Cara Menghitung Joule

Dinamai dari ahli fisika Inggris, James Edward Joule, joule (J) adalah salah satu satuan dasar dari sistem metrik internasional. Joule digunakan sebagai satuan usaha, energi, dan panas, dan banyak digunakan dalam penerapan ilmiah. Jika Anda menginginkan jawaban Anda dalam joule, selalu pastikan untuk menggunakan satuan ilmiah yang baku. Kaki-pon atau satuan panas Inggris (BTU) masih digunakan dalam beberapa bidang, tetapi bukan dalam pekerjaan rumah fisika Anda.

Metode 1

Metode 1 dari 5:

Menghitung Usaha dalam Joule

Unduh PDF

1
Pahami usaha dalam fisika. Jika Anda mendorong kotak melewati suatu ruangan, Anda telah melakukan usaha. Jika Anda mengangkat kotak tersebut ke atas, Anda juga telah melakukan usaha. Ada dua kriteria penting yang harus ada dalam "usaha":^{[1]XTeliti sumber}
- Anda memberikan gaya tetap.
- Gaya tersebut membuat benda bergerak searah dengan gaya.
2
Pahami definisi usaha. Usaha mudah dihitung. Cukup kalikan jumlah gaya dan jumlah jarak yang ditempuh benda. Biasanya, para ilmuwan menyatakan gaya dalam satuan Newton dan jarak dalam satuan meter. Jika Anda menggunakan kedua satuan ini, satuan usaha hasilnya adalah Joule.
- Setiap kali membaca soal tentang usaha, berhentilah dan pikirkan tempat gayanya. Jika Anda mengangkat kotak, Anda mendorongnya ke atas sehingga kotak bergerak ke atas. Jadi, jarak yang ditempuh kotak adalah seberapa tinggi perpindahannya ke atas. Namun, jika selanjutnya Anda berjalan ke depan sambil membawa kotak, tidak ada usaha yang muncul dalam proses ini. Meskipun Anda masih mendorong kotak ke atas agar tidak terjatuh, kotak tersebut sudah tidak lagi bergerak ke atas. ^{[2]XTeliti sumber}
3
Carilah massa benda yang dipindahkan. Massa benda dibutuhkan untuk menghitung gaya yang dibutuhkan untuk memindahkannya. Dalam contoh kita, misalkan beban memiliki massa 10 kilogram (kg).
- Hindari menggunakan satuan pon atau satuan tidak baku lainnya, atau jawaban akhir Anda tidak akan berupa joule.
4
Hitunglah gayanya. Gaya = massa x percepatan. Dalam contoh kita, mengangkat beban lurus ke atas, percepatan yang kita kerjakan adalah akibat gravitasi, yang pada keadaan normal, mempercepat benda ke bawah dengan kecepatan 9,8 meter/sekon². Hitunglah gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan beban kita ke atas dengan mengalikan (10 kg) x (9,8 m/s²) = 98 kg m/s² = 98 newton (N).
- Jika bendanya dipindahkan secara horisontal, gravitasi tidak berpengaruh. Soal mungkin meminta Anda untuk menghitung gaya yang dibutuhkan untuk melawan gesekan. Jika soal memberitahu Anda percepatan benda saat didorong, Anda dapat mengalikan percepatan yang diketahui dengan massanya.
Untuk contoh ini, misalkan beban diangkat setinggi 1,5 meter (m). Perpindahannya harus diukur dalam meter, atau jawaban akhir Anda tidak akan berupa joule.
Untuk mengangkat 98 newton berat setinggi 1,5 meter ke atas, Anda perlu memberikan 98 x 1,5 = 147 joule usaha.
Contoh kita di atas yang sederhana: seseorang memberikan gaya maju pada benda, dan benda maju ke depan. Terkadang, arah gaya dan gerakan benda tidak sama, karena adanya beberapa gaya yang bekerja pada benda. Pada contoh selanjutnya, kita akan menghitung besar joule yang dibutuhkan seorang anak untuk menarik sebuah kereta luncur sejauh 25 meter melewati salju yang datar dengan menarik tali naik yang membentuk sudut 30º. Untuk soal ini, usaha = gaya x cosinus(θ) x perpindahan. Simbol θ adalah huruf Yunani theta, dan mendeskripsikan sudut antara arah gaya dan arah gerakan.^{[3]XTeliti sumber}
8
Carilah total gaya yang diberikan. Untuk soal ini, misalkan seorang anak menarik tali dengan gaya 10 newton.
- Jika soalnya memberikan gaya ke kanan, gaya ke atas, atau gaya ke arah gerakan, maka gaya ini sudah memperhitungkan bagian gaya x cosinus(θ) dari soal, dan Anda dapat melewati dan melanjutkan mengalikan nilainya.
9
Hitunglah gaya yang bersangkutan. Hanya beberapa gaya yang menarik kereta luncur maju. Karena tali mengarah ke atas, gaya yang lain mencoba menariknya ke atas, menariknya melawan gravitasi. Hitunglah gaya yang diberikan pada arah gerakan:
- Dalam contoh kita, sudut θ antara salju yang rata dengan tali adalah 30º.
- Hitunglah cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = sekitar 0,866. Anda dapat menggunakan kalkulator untuk mencari nilai ini, tetapi pastikan kalkulator Anda menggunakan satuan yang sama dengan pengukuran sudut Anda (derajat atau radian).
- Kalikan total gaya x cos(θ). Dalam contoh kita, 10 N x 0,866 = 8,66 gaya ke arah gerakan.
Sekarang, karena kita sudah mengetahui gaya yang maju ke arah gerakan, kita dapat menghitung usaha seperti biasa. Soal kita memberitahu kita bahwa kereta luncur berpindah 20 meter ke depan, sehingga hitunglah 8,66 N x 20 m = 173,2 joule usaha.
Iklan

Metode 2

Metode 2 dari 5:

Menghitung Joule dari Watt

Unduh PDF

Watt adalah satuan daya atau laju penggunaan energi (energi dibagi waktu). Sementara Joule adalah satuan energi. Untuk mengubah Watt menjadi Joule, Anda perlu menentukan waktunya. Semakin lama arus listrik mengalir, semakin besar pula energi yang digunakan.
2
Kalikan Watt dengan detik untuk mendapatkan Joule. Suatu perangkat 1 Watt akan menghabiskan 1 Joule energi setiap 1 detik. Jika Anda mengalikan jumlah Watt dengan detik, Anda akan mendapatkan Joule. Untuk mencari tahu seberapa banyak energi yang dihabiskan lampu 60W dalam 120 detik, Anda hanya perlu mengalikan 60 watt x 120 detik = 7.200 Joule.^{[4]XTeliti sumber}
- Rumus ini dapat digunakan untuk semua daya yang dinyatakan dalam Watt, tetapi umumnya dalam listrik.
Iklan

Metode 3

Metode 3 dari 5:

Menghitung Energi Kinetik dalam Joule

Unduh PDF

1
Pahami energi kinetik. Energi kinetik adalah banyaknya energi dalam bentuk gerakan. Seperti satuan energi lainnya, energi kinetik dapat dituliskan dalam satuan joule.
- Energi kinetik sama dengan besar usaha yang dilakukan untuk mempercepat benda statis hingga kecepatan tertentu. Setelah benda mencapai kecepatan itu, benda akan mempertahankan besar energi kinetik tertentu hingga energi tersebut berubah menjadi panas (dari gesekan), energi potensial gravitasi (dari bergerak melawan gravitasi), atau jenis energi lainnya.
Misalnya, kita mengukur energi kinetik sepeda & pengendara sepeda. Misalkan, pengendara memiliki massa 50 kg, dan sepedanya memiliki massa 20 kg, dengan total massa m 70 kg. Sekarang, kita menganggap keduanya sebagai satu benda dengan massa 70 kg karena keduanya akan bergerak dengan kelajuan yang sama.
3
Hitunglah kelajuan. Jika Anda sudah mengetahui kelajuan atau kecepatan pengendara sepeda, tuliskan saja dan lanjutkan. Jika Anda perlu menghitung kelajuannya, gunakan salah satu cara di bawah ini. Perhatikan bahwa kita mencari kelajuan, bukan kecepatan (yang merupakan kelajuan pada arah tertentu), meskipun singkatan v seringkali digunakan. Abaikan belokan apa pun yang dibuat pengendara sepeda dan anggaplah keseluruhan jaraknya ditempuh dalam satu garis lurus.
- Jika pengendara sepeda bergerak dengan kecepatan konstan (tidak dipercepat), ukurlah jarak yang ditempuh pengendara sepeda dalam meter, dan bagilah dengan banyak sekon yang dibutuhkan untuk menempuh jarak tersebut. Perhitungan ini akan menghasilkan kelajuan rata-rata, yang dalam soal ini sama dengan kecepatan sesaat.
- Jika pengendara sepeda mengalami percepatan konstan dan tidak berubah arah, hitunglah kelajuannya pada saat t dengan rumus kelajuan pada saat t = (percepatan)(t) + kelajuan awal. Gunakan sekon untuk mengukur waktu, meter/sekon untuk mengukur kelajuan, dan m/s² untuk mengukur percepatan.
4
Masukkan angka-angka ini ke dalam rumus berikut. Energi kinetik = (1/2)mv². Misalnya, jika pengendara sepeda bergerak dengan kelajuan 15 m/s, energi kinetiknya EK = (1/2)(70 kg)(15 m/s)² = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm²/s² = 7875 newton meter = 7875 joule.
- Rumus energi kinetik dapat diturunkan dari definisi usaha, W = FΔs, dan persamaan kinematika v² = v₀² + 2aΔs.^{[5]XTeliti sumber} Δs melambangkan perubahan posisi atau jarak yang ditempuh.
Iklan

Metode 4

Metode 4 dari 5:

Menghitung Panas dalam Joule

Unduh PDF

1
Carilah massa benda yang dipanaskan. Gunakan timbangan atau neraca pegas untuk mengukurnya. Jika bendanya adalah cairan, terlebih dahulu ukurlah wadah kosong tempat cairan dan carilah massanya. Anda perlu mengurangkannya dari massa wadah ditambah cairan untuk mencari massa cairan. Untuk contoh ini, kita misalkan benda adalah 500 gram air.
- Gunakan gram, jangan satuan lain, atau hasilnya tidak akan berupa joule.
2
Carilah kalor jenis benda. Informasi ini dapat ditemukan dalam referensi kimia, baik dalam bentuk buku maupun daring. Untuk air, kalor jenis c adalah 4,19 joule per gram untuk setiap derajat Celcius yang dipanaskan – atau 4,1855, jika Anda memerlukan nilai yang tepat.^{[6]XTeliti sumber}
- Kalor jenis sebenarnya sedikit berbeda berdasarkan suhu dan tekanannya. Organisasi dan buku paket yang berbeda menggunakan suhu baku yang berbeda, sehingga Anda mungkin melihat kalor jenis air dituliskan sebesar 4,179.
- Anda dapat menggunakan Kelvin selain Celcius karena perbedaan suhunya sama untuk kedua satuan (memanaskan sesuatu sebesar 3ºC sama dengan memanaskan sebesar 3 Kelvin). Jangan gunakan Fahrenheit, atau hasil Anda tidak akan berupa joule.
Jika benda adalah cairan, Anda dapat menggunakan termometer raksa. Untuk beberapa benda, Anda mungkin memerlukan termometer penyidik.
4
Panaskan benda dan ukurlah kembali suhunya. Hal ini akan mengukur kenaikan panas pada benda selama pemanasan.
- Jika Anda ingin mengukur total jumlah energi yang disimpan sebagai panas, Anda dapat menganggap suhu awalnya mutlak nol: 0 Kelvin atau -273,15ºC. Hal ini tidak terlalu berguna.
Pengurangan ini akan menghasilkan derajat perubahan suhu pada benda. Dengan asumsi air sebelumnya bersuhu 15 derajat Celcius dan dipanaskan hingga 35 derajat Celcius, perubahan suhu menjadi 20 derajat Celcius.
6
Kalikan massa benda dengan kalor jenisnya dan dengan besar perubahan suhu. Rumusnya dituliskan Q = mcΔT, dengan ΔT adalah perubahan suhu. Untuk contoh ini, akan menjadi 500g x 4,19 x 20, atau 41.900 joule.
- Panas lebih sering dituliskan dalam sistem metrik kalori atau kilokalori. Kalori didefinisikan sebagai besarnya panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius, sedangkan kilokalori adalah besar panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kilogram air sebesar 1 derajat Celcius. Dalam contoh di atas, menaikkan suhu 500 gram air sebesar 20 derajat Celcius akan menggunakan 10.000 kalori atau 10 kilokalori.
Iklan

Metode 5

Metode 5 dari 5:

Menghitung Joule sebagai Energi Listrik

Unduh PDF

Langkah-langkah di bawah ini dituliskan sebagai contoh praktik, tetapi Anda juga dapat menggunakan caranya untuk memahami soal-soal fisika tertulis. Pertama, kita akan menghitung daya P menggunakan rumus P = I² x R, dengan I adalah arus dalam satuan ampere dan R adalah hambatan dalam satuan ohm.^{[7]XTeliti sumber} Satuan-satuan ini menghasilkan daya dalam watt, jadi dari sini, kita dapat menggunakan rumus pada langkah sebelumnya untuk menghitung energi dalam joule.
Resistor diukur dalam satuan ohm, dengan ukuran yang dituliskan langsung atau dilambangkan dengan kumpulan garis berwarna. Anda juga dapat menguji hambatan resistor dengan menghubungkannya dengan ohmmeter atau multimeter. Untuk contoh ini, kita asumsikan resistornya berukuran 10 ohm.
Anda dapat menghubungkan kabel ke resistor dengan Fahnestock atau penjepit buaya, maupun menancapkan resistor di papan uji.
Untuk contoh ini, kita akan menggunakan selang waktu 10 detik.
Lakukan hal ini dengan ammeter atau multimeter. Kebanyakan arus rumah tangga diukur dalam miliampere, atau ribuan ampere, jadi kita asumsikan arusnya sebesar 100 miliampere atau 0,1 ampere.
Untuk mencari daya, kalikan kuadrat arus dengan hambatannya. Hal ini menghasilkan keluaran daya dalam watt. Mengkuadratkan 0,1 memberikan hasil 0,01, dikalikan dengan 10 menghasilkan keluaran daya 0,1 watt atau 100 miliwatt.
7
Kalikan daya dengan selang waktu yang berlalu. Perkalian ini menghasilkan keluaran energi dalam satuan joule. 0,1 watt x 10 sekon sama dengan 1 joule energi listrik.
- Karena joule adalah satuan kecil dan karena peralatan biasanya menggunakan watt, miliwatt, dan kilowatt untuk menentukan banyaknya daya yang digunakan, peralatan biasanya mengukur keluaran energinya dalam kilowatt-jam. Satu watt sama dengan 1 joule per sekon, atau 1 joule sama dengan 1 watt-sekon; satu kilowatt sama dengan 1 kilojoule per sekon an satu kilojoule sama dengan 1 kilowatt-sekon. Karena ada 3.600 sekon dalam 1 jam, 1 kilowatt-jam sama dengan 3.600 kilowatt-sekon, 3.600 kilojoule, atau 3.600.000 joule.
Iklan

Tips

Berhubungan dengan joule, adalah satuan metrik lainnya untuk usaha dan energi yang disebut erg; 1 erg sama dengan 1 dyne gaya dikali jarak 1 cm. Satu joule sama dengan 10.000.000 erg.

Peringatan

Meskipun istilah joule dan newton-meter mendeskripsikan satuan yang sama, pada praktiknya, joule digunakan saat melambangkan bentuk energi apa pun dan untuk usaha yang dilakukan pada garis lurus, seperti pada contoh di atas, yaitu berlari menaiki tangga. Ketika digunakan untuk mengukur torsi, penerapan gaya dalam perputaran sebuah benda, istilah newton-meter lebih baik digunakan.