan positif seperti lithium disebut kation dan ion
bermuatan negatif seperti flourin disebut anion. Ion lithium dan flourin
mempunyai muatan yang berlawanan dan saling tarik menarik satu sama lain dan
saling berikatan degan gaya elektrostatis, ikatan keduanya disebut dengan nama
ikatan ion dan paling umum dalam material bumi. Sodium dan clorin sebagai
contohnya, keduanya saling berikatan ion dan membentuk garam dapur, NaCl.
Ikatan kovalen, atom-atom dari
unsur yang sama atau dari elemen yang dekat satu sama lain dalam tabel
periodik, kemungkinan berikatan satu sama lainnya dengan ikatan kovalen,
seperti dua atom oksigen yang membentuk senyawa
. Masing-masing atom oksigen
mempunyai dua buah elektron yang mengisi kulit terdalam dan enam buah di kulit
terluar yang memungkinkan untuk stabil adalah delapan buah elektron. Pada dua belas elektron dari kedua atom oksigen di
kulit terluar membentuk kulit khusus yang disebut orbit molekuler di sekitar
dua inti. Interaksi antara dua inti dan orbit molekuler elektron mengikat dua
inti secara bersama-sama, tanpa mempengaruhi elektron di kulit terdalam dan
tidak ada ion yang terbentuk.
Dua atom oksigen yang berikatan kovalen tersebut
disebut molekul, oksigen adalah unit terkecil dari molekul oksigen yang ada di
bumi. Ikatan kovalen juga terjadi dalam bentuk padat, karbon yang terikat
bersama-sama dalam mineral intan
Ikatan metalik
(logam),
ikatan yang terjadi antara atom seperti tembaga, emas dan perak terjadi dengan
proses yang mirip dengan ikatan kovalen yang disebut ikatan logam. Seperti
halnya ikatan kovalen, elektron terluar digunakan bersama oleh inti yang
berbeda, tetapi pada ikatan logam elektron tidak digunakan bersama oleh inti
dalam kelompok kecil. Malah semua elektron terluar dari semua atom yang ada
digunakan bersama-sama oleh semua inti dalam logam dan bebas berpindah dari
satu inti ke inti yang lainnya.
Ikatan van der
Wall’s,
beberapa senyawa mengalami gaya tambahan yang disebut gaya van der Wall’s. Gaya
ini membantu ikatan ionik dan kovalen dalam mengikat atom satu sama lain. gaya
ini berbeda dengan jenis ikatan yang ada karena tidak menimbulkan transfer atau
penataan ulang elektron dari inti. Gaya van der Wall’s yang ada di dalam semua
zat, terjadi antara atom-atom dari gas mulia seperti helium.
Dua buah elektron yang mengorbit
inti atom helium dengan cepat, secara sederhana mereka dapat diposisikan pada
sisi yang sama dari inti. Atom helium adalah unsur yang bermuatan netral,
tetapi dengan kedua elektron di salah satu sisi dari atom dapat dipastikan
bahwa akan timbul muatan positif dan negatif pada sisinya. Atom-atom bertingkah
laku seperti magnet dan mempengaruhi elektron dari atom terdekat. Sisi positif
berinteraksi dengan elektron dari atom helium terdekat dengan gaya
elektrostatis yang sangat lemah. Tidak semua material bumi berikatan sepenuhnya
dengan gaya van der Wall’s, tetapi gaya ini adalah gaya yang penting untuk
beberapa zat seperi grafit dan talc.
Wujud zat
Unsur murni dan senyawa dapat
dijumpai dalam tiga keadaan yaitu: padat, cair dan gas. Molekul dalam bentuk
gas bebas bergerak dikarenakan gas berikatan satu sama lain dengan sangat
lemah. Gas mengisi penuh setiap wadah dimana gas ditempatkan dikarenakan molekul
gas dapat saling berdekatan dan jauh terpisah. Gaya kohesi pada cairan lebih
kuat dari pada gas, molekul dalam bentuk cair juga dapat bergerak bebas, tetapi
tidak dapat bergerak jauh terpisah atau lebih banyak dimapatkan. Cairan
memiliki perpindahan yang tinggi tetapi tidak seperti gas yang mempertahankan
volumenya ketika dalam jumlah kecil di tempatkan di wadah yang besar. Gaya
kohesi pada zat padat jauh lebih kuat dari pada zat cair dan gas. Penempatan
dari atom dan ion pada material padat bumi dipengaruhi oleh hukum-hukum yang
akan di diskusikan pada bab 3.
Komposisi bumi
Planet kita diselimuti oleh tiga
wilayah fisik/kimia yang berbeda, yang setiapnya terdiri dari kombinasi unsur
yang unik dan jumlah komposisi yang unik dari zat padat, cair dan gas.
Atmosfer adalah bagian gas yang
menyelimuti bumi, yang terdiri dari sebagian besar nitrogen dan oksigen tetapi
juga sebagai wadah campuran gas-gas dan sejumlah partikel kecil (partikel debu,
hujan es dan kepingan salju) dan cairan (hujan). Hidrosfer adalah lapisan cair
yang menutupi bumi yang terdiri dari samudra, danau, sungai dan sumber air
bawah tanah. Lebih dari 71 persen permukaan bumi adalah air yang berbentuk
lautan. Hidrosfer lebih cenderung ke air, tetapi masuk ke material karena yang zat yang terlarut di
lautan dan air tawar seperti ion. Zat padat di bawa dan bercampur dalam air di
permukaan bumi, dan gas juga larut di dalam air, tetapi hidrosfer pada dasarnya
adalah cairan.
Bumi lebih cenderung ke zat padat
dan dibagi dalam 3 bagian yaitu lapisan kerak, lapisan mantel dan inti. Seorang
geolog dapat memperoleh sampel sederhana hanya dari lapisan kerak, komposisi
dari keadaan mantel dan inti dapat disimpulkan dari metode pengindraan jauh
yang akan di deskripsikan pada bab 19 dan 20. Oksigen dan silikon adalah unsur
yang melimpah di dalam kerak dan mantel dan banyak material dari bagian
tersebut adalah senyawa dari kedua unsur tersebut. Inti diperkirakan terdiri
atas kombinasi dari logam nikel dan besi dari kepadatan dan sifat dari medan
magnet bumi dan susunan dari meteorit. Pada bab 1 beberapa ratus kilometer pada
bumi terbagi ke dalam lithosfer dan asthenosfer yang menjadi dasar kriteria
fisik adalah perbedaan material penyusun pada kedua wilayah ini. Pembagian
wilayah ke dalam kerak dan mantel adalah berdasarkan kriteria kimia dan
hubungan antara lithosfer, asthenosfer, kerak dan mantel ditunjukkan pada
gambar. Lithosfer terdiri dari seluruh lapisan kerak dan bagian atas dari
mantel sebagaimana pada gambar. Sedangkan lapisan asthenosfer mempunyai
ketebalan sekitar 100 sampai 150 km pada bagian mantel.
Atmosfer adalah wilayah yang
mempunyai mobilitas paling tinggi tetapi memiliki kepadatan paling rendah,
pergerakan sebagian besar massa pada atmosfer menyebabkan perubahan cuaca yang
dapat kita ketahui dengan pergerakan angin. Hidrosfer lebih padat dari pada
atmosfer tetapi juga memiliki mobilitas yang ditunjukkan oleh arus laut, teluk,
sungai dan gerakan pasang surut. Bumi sendiri lebih padat, dan terasa tidak
bergerak. Kita lihat pada bab 1, meskipun kelihatannya es itu padat namun masih
dapat bergerak. Kita harus melihat beberapa contoh pada bagian bab yang lalu
dengan paradoks bahwa material bumi yang padat dapat mengalami pergerakan.
Meskipun padat, cair dan gas
adalah bagian dari interaksi bumi, perbedaan itu membawa proses kimia dan fisik
yang penting. Sebagai contoh, erosi di garis pantai merupakan interaksi di
wilayah laut dan benua yang padat. Batu hancur menjadi tanah dimana atmosfer
dan bumi yang padat saling berhubungan, dan gelombang yang menyebrangi lautan
dimana atmosfer dan hidrosfer juga berhubungan.
B.
Energi
Benua dan lautan di bumi, lava,
debu vulkanik dan sungai yang terbentuk dari kombinasi yang berbeda dari 88
unsur yang berbeda di alam. Pada bab 3, 4, 6 dan 7 yang mana dijelaskan lebih
umum dari mineral dan batuan, kita mungkin akan kelihatan lebih mendekati
kombinasi ini, tetapi pertanyaan pertama pada bab ini harus terjawab, kita tahu
bagaimana material bumi dapat terbentuk, dan pertanyaan kedua adalah apa yang
membuat proses tersebut dapat terjadi ?
Jawabannya adalah satu kata yaitu
energi, energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja atau
aktivitas yang menyebabkan perpindahan tempat. Tanpa energi, bumi akan mati,
planet yang diam. Dengan energi bumi menjadi dinamis, dunia yang aktiv.
Terdapat beberapa jenis energi yaitu energi kinetik yang mencangkup panas dan
listrik, radiasi yang meliputi cahaya dan sinar x, nuklir dan kimia. Banyak
energi yang memainkan peran yang menyebabkan dan mempertahankan proses-proses
di bumi. Untuk memehami faktor-faktor kompleks yang mengendalikan proses di
bumi, kita harus melihat pada saling mempengaruhinya bentuk energi yang menyebabkan
proses bekerja. Energi tentunya juga bagi proses dan kerja manusia. Sumber dan
penggunaan energi untuk memenuhi kebutuhan manusia akan didiskusikan pada bab
22.
Jenis energi
Energi kinetik
Kemampuan perpindahan objek yang
menyebabkan aktivitas pada objek lain disebut energi kinetik, komposisi dari
objek yang berpindah tidaklah penting. Energi kinetik diperoleh dari pergerakan
bukan dari komposisi atau keadaan dari materi. Bola billiard yang menggelinding
mempunyai energi kinetik, ketika bola bergerak lurus dan menumbuk bola kedua
dan menyebabkannya bergerak. Sama halnya molekul di aliran air sungai misissipi
mempunyai energi kinetik oleh karena itu membuat butir pasir di palung
bergerak.
Besar dari energi kinetik
tergantung dari massa dan kecepatan dari objek yang bergerak :
Energi kinetik
= ½ mv2
Kecepatan dari objek yang bergerak dan
besarnya massa akan mempengaruhi besarnya energi kinetik. Luas dan kecepatan
aliran sungai dapat menggerakkan butiran-butiran pasir dan lebih banyak proses geologi
lainnya, sedangkan apabila aliran sungai kecil dan lambat energi kinetiknya pun
kecil. Bayangkan seberapa besar energi kinetik yang dibutuhkan jika lempeng
litosfer seukuran amerika utara dan atlantik sebelah barat bergerak di
permukaan bumi sebagaimana membayangkan pada model lempeng tektonik.
Energi
panas dan listrik adalah dua energi khusus dari energi yang timbul dari
perpindahan partikel kecil. Energi panas adalah salah satu energi terpenting
yang menyebabkan proses di bumi, energi listrik kurang penting untuk proses
yang terjadi di alam, tetapi salah satu energi yang lebih banyak digunakan oleh
manusia.
Panas adalah energi kinetik yang
terkait dengan pergerakan dari atom, ion dan molekul dan disebut energi panas.
Kecepatan dari atom-atom dan molekul-molekul dari gas dan cairan untuk bergerak
akan mempengaruhi besarnya energi panas yang dihasilkan. Ketika dalam keadaan
padat, atom-atom dan ion haya dapat sedikit bergerak. Ketika mereka bergetar
berpindah dan kembali ke posisi semula mereka mempunyai lebih banyak energi
panas pada saat kondisi padat. Temperatur tidak sama dengan panas meskipun mereka
terkait. Temperatur dari suatu zat merupakan energi rata-rata dari atom
sedangkan energi panas merupakan jumlah total energi dari atom-atom unsur
tersebut. Pada sustu pertandingan dan gemuruh dari api unggun keduanya mungkin
mempunyai temperatur yang sama tetapi sedikit diragukan pada panas yang
dihasilkan. Coba panggang ayam pada suhu di pertandingan. Pada buku ini
temperatur akan dinyatakan dengan derajat celsius.Co. Dengan titik beku air 0oC dan
titik didih 100oC. Temperatur ruangan 68oF adalah 20oC
pada skala celsius.
Energi panas berpindah dari satu
tempat ke tempat lainnya, selalu dari benda panas ke benda yang lebih dingin
dengan prises konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi adalah perpindahan panas
antara benda yang saling kontak satu samalain dikarenakan atom dan ion dalam
benda panas bergetar cepat dan berinteraksi dengan benda yang lebih dingin
membuat gerakan semakin cepat. Dan beberapa energi akan disalurkan. Sebagai
contoh sinar matahari yang menyinari batuan secara langsung di gurun pasir panasnya
akan keluar di permukaanya. Energi panas akan menghangatkatkan bagian dalam
mulai dari bagian luarnya. Pada konveksi partikel panas tidak bergetar di
tempat tetapi bergerak dan berpindah membawa energi panasnya. Seperti udara
yang dipanaskan dengan konveksi dari
tanah yang hangat dan naik. Udara dingin akan menempatinya dan menjadi hangat
dan naik. Kenaikan panas udara disekitar atmosfer dengan konduksi
mendinginkannya dan kembali ke tanah dan mulai berputar lagi. Pola perputaran
dari udara ini disebut sel konveksi yang berpindah. Pada radiasi panas dirubah
menjadi jenis energi yang berbeda (energi radiasi) dan dapat disalurkan melalui
ruang hampa, dimana tidak ada partikel yang dipindahkan. Energi panas dari
matahari dipindahkan ke bumi dengan proses radiasi melalui ruang hampa.
Energi listrik, jenis khusus
energi kinetik yang dikaitkan dengan pergerakan elektron dari suatu zat disebut
energi listrik. Pada kilat memerankan sebagian kecil dari proses di alam hari
ini, namun kesepakatan eksperimen pada asal usul kehidupan menyarankan bahwa
kilat pada atmosfer di bumi primitif mungkin membantu penciptaan molekul
organik.
Energi radiasi
Radiasi cahaya, inframerah dan
ultraviolet, sinar x dan gelombang radio adalah jenis dari energi radiasi.
Semua gelombang elektromagnetik merupakan bentuk energi yang dibergerak seperti
gerakan gelombang. Semua bentuk gelombang elektrimagnetik dapat berpindah
melalui ruang hampa dan memiliki kecepatan yang sama (3 x 108 m/s).
Perbedaan gelombang satu sama lainnya adalah pada panjang gelombangnya (jarak
antara satu titik ketitik lain yang sama pada gelombang) dan frekuensi (jumlah
dari panjang gelombang yang melewati pengamat pada tiap selang waktu).
Perbedaan sifat dari energi radiasi ditunjukkan oleh besarnya perbedaan pada
panjang gelombangnya. Beberapa gelombang radio memiliki panjang gelombang lebih
dari beratus-ratus kilometer, dimana sinar x hanya memiliki panjang gelombang
sekitar 1 angstrom. satu angstrom sama dengan 10-8
cm. mata kita hanya dapat mengamati energi radiasi pada panjang gelombang 3990
samapai 7700 Amstong (cahaya tampak), dan kita membutuhkan alat
untuk mengamati gelombang yang lainnya.
Energi Nuklir
(atomik)
Kita telah melihat bahwa beberapa
energi yang terkandung dalam inti uranium 238 dilepaskan secara bersamaan
ketika atom dirubah menjadi inti thorium. Kenyataannya energi nuklir dihasilkan
selama reaksi inti dan disebut energi nuklir atau energi atomik.
Energi kimia
Selama reaksi kimia energi dari
ikatan atom dan ion mungkin dilepaskan. Jenis energi ini disebut energi kimia,
ketika petrolium digunakan sebagai bahan bakar kendaraan, energi kimia yang
dilepaskan berasal dari ikatan molekul organik.digunakan untuk memutar roda.
Perubahan bentuk energi
Banyak jenis energi yang dapat
dirubah ke dalam bentuk energi lainnya, hasilnya adalah hubungan yang kompleks
dari transfer energi yang mengendalikan semua proses di alam. Energi dapat
dirubah tetapi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan. Energi mungkin berubah
dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain namun energi tidak menghilang. Bola
yang menggelinding memiliki energi kinetik, tetapi kemana energi pergi ketika
bola berhenti ? Beberapa energi digunakan untuk memanaskan atom di dalam
material bola dan yang lainnya digunakan untuk menggerakkan molekul udara
disekitar bola. Perubahan energi dari energi kinetik ke energi panas disebut
friction.
Energi potensial
Ketika energi yang sebenarnya
tidak digunakan untuk melakukan aktivitas atau kerja, energi tersebut dapat
tersimpan di dalam material pada saat keadaan pasif, penyimpanan energi tanpa
memperhatikan jenis zat disebut energi potensial. Baterai sebuah mobil berisi
energi potensial listrik yang akan dilepaskan ketika saklar dinyalakan.sebuah
atom uranium 238 pada reservoir memiliki energi potensial nuklir yang akan
dilepaskan ketika reaksi nuklir terjadi. Molekul organik di dalam petrolium
adalah sumber dari energi potensial kimia. Batu besar di puncak memiliki energi
potensial kinetik yang siap dilepaskan ketika batu itu bergerak.
Perubahan bentuk
energi
Perubahan jenis energi ke bentuk yang lain seperti dari
aktif ke potensial dan potensial ke aktif terjadi selama proses di bumi
berlangsung. Lihat sekilas pada proses
geologi yang menunjukkan kekomplekan hubungan energi di bumi.
Apa yang menyebabkan sungai
mengalir ? di mulai dari proses yang terjadi di matahari, reaksi fusi inti di
matahari melepaskan sebagian besar energi nuklir. Energi ini dirubah dalam
bentuk energi radiasi dan ada beberapa yang sampai ke bumi dimana energi ini
berubah menjadi energi panas yang ada di atmosfer dan samudra. Energi panas
melawan gaya kohesi antara molekul air di lautan dan menyebabkan perubahan
wujud dari air cair menjadi uap air (evaporasi/penguapan). Energi panas dan
lepasnya energi kimia menjadi energi kinetik menyebabkan uap air naik ke
atmosfer. Banyak energi kinetik yang tersimpan di dalam uap air yang bergerak tersebut,
tetapi akan lepas ketika gravitasi menariknya jatuh ke tanah. Energi kinetik
inilah yang menyebabkan air mengalir di sungai.
Akhirnya air kembali ke lautan di
mana air akan memulai siklus lagi, dengan semua perubahan energi, air kembali
ke tempat semula dan keadaan (wujud) yang semula juga. Jumlah energi yang masuk
dan keluar atau dilepaskan sama ketika terjadi siklus.
Sumber energi untuk
proses di bumi
Sebenarnya yang kedua adalah
jumlah dari energi yng mengendalikan semua proses di bumi. Semua proses
internal seperti gempa bumi, pencairan batuan yang menghasilkan lava dan
pergeseran lempeng lithosfer membutuhkan energi. Semua proses di permukaan
seperti aliran dari arus laut dan ukiran pemandangan gletser juga membutuhkan
energi. Untuk semua bagian , seperti proses internal dikendalikan oleh energi
yang bersumber dari dalam bumi dan untuk proses yang terjadi dipermukaan
dikendalikan oleh energi dari matahari.
Sumber energi
internal
Sebagai penambang yang berada di
dalam bumi, temperatur batuan di sekitar mereka meningkat. Di tambang yang
dalam seperti tambang perak di Butte, Montana, dan tambang intan di afrika
selatan, temperatur meningkat sangat cepat sehingga udara dingin di permukaan
harus disirkulasikan melewati tingkat
yang lebih rendah atau akan menjadi panas untuk manusia yang bekerja di
dalamnya. Temperatur di kerak dan mantel paling atas rata-rata meningkat
sekitar 15oC sampai 60 oC dari kedalaman. Perubahan vertikal temperatur
di bumi disebut gradien panas bumi. Kenyataannya temperatur meningkat dengan
kedalaman dan hal ini menunjukkan bahwa ada sumber panas di dalam bumi.
Sumber energi panas yang penting
di dalam bumi adalah radioaktivitas. Sebagian energi dilepaskan ketika terjadi
reaksi nuklir yang disebut energi radiasi dan sebagian dilepaskan dalam bentuk
energi kinetik yang dibawa oleh partikel alfa yang dikeluarkan dari inti.
Tabrakan antara partikel dan interaksi dengan energi radiasi menyebabkan atom
dan ion di dalam batuan bergetar dan menghasilkan energi panas. Unsur
radioaktif seperti uranium, thorium, pottasium dan rubidium terkonsentrasi di
dalam kerak bumi dan mantel bagian atas dimana unsur-unsur tersebut mensuplai
energi untuk proses seperti erupsi gunung berapi. Sebagian kecil energi panas
disuplai oleh reaksi kimia dan friction dari pergerakan material bumi
menyebabkan pasang, tetapi sebagian kecil energi tersebut merupakan masukan
dari reaksi nuklir.
Sumber energi
eksternal
Semua energi yang dibutuhkan
untuk proses di permukaan bumi berasal dari matahari dan mekanismenya akan
didiskripsikan di bawah. Beberapa energi internal tidak berasal dari permukaan
bumi seperti erupsi gunung berapi, namun kontribusinya sedikit. Beberapa energi
kinetik juga berasal dari tabrakan meteorit, namun hal ini juga dampak yang
penting.
Gravitasi
Meskipun pendek kata gravitasi
bukanlah sebuah sumber energi seperti matahari, namun gravitasi merupakan
penyebab aktivitas dan bertanggung jawab atas sebagian besar aktivitas geologi.
Kenyataannya mungkin gravitasi telah diajarkan sebagai tema pemersatu dalam
pelajaran ilmu bumi. Dalam bab ini kita akan melihat bagaimana gravitasi
mengontrol sebagian besar variasi proses-proses seperti angin, sungai, gletser,
erosi daratan dan pembentukan kerucut gunung yang berbeda dan jenis dari teori
tabrakan yang mungkin tejadi antara
lempeng lithosfer yang berbeda.
Gravitasi adalah gaya yang timbul
akibat interaksi dua buah benda atau lebih yang memiliki massa, tidak seperti
benda yang timbul akibat interaksi magnet, dimana objek tidak membutuhkan
komposisi yang spesifik. Issac newton menunjukkan bahwa gaya gravitasi antara
dua benda tergantung massa benda dan jarak benda.
Dimana 𝜸 merupakan tetapan yang dipengaruhi oleh unit massa dan
jarak benda. Semakin besar massa atau semakin dekat jarak maka gaya antara
benda tersebut semakin besar, semakin kecil massa atau semakin jauh jarak antar
benda maka semakin kecil gaya antar benda.
Massa bumi kurang lebih adalah
6,5 x 1021 ton jadi gravitasi merupakan gaya tarik yang kuat untuk
di permukaan dan di atmosfer. Sebuah massa yang jatuh dari jurang dikarenakan
tarikan gravitasi. Semakin jauh benda tersebut jatuh maka ketika benda tersebut
dekat dengan bumi maka gaya yang dialami akan menjadi lebih besar. Kemudian
benda yang jatuh bebas tidak jatuh dengan kecepatan tetap, dimana percepatannya
adalah 980 cm/s2. Gravitasi juga berperan besar dalam proses yang
terjadi di dalam bumi yang menyebabkan batuan tertarik ke bawah dimana tekanan
meningkat di dalam planet. Tekanan yang dialami benda di permukaan bumi
disebabkan efek dari grafitasi molekul udara di atmosfer. Di wilayah laut
tekananya 1033 g/cm3 [14,7 lb/in2] atau 1 atm. Tekanan di
dalam bumi jauh lebih besar ribuan kali di atmosfer. Unit standar untuk tekanan
yang ada di dalam bumi adalah kilobar (kb), yang hampir sama dengan 1000 atm
(987 atm), tekanan meningkat secara terus menerus seiring dengan meningkatnya
kedalaman. Dan di dalam kerak, tekanan
meningkat 1 kb untuk setiap 3,3 km.
Pasang surut, gaya tarik
gravitasi yang mempengaruhi proses di bumi tidak seluruhnya berasal dari bumi,
kombinasi gaya tarik grafitasi bumi, bulan dan matahari menyebabkan salah satu
proses utama di bumi, pasang surut, perubahan harian ketinggian lautan, dimana
pasang surut ini menyapu sepanjang garis pantai di bumi. Dua kali sehari lautan
pasang sampai pantai di teluk amerika utara, dan dua kali sehari laut surut
sampai cekungan laut. Di daerah yang lain pasang surut air laut kurang teratur.
Dan di beberapa daerah hanya sesekali pasang dan sesekali surut yang terasa
dalam hari-hari yang lain. Proses ini
cukup tenang dan bertahap di kebanyakan tepi pantai dengan ketinggian yang
berbeda dengan tinggi dan rendah air sekitar 1 atau 2 m sejauh timur dan barat
tuluk amerika utara serta sedikit kurang di wilayah teluk pantai. Tetapi tidak
semua pasang surut berubah secara drastis atau secara teratur. Sedikit pasang
surut yang terjadi seperti kejadian di atas, seperti di pantai fundy. Jangkauan
dari pasang surut sekitar 15 m (50 ft) dan di pantai yang berbeda antara pasang
dan surutnya sungguh mengagumkan.
Apakah yang menyebabkan pasang
dan surutnya lautan ? bumi berotasi, dan gaya sentrifugal menyebabkan laut menonjol
keluar di lintang yang lebih rendah. Di waktu yang sama bulan menggunakan gaya
gravitasi untuk menarik hidrosfer dan bagian bumi yang padat. Gaya gravitasi
bulan menarik lebih kuat pada bagian bumi yang lebih dekat padanya dari pada
bagian yang lebih jauh darinya. Gaya sentrifugal dan gaya gravitasi bulan
menarik secara bersesuaian pada lautan dan hasilnya adalah cekungan pasang air
laut yang disebut pengamat dengan pasang. Di bagian bumi yang berlawanan, gaya
sentrifugal yang melawan tarikan bulan dan kenyataannya menguasainya dan air
disana juga tertarik sehingga terbentuk tonjolan yang kedua. Ketinggian pasang
terasa secara serempak di bagian bumi yang langsung di bawah bulan. Surut air
laut akan terasa di bagian tengah antara dua bagian yang pasang. Bumi berotasi
pada sumbunya, sehingga posisi geografi wilayah yang mengalami pasang surut
berubah. Dan selama 360˚ (1 hari), dua pasang dan dua surut ditemukan.
Dua kali sebulan, ketika bulan
dan matahari selaras dengan bumi, gaya gravitasi matahari bekerja dan membantu
gaya tarik bulan. Pasang lebih tiggi daripada biasanya dan surutnyapun juga.
Yang demikian tersebut dimana jangkauan pasang surut tidak seperti biasanya
disebut pasang purnama. Ketika bulan, bumi dan matahari tersusun sebagaimana di gambar, sebagian gravitasi
matahari meniadakan gravitasi bulan. Pasang di laut lebih rendah dari pada
biasanya dan surut lebih tinggi disebut pasang perbani.
Kesimpulan
Semua materi terdiri dari
partikel kecil yang disebut atom, dimana atom tersusun atas proton, neutron dan
elektron. Sebuah atom tunggal terdiri dari inti yang berisi proton yang
bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan dan dikelilingi oleh awan elektron
yang bermuatan negatif. Atom yang memiliki jumlah dapat dikatakan memiliki
nomor massa yang sama dan unsur yang sama. Atom dengan nomor atom yang sama
tetapi memiliki nomor massa yang berbeda disebut isotop.
Sebuah atom dari unsur boleh jadi
berubah menjadi atom dari unsur lain dengan reaksi inti yang menyebabkan
peningkatan atau penurunan jumlah proton di dalam inti. Atom mungkin juga
bergabung dengan atom lainnya dengan reaksi kimia membentuk senyawa. Gaya yang
mengikat atom dalam reaksi kimia dan membentuk senyawa melibatkan elektron
terluar dan mungkin adalah ionik, kovalen, logam dan van der wall’s. tergantung
dari interaksi alami antara awan elektron. Senyawa sering bersifat berbeda dalam fisik dan sifat
kimia dari unsur pokoknya.
Bumi dibagi menjadi beberapa
wilayah yang berbeda secara fisik dan kimia. Atmosfer tersusun dari gas
bertekanan rendah dan sebagian besar nitrogen dan oksigen. Hidrosfer
menyelimuti seluruh permukaan dan air dalam tanah adalah cairan dan kebanyakan
terdiri dari H2O. bagian bumi yang padat dibagi menjadi 3 bagian
yaitu kerak, mantel dan inti, kerak sebagian besar tersusun dari 8 unsur yaitu
oksigen, silikon, aluminium, besi, kalsium, sodium, potasium dan magnesium.
Komposisi dari mantel dan inti adalah dari unsur yang kurang diketahui. Mantel seolah-olah
tersusun dari sebagian besar besi dan magnesium dan lebih sedikit sodium,
potasium dan aluminium dari pada kerak. Dan inti diyakini tersusun dari logam
besi dan nikel.
Energi adalah kapasitas untuk
melakukan kerja atau menciptakan aktivitas. Dan dibutuhkan untuk semua proses
di bumi dan aktivitas manusia. Ada beberapa jenis energi, energi kinetik adalah
energi yang dikaitkan dengan pergerakan. Kalor adalah bentuk energi kinetik hasil dari getaran atom
dalam padatan, cairan dan gas. Kalor mungkin disalurkan melalui benda secara
konduksi, konveksi dan radiasi. Energi radiasi merupakan gelombang
elektromagnetik yang ditentukan dengan panjang gelombang tertentu. Bentuk
energi radiasi meliputi cahaya tampak, infra merah, radiasi ultraviolet, sinar
x, sinar gamma dan gelombang radio.
Semua bentuk energi mungkin
tersimpan dalam bentuk energi potensial sampai energi tersebut dipergunakan.
Energi dapat berubah sehingga proses di bumi dapat berlangsung, energi tidak
dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan. Energi untuk proses internal bumi
berasal dari reaksi inti unsur radioaktif yang terkonsentrasi di kerak dan
mantel, dan energi untuk proses di permukaan berasal dari energi inti dari
matahari. Gravitasi adalah penyebab utama mekanisme proses di bumi. Kombinasi
gaya tarik gravitasi antara bumi, bulan dan matahari menghasilkan pasang surut
air laut.
0 komentar:
Posting Komentar