Kuasai konsep fisika di balik energi terbarukan dengan koleksi latihan soal komprehensif ini! Energi terbarukan adalah solusi krusial untuk tantangan energi global dan perubahan iklim. Memahami prinsip-prinsip fisika yang mendasarinya, mulai dari konversi energi surya, mekanisme turbin angin, hingga pembangkit listrik tenaga air dan panas bumi, sangat penting bagi pelajar dan profesional. Artikel ini menyajikan berbagai jenis soal fisika energi terbarukan, meliputi pilihan ganda, isian singkat, uraian, dan menjodohkan. Setiap soal dirancang untuk menguji pemahaman Anda tentang efisiensi, daya, hukum termodinamika, dan aplikasi praktis dari sumber energi bersih. Persiapkan diri Anda untuk menghadapi ujian atau sekadar memperdalam pengetahuan Anda tentang masa depan energi yang berkelanjutan dengan berlatih soal-soal ini secara rutin. Tingkatkan pemahaman Anda dan jadilah bagian dari solusi energi hijau!
Contoh Soal soal fisika energi terbarukan
A. Pilihan Ganda
1. Prinsip utama konversi energi pada panel surya fotovoltaik adalah mengubah energi…
- A. Cahaya matahari menjadi listrik
- B. Panas matahari menjadi listrik
- C. Gerak angin menjadi listrik
- D. Kimia menjadi listrik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Panel surya fotovoltaik mengubah energi cahaya (foton) langsung menjadi energi listrik melalui efek fotovoltaik.
2. Efisiensi panel surya didefinisikan sebagai rasio antara…
- A. Daya listrik yang dihasilkan dengan luas panel
- B. Energi listrik yang dihasilkan dengan waktu penyinaran
- C. Daya listrik keluaran dengan daya cahaya matahari masukan
- D. Tegangan keluaran dengan arus keluaran
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Efisiensi adalah daya listrik yang dihasilkan dibagi dengan daya cahaya matahari yang diterima, dikalikan 100%.
3. Sebuah panel surya memiliki efisiensi 20%. Jika intensitas cahaya matahari yang diterima adalah 1000 W/m² dan luas panel adalah 1 m², berapa daya listrik yang dihasilkan panel tersebut?
- A. 100 W
- B. 200 W
- C. 500 W
- D. 1000 W
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Daya listrik = Efisiensi × Intensitas × Luas = 0,20 × 1000 W/m² × 1 m² = 200 W.
4. Daya yang dapat diekstraksi dari angin oleh turbin angin berbanding lurus dengan kubik (pangkat tiga) dari…
- A. Kecepatan angin
- B. Luas sapuan bilah
- C. Massa jenis udara
- D. Tinggi menara turbin
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Daya angin (P) diberikan oleh rumus P = 1/2 ρ A v³, di mana ρ adalah massa jenis udara, A adalah luas sapuan bilah turbin, dan v adalah kecepatan angin. Jadi, daya berbanding lurus dengan v³.
5. Batas teoritis maksimum efisiensi turbin angin dalam mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik disebut…
- A. Efisiensi Carnot
- B. Batas Betz
- C. Hukum Bernoulli
- D. Efek Doppler
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Batas Betz menyatakan bahwa turbin angin tidak dapat mengubah lebih dari 16/27 (sekitar 59,3%) dari energi kinetik angin menjadi energi mekanik.
6. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) memanfaatkan energi potensial gravitasi air. Faktor utama yang menentukan besarnya energi potensial ini adalah…
- A. Kecepatan aliran air
- B. Suhu air
- C. Ketinggian jatuh air (head)
- D. Volume waduk
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Energi potensial gravitasi (Ep) dihitung dengan rumus Ep = mgh, di mana m adalah massa air, g adalah percepatan gravitasi, dan h adalah ketinggian jatuh air (head).
7. Jika sebuah PLTA memiliki debit air 10 m³/s dan ketinggian jatuh air 50 m, berapa daya teoritis maksimum yang dapat dihasilkan jika g = 9,8 m/s² dan massa jenis air = 1000 kg/m³?
- A. 490 kW
- B. 4,9 kW
- C. 4,9 MW
- D. 49 MW
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Daya teoritis = ρ Q g h = 1000 kg/m³ × 10 m³/s × 9,8 m/s² × 50 m = 4.900.000 W = 4,9 MW.
8. Energi panas bumi (geothermal) berasal dari…
- A. Panas dari inti bumi
- B. Panas dari radiasi matahari
- C. Reaksi kimia di bawah tanah
- D. Pembakaran batubara di bawah tanah
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Energi panas bumi berasal dari panas yang tersimpan di dalam inti bumi.
9. Teknologi energi terbarukan yang memanfaatkan perbedaan suhu antara permukaan laut dan kedalaman laut adalah…
- A. PLTB (Pembangkit Listrik Tenaga Bayu)
- B. PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air)
- C. PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya)
- D. OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: OWEC (Ocean Thermal Energy Conversion) memanfaatkan perbedaan suhu air laut untuk menggerakkan turbin.
10. Biomassa dapat diubah menjadi energi melalui beberapa proses, salah satunya adalah pembakaran langsung untuk menghasilkan panas dan listrik. Proses lain yang mengubah biomassa menjadi bahan bakar gas adalah…
- A. Gasifikasi
- B. Elektrolisis
- C. Destilasi
- D. Fotosintesis
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Gasifikasi adalah proses termokimia yang mengubah biomassa menjadi gas sintetis (syngas) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar.
11. Manakah pernyataan yang BENAR mengenai energi terbarukan?
- A. Lebih mahal untuk diproduksi dibandingkan bahan bakar fosil dalam semua kasus.
- B. Umumnya memiliki jejak karbon yang lebih rendah daripada bahan bakar fosil.
- C. Sumbernya terbatas dan akan habis dalam beberapa dekade.
- D. Tidak memerlukan teknologi canggih untuk pemanfaatannya.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Energi terbarukan memiliki jejak karbon yang lebih rendah dibandingkan bahan bakar fosil, sehingga membantu mengurangi emisi gas rumah kaca.
12. Hukum fisika yang paling relevan dalam menjelaskan mengapa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya berubah bentuk, adalah…
- A. Hukum Kekekalan Energi
- B. Hukum Ohm
- C. Hukum Coulomb
- D. Hukum Newton kedua
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Hukum Kekekalan Energi (Hukum Termodinamika Pertama) menyatakan bahwa energi total dalam sistem terisolasi tetap konstan.
13. Generator pada pembangkit listrik tenaga angin berfungsi mengubah energi mekanik rotasi bilah turbin menjadi energi…
- A. Panas
- B. Potensial
- C. Kimia
- D. Listrik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Generator adalah perangkat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, biasanya melalui induksi elektromagnetik.
14. Salah satu kelemahan utama dari energi surya dan angin adalah sifatnya yang intermiten. Ini berarti…
- A. Biaya instalasinya sangat tinggi
- B. Membutuhkan lahan yang sangat luas
- C. Ketersediaannya tidak konsisten atau fluktuatif
- D. Menghasilkan polusi suara yang tinggi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Intermiten berarti ketersediaan energi tidak konstan dan tergantung pada kondisi cuaca (siang/malam, berangin/tidak berangin).
15. Apa peran inverter dalam sistem panel surya?
- A. Menyimpan energi listrik
- B. Mengubah arus DC menjadi AC
- C. Mengubah arus AC menjadi DC
- D. Mengatur arah aliran cahaya matahari
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Panel surya menghasilkan listrik DC, sedangkan sebagian besar peralatan rumah tangga menggunakan listrik AC. Inverter mengubah DC menjadi AC.
16. Pada pembangkit listrik tenaga pasang surut, energi yang dimanfaatkan adalah…
- A. Energi kinetik dan potensial air laut akibat pasang surut
- B. Energi panas dari dasar laut
- C. Energi gelombang laut
- D. Energi kimia dari garam laut
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Pembangkit listrik tenaga pasang surut memanfaatkan energi kinetik dan potensial dari pergerakan air laut akibat pasang surut.
17. Jika sebuah turbin angin memiliki diameter sapuan bilah 20 m dan beroperasi pada kecepatan angin 15 m/s, berapa luas sapuan bilah turbin tersebut? (Gunakan π ≈ 3,14)
- A. 31,4 m²
- B. 62,8 m²
- C. 314 m²
- D. 628 m²
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Jari-jari (r) = diameter / 2 = 20 m / 2 = 10 m. Luas (A) = π r² = 3,14 × (10 m)² = 3,14 × 100 m² = 314 m².
18. Proses fotosintesis yang dilakukan oleh tumbuhan merupakan dasar dari sumber energi terbarukan…
- A. Hidro
- B. Geotermal
- C. Angin
- D. Biomassa
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Fotosintesis adalah proses di mana tumbuhan mengubah energi matahari menjadi energi kimia yang tersimpan dalam biomassa.
19. Komponen utama dalam sistem pembangkit listrik tenaga panas bumi yang berfungsi mengubah uap panas menjadi energi mekanik untuk memutar generator adalah…
- A. Turbin uap
- B. Kondensor
- C. Pompa injeksi
- D. Sumur produksi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Turbin uap adalah komponen yang mengubah energi termal dan tekanan uap menjadi energi mekanik rotasi.
20. Energi gelombang laut dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik melalui berbagai teknologi. Prinsip dasar yang paling sering digunakan adalah mengubah energi…
- A. Panas air laut menjadi listrik
- B. Gerak osilasi gelombang menjadi listrik
- C. Perbedaan salinitas air laut menjadi listrik
- D. Tekanan air di dasar laut menjadi listrik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Energi gelombang adalah bentuk energi kinetik dan potensial air yang bergerak. Teknologi konversi gelombang mengubah gerak ini menjadi energi mekanik atau hidrolik yang kemudian diubah menjadi listrik.
B. Isian Singkat
1. Berapakah nilai Batas Betz dalam persentase, yang merupakan efisiensi maksimum teoritis turbin angin?
Jawaban: 59,3% atau 16/27
2. Sebutkan satu jenis bahan semikonduktor yang umum digunakan dalam sel fotovoltaik?
Jawaban: Silikon (Si)
3. Apa nama proses di mana limbah organik diuraikan oleh mikroorganisme tanpa oksigen untuk menghasilkan biogas?
Jawaban: Digesti anaerobik
4. Jika daya listrik yang dihasilkan sebuah pembangkit adalah 500 kW dan beroperasi selama 10 jam, berapa total energi listrik (dalam kWh) yang dihasilkan?
Jawaban: 5000 kWh
5. Apa satuan standar internasional untuk daya?
Jawaban: Watt (W)
C. Menjodohkan
1. Jodohkan sumber energi terbarukan berikut dengan prinsip konversi energinya yang utama.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Panel Surya | Efek Fotovoltaik |
| Turbin Angin | Energi Kinetik Angin |
| Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) | Energi Potensial Gravitasi Air |
| Pembangkit Panas Bumi | Panas dari Inti Bumi |
2. Jodohkan komponen sistem energi terbarukan berikut dengan fungsinya yang paling tepat.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Inverter pada PLTS | Mengubah arus DC menjadi AC |
| Bilah Turbin Angin | Menangkap energi kinetik angin dan memutar rotor |
| Bendungan pada PLTA | Meningkatkan ketinggian jatuh air (head) dan menyimpan air |
| Sel Elektrolitik (dalam produksi hidrogen) | Memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen |
D. Uraian
1. Jelaskan prinsip kerja dasar dari Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) dengan panel fotovoltaik, mulai dari penerimaan cahaya matahari hingga dihasilkan listrik yang dapat digunakan.
Prinsip kerja PLTS fotovoltaik dimulai ketika foton dari cahaya matahari menumbuk sel surya. Sel surya terbuat dari bahan semikonduktor (biasanya silikon) yang di-doping untuk membentuk lapisan p-n junction. Ketika foton menumbuk elektron pada material semikonduktor, elektron tersebut mendapatkan energi dan bergerak bebas, menciptakan arus listrik (efek fotovoltaik). Arus listrik yang dihasilkan adalah arus searah (DC). Arus DC ini kemudian dialirkan ke inverter yang berfungsi mengubahnya menjadi arus bolak-balik (AC) agar dapat digunakan oleh peralatan listrik rumah tangga atau diinjeksikan ke jaringan listrik.
2. Bandingkan kelebihan dan kekurangan energi angin sebagai sumber energi terbarukan dari sudut pandang fisika dan lingkungan.
Kelebihan Energi Angin (Fisika & Lingkungan):
1. **Bersih:** Tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca atau polutan udara selama operasi.
2. **Terbarukan:** Sumber daya angin melimpah dan tidak akan habis.
3. **Tidak Membutuhkan Air:** Berbeda dengan PLTA atau pembangkit termal, turbin angin tidak memerlukan air untuk pendinginan.
Kekurangan Energi Angin (Fisika & Lingkungan):
1. **Intermiten:** Kecepatan angin fluktuatif (berubah-ubah), sehingga produksi listrik tidak stabil dan memerlukan sistem penyimpanan atau cadangan.
2. **Dampak Visual dan Suara:** Turbin besar dapat dianggap mengganggu pemandangan dan menghasilkan kebisingan.
3. **Dampak pada Satwa Liar:** Bilah turbin dapat membahayakan burung dan kelelawar.
4. **Kebutuhan Lahan:** Membutuhkan area yang luas untuk instalasi farm angin.
3. Bagaimana energi panas bumi dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik? Jelaskan secara singkat siklusnya.
Energi panas bumi dimanfaatkan dengan mengekstraksi uap atau air panas dari reservoir panas bumi di bawah tanah. Air panas atau uap ini kemudian dialirkan ke permukaan melalui sumur produksi. Uap panas bertekanan tinggi digunakan untuk memutar turbin, yang selanjutnya akan memutar generator untuk menghasilkan listrik. Setelah melewati turbin, uap akan dikondensasi menjadi air dan diinjeksikan kembali ke dalam reservoir panas bumi melalui sumur injeksi untuk dipanaskan kembali, menciptakan siklus tertutup. Ada beberapa jenis pembangkit panas bumi (flash, binary, dry steam) namun prinsip dasarnya sama yaitu memanfaatkan panas bumi untuk memutar turbin.
4. Hitung daya listrik yang dihasilkan oleh sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) dengan data berikut: Debit air (Q) = 25 m³/s, Ketinggian jatuh air (h) = 80 m, Efisiensi turbin dan generator (η) = 85%, Percepatan gravitasi (g) = 9,8 m/s², Massa jenis air (ρ) = 1000 kg/m³.
Daya teoritis (P_teoritis) = ρ × Q × g × h
P_teoritis = 1000 kg/m³ × 25 m³/s × 9,8 m/s² × 80 m
P_teoritis = 19.600.000 W = 19,6 MW
Daya listrik yang dihasilkan (P_listrik) = η × P_teoritis
P_listrik = 0,85 × 19.600.000 W
P_listrik = 16.660.000 W = 16,66 MW
Jadi, daya listrik yang dihasilkan PLTA tersebut adalah 16,66 MW.
5. Jelaskan konsep ‘grid parity’ dalam konteks energi terbarukan dan mengapa hal itu penting untuk adopsi energi bersih secara luas.
Grid parity (paritas jaringan) adalah titik di mana biaya produksi listrik dari sumber energi terbarukan (misalnya surya atau angin) menjadi setara atau bahkan lebih murah daripada biaya produksi listrik dari sumber energi konvensional (misalnya bahan bakar fosil) yang disalurkan melalui jaringan listrik utama. Ini dihitung tanpa subsidi atau insentif khusus.
Hal ini sangat penting untuk adopsi energi bersih secara luas karena ketika grid parity tercapai, energi terbarukan menjadi pilihan yang menarik secara ekonomi bagi konsumen dan investor, bahkan tanpa dukungan pemerintah. Ini menghilangkan hambatan finansial utama dan mempercepat transisi dari bahan bakar fosil, mendorong investasi lebih lanjut dalam teknologi bersih, dan pada akhirnya membantu mengurangi emisi karbon secara signifikan.