how do you describe the physical mechanisms that allow living organisms to be highly ordered?

Abdurrachman Mappuji 12/329912/TK/39124

Mata Kuliah Biofisika (TKF3512) Program Studi Teknik Fisika

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada

Halaman 1 dari 10

18 September 2015

A. Penjelasan Sementara Pertanyaan Ujian

Kali ini penulis mencoba menjelaskan pembahasan (sementara penulis) tentang pertanyaan

ujian nomor dua yang berbunyi, “How do you describe the physical mechanisms that allow living

organisms to be highly ordered?” menggunakan beberapa konsep yang dideduksi dari buku acuan

yang diberikan dengan telaah-telaah yang penulis lakukan.

Kita ketahui ketika kita menumpahkan setetes tinta ke sebuah gelas berisi air, maka setelah

beberapa saat tinta akan bercampur. Tetapi kita tidak pernah melihat campuran tinta – air secara

spontan unmix (tidak bercampur / berpisah). Hukum II Termodinamika mengatakan secara “kasar”

bahwa ketidakteraturan molekul sistem tidak pernah berkurang secara spontan[1].

Sekarang kita sedikit terikat. Kita dapat simpulkan bahwa campuran dari hidrogen, karbon,

oksigen, nitrogen, fosfor, dan beberapa jumlah elemen lain, yang diam (ditinggalkan) begitu saja

pada bejana terisolasi, tidak akan pernah terorganisir secara spontan dan membentuk makhluk

hidup. Bahkan bakteri-bakteri paling rendah pun memiliki struktur yang “baik”, yang mana sistem

fisika tersebut tidak menuju ketidakteraturan yang lebih tinggi. Sampai saat ini bumi dipenuhi oleh

banyak sekali makhluk hidup (kehidupan), walaupun dahulu kala bumi tidak dihuni makhluk hidup.

Bagaimana sebenarnya suatu organisme dapat bertahan hidup, dengan sendirinya membuat

keturunan, dan bahkan berevolusi menjadi organisme yang lebih kompleks?[1] Pemikiran tersebut

membawa orang-orang kepada pertanyaan “Apakah makhluk hidup dengan cara tertentu

menentang hukum fisika?”. Ini wajar saja karena masih belum jelas rasanya bagi masyarakat awam

asal-usul makhluk hidup yang pertama jika hidrogen, karbon, oksigen, nitrogen, fosfor, dan beberapa

jumlah elemen lain, yang diam (ditinggalkan) begitu saja pada bejana terisolasi, tidak akan pernah

terorganisir secara spontan dan membentuk makhluk hidup. Namun jika pada kondisi tidak terisolasi

dapat memungkinkan terorganisirnya elemen-elemen tersebut, maka dengan proses yang

bagaimana? Sebelum evolusi tentunya ada makhluk primitif yang pertama, lalu bagaimanakah

terbentuknya makhluk primitif pertama tersebut?

Pada akhir abad sembilan belas , banyak ilmuwan terhormat masih menjawab “ya” mengenai

pertanyaan utama kita. Doktrin mereka disebut vitalisme (vitalism)[1]. Sangat percaya diri untuk

mencatat bahwa makhluk-makhluk hidup mematuhi setidaknya beberapa hukum fisika yang sama

dengan benda mati, bahkan diantaranya mengenai kalor. Sebagai contoh, kita dapat mengukur kalor

yang dilepas tikus, dan menjumlahkan kerja yang dilakukannya pada roda exercise menggunakan

persamaan 1.2 (Equation 1.2 pada buku acuan). Selama latihan beberapa hari, tikus tidak berubah.

Hukum I Termodinamika, pada Idea 1.3, mengatakan bahwa total energi yang keluar harus

proporsional dengan makanan yang diberikan kepada tikus, dan sebenarnya secara “kasar”

fenomena ini benar[1]. Terdapat tantangan pada buku acuan Problem 1.7 yang menguji pemahaman

Hukum I Termodinamika yang akan dibahas pada bagian khusus pada dokumen ini.




Halaman 2 dari 10

𝑊𝑖𝑛 + 𝑊𝑜𝑢𝑡 = 𝑄𝑖𝑛 + 𝑄𝑜𝑢𝑡 (Idea 1.3)

𝑊𝑖𝑛 + 𝑄𝑖𝑛 = 𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝐹𝑜𝑜𝑑𝑖𝑛,𝑚𝑜𝑢𝑠𝑒 (Contoh) { persamaan 1}

Dari persamaan tersebut dapat dilihat jika kalor yang masuk pada contoh tikus diasumsikan hanya

masuk melalui makanan yang diberikan saja, maka tikus sebagai makhluk hidup mematuhi hukum

yang sama dengan benda mati.

Dus, makhluk hidup tidak dapat membuat energi dari ketiadaan (from nothing). Masih saja,

ketika kita melihat lebih dalam, ini terlihat dalam pikiran kita bahwa hidup secara konstan

menghasilkan keteraturan dari ketiadaan (itu dia, dari ketidakteraturan). Untuk lepas dari doktrin

vitalisme, kemudian, kita harus menyelesaikan perbedaan (rekonsiliasi) antara pendapat umum

(vitalisme) dengan Hukum II Termodinamika[1]. Makhluk hidup tidak dapat membuat energi dari

ketiadaan karena dari observasi kita dengan tikus, kita temukan bahwa kerja dan kalor yang

dikeluarkan dari tikus berasal kurang - lebih berasal dari makanan yang masuk. Dengan kata lain

tikus sebagai makhluk hidup masih mematuhi hukum fisika yang ada yaitu Hukum I Termodinamika.

Untuk lepas dari doktrin vitalisme tersebut kita dapat menunjukkan fenomena yang terjadi baik

pada benda mati dan benda hidup, namun terasa biasa dalam pikiran kita jika itu terjadi pada benda

mati. Rekonsiliasi tersebut lebih mudah dari yang terdengar awalnya. Pada akhirnya, suatu selai

tersegel yang penuh dengan uap air yang rapat (dense) berubah secara spontan menjadi selai

dengan suatu puddle air pada bagian bawahnya dan sedikit uap. Setelah transformasi ini, isi dari

selai lebih terorganisir dari sebelumnya; banyak molekul air yang stuck pada lapisan yang sangat tipis

alih-alih bergerak bebas pada bagian dalam botol selai. Tetapi tidak ada yang akan percaya bahwa

kejadian ini tidak fisik, atau ada kekuatan supranatural pada molekul air yang memengaruhi[1].

Perubahan dari ketidakteraturan menjadi kondisi yang lebih teratur ini dianggap biasa padahal yang

terjadi pada makhluk hidup saat itu (akhir abad 19) dipercaya sebagai vitalisme. Kejadian ini dapat

membawa pada kesimpulan bahwa pengaturan keteraturan dapat terjadi pada benda mati maupun

makhluk hidup. Dapat pula terjadi pada benda buatan maupun benda yang tercipta alami. Keduanya

dapat terjadi jika kondisi tersebut memungkinkan mengubah energi menjadi keteraturan. Tetapi

tentu saja ada hal yang membedakan antara makhluk hidup dan benda mati sesuai dengan teori

Schrodinger yang sudah saya lengkapi dan jelaskan pada pembahasan soal ujian pertama.

Untuk melihat apa yang terjadi, kita harus mengingat kembali bahwa hukum II Termodinamika

bekerja hanya pada sistem terisolasi. Bagaimanapun walau selai tersebut tersegel tetapi, ia

melepaskan kalor kepada lingkungan selagi air terkondensasi; jadi ia tidak terisolasi. Dan tidak ada

yang bersifat paradoks tentang suatu subsistem dari semesta yang secara spontan meningkatkan

keteraturannya. Sebenarnya, pada Section 1.1.3 Preview Concept of Free Energy pada buku Nelson

mengusulkan bahwa suatu sistem (pada hal ini, isi dari selai) akan cenderung secara spontan

mengurangi energi bebas (free Energy) 𝐹, yang mana tidak sama dengan kejadian meningkatnya

ketidakteraturan. Berdasarkan formula yang pada buku Nelson diusulkan untuk 𝐹 (Equation 1.4),

entropi 𝑆 dari subsistem dapat menurun (air dapat terkondensasi) tanpa menaikan 𝐹, jika energi

internal 𝐸 juga berkurang dalam jumlah besar (melalui kalor yang keluar)[1].




Halaman 3 dari 10

Tabel 1. Kemungkinan menurunnya entropi.

𝐸 = 𝐹 + 𝑇𝑆

Jika:

𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛

𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏 ↑ ↓ 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 ↓ ↑

↓ ↓ ↓

↓ ↑ ↓ (𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ) ↓ ↓ (𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ) ↑

↓ 𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏 ↓ ↓ ↓ 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛

↑ ↑ ↑

↑ ↑ (𝒍𝒆𝒃𝒊𝒉) ↓ ↑ ↓ ↑ (𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ)

↑ 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 ↑

↑ ↑ 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛

Dari tabel di atas dapat kita lihat bahwa ada beberapa kemungkinan 𝑇𝑆 atau 𝑆 saja berkurang

(proses isotermal).

Bumi, seperti selai tadi, bukanlah sistem yang terisolasi. Untuk melihat apakah peningkatan pada

pengaturan dari molekul pada Bumi sebagaimana saat kehidupan mulai berkembang bertentangan

dengan Hukum II Termodinamika, maka, kita perlu melihat secara global apa saja aliran masuk dan

keluar pada Bumi.

Gambar 1. (Figure 1.2) (Diagram) (a) Bujet energi dari biosfer Bumi.




Halaman 4 dari 10

Energi kualitas – tinggi yang jatuh turun menjadi energi termal dan diradiasikan ke

ruang angkasa, tetapi sebagian ditangkap dan digunakan untuk menciptakan

keteraturan yang kita lihat pada kehidupan. (b) Apa yang tumbuhan lakukan dengan

energi: Energi solar kualitas – tinggi sebagian digunakan untuk memperbaharui

molekul energi – rendah menjadi molekul energi – tinggi dan menyusun keteraturan

struktur bentuknya; sisanya dilepaskan dalam bentuk kalor. (c) apa yang hewan

lakukan dengan energi: Energi kualitas – tinggi pada makanan sebagian digunakan

untuk kerja mekanis dan menyusun keteraturan struktur bentuknya; sisanya

dilepaskan dalam bentuk kalor.

Gambar 1 menggambarkan aliran energi solar yang datang bersamaan pada Bumi. Karena suhu bumi

secara “kasar” dapat dikatakan stabil pada masa yang lama, maka semua energi ini harus juga

meninggalkan Bumi (bersama dengan sebagian kecil energi geotermal yang dihasilkan di sini).

Sebagian energi ini begitu saja dipantulkan ke ruang angkasa. Sisanya terlepas ketika Bumi

meradiasikannya sebagai energi termal ke seluruh semesta. Dus, Bumi secara konstan menerima

energi dari Matahari, suatu tubuh yang sangat panas, dan mengekspornya menjadi radiasi pada suhu

permukaannya sendiri. Ke pada batu yang mati seperti Bulan, cerita sepenuhnya seperti itu. Tetapi,

seperti yang digambarkan secara simbolis pada Gambar 1.b, dan 1.c, ada kemungkinan lain yang

menarik. Begitu yang dikatakan Nelson dalam bukunya.

Penulis mencoba menginterpretasikan apa yang disampaikan Nelson secara matematis. Untuk

batu “mati” di angkasa, untuk membuat neraca energi menjadi seimbang ceritanya hanya sekedar

seperti pada persamaan di bawah ini.

𝐸𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 + 𝑊𝑖𝑛 + 𝑄𝑖𝑛 = 𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 + 𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

Jika diasumsikan bahwa energi yang masuk hanya dari energi cahaya yang dihasilkan Matahari

(bintang dalam suatu galaksi). Maka persamaan menjadi,

𝐸𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 + 𝑊𝑖𝑛 + 𝑄𝑖𝑛 = 𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 + 𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

Dengan adanya energi yang digenerasikan dari batu “mati” yaitu energi semacam energi panas bumi.

Kemudian panas yang masuk berupa energi cahaya Matahari yang diterima. Karena sebagian

dipantulkan. Maka yang terserap hanya sebagian energi cahaya Matahari saja. Kemudian ada

𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 yaitu energi yang tersimpan dalam batu “mati” tersebut. Karena tidak ada kerja yang

dikerjakan batu maka hanya tersisa 𝑄𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖,𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 yaitu panas yang diradiasikan yang bersumber

dari 𝐸𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 dan 𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟,𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑟𝑎𝑝 yang terserap kemudian dilepaskan kembali.

𝐸𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 = 𝑄𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚,𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 contoh panas bumi (geotermal)

Neraca energi menjadi,

𝑄𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚,𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 + 𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟,𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑟𝑎𝑝 = 𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 + 𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖,𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠

𝑄𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚,𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 + 𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟,𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑟𝑎𝑝 = 𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 + 𝑄𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖,𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠

Maksud dari uraian ini adalah bahwa energi dari matahari dilepaskan begitu saja oleh batu “mati” ini

dalam bentuk tertentu. Hipotesis penulis, jika energi solar merupakan energi kualitas–tinggi maka

jika energi dilepas begitu saja tanpa digunakan untuk meningkatkan keteraturan. Kemungkinan

besar karena tidak ada “mesin” yang dapat mengonversi energi solar tersebut menjadi energi lain.

Dalam bukunya Nelson mengenalkan free energy transduction. Tetapi di bumi ada yang menarik

karena adanya tumbuhan dan hewan yang secara unik memanfaatkan energi ini.




Halaman 5 dari 10

Dengan adanya tumbuhan dan hewan tersebut menurut penulis 𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 itu menjadi apa yang

kita sebut kehidupan kemudian ada juga akumulasi lain.

𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 = 𝑙𝑖𝑓𝑒 + 𝐸𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖,𝑙𝑎𝑖𝑛

Nelson menjelaskan, misalnya energi yang masuk (dari Matahari) memiliki “kualitas” yang lebih

tinggi dibandingkan energi yang keluar dan karenanya dapat merepresentasikan jumlahan aliran

keteraturan di bumi. Maka kita dapat membayangkan bahwa beberapa organisasi middleman

memasukan dirinya sendiri di tengah proses dan menghapus (skimming) beberapa aliran keteraturan

yang masuk, dan menggunakannya untuk membuat middleman yang lebih baik! Melihat hanya pada

bagian tengah, ini terlihat seperti keteraturan tersebut secara magis meningkat. Kemudian Nelson

mengusulkan Idea 1.6

Aliran energi yang melati suatu sistem dapat meninggalkan kenaikan keteraturan.

Nelson mengajak kita dengan berpikir secara sistem, kita dapat pergi dari doktrin vitalisme dan

menemukan ide middleman tadi. Bahwa jika kita melihat secara partikular ke pada isi di tengah bumi

tersebut seolah-olah hidup ada begitu saja tetapi jika kita zoom-out maka kita dapat melihat bagian

yang hilang yang belum dipikirkan.

Nelson melanjutkan dengan menjelaskan bahwa inilah trik besar kehidupan. Bagian tengah

adalah biosfer kita, kita adalah middleman. Tanaman hijau mengonsumsi bentuk kualitas–tinggi dari

energi (Matahari), melewatinya melalui tubuhnya untuk keluar sebagai energi termal (Gambar 1.b).

tumbuhan membutuhkan beberapa dari energi tersebut hanya untuk bertahan dari kecenderungan

degradasi dari ketidakteraturan termal untuk mengubah jaringannya menjadi campuran larutan

kimia yang baik.

Penjelasan ini akan membawa kita ke pada kesimpulan bahwa Tetapi pertama saya perlu

menjelaskan bahwa tidak hanya makhluk hidup saja yang dapat begitu teratur. Lebih tepatnya bukan

hanya makhluk hidup saja yang dapat mengonsumsi keteraturan (dari yang lain) untuk melakukan

kerja atau mengubah kerja menjadi keteraturan (dari dirinya) atau kombinasi keduanya seperti

dijelaskan dalam skema berikut.

Keteraturan yang lain Kerja Keteraturan diri (makhluk/organisme itu) sendiri

Salah satu contoh tersebut dapat ditemukan dari percobaan osmotic flow yang di jelaskan pada

buku acuan[1]. Fenomena osmosis merupakan perpindahan molekul air melalui selaput

semipermeabel selektif dari bagian yang lebih encer ke bagian yang lebih pekat. Membran

semipermeabel harus dapat ditembus oleh pelarut, tapi tidak oleh zat terlarut, yang mengakibatkan

gradien tekanan sepanjang membran[2]. Percobaan osmotic flow yang dijelaskan oleh Nelson pada

bukunya adalah proses isotermal seperti ditunjukkan pada Gambar 2 (Figure 1.3 Nelson)[1], di mana

suhu sekitar dijaga pada suhu ruangan.




Halaman 6 dari 10

Gambar 2. Percobaan osmotic flow sebagai contoh mekanisme transduksi Free Energy. Mengubah

keteraturan menjadi energi mekanik atau sebaliknya mengubah energi mekanik menjadi

keteraturan[1].

B. Pertanyaan

1. Apakah uraian saya sudah mulai menjelaskan pertanyaan nomor dua?

2. Apakah mungkin munculnya makhluk hidup pertama itu karena terciptanya mesin

transduksi Free Energy yang tidak sengaja terbuat (begitu saja terjadi karena

ketidakpastian dan probabilitas) oleh alam?

3. Nelson mengatakan bahwa makhluk hidup bisa secanggih ini karena memiliki mesin

transduksi yang berkembang karena evolusi. Lalu bagaimana menciptakan (atau

terciptanya) mesin transduksi Free Energy yang dapat berevolusi? Apakah mesin yang

dapat berevolusi itu seperti pada pertanyaan nomor dua tidak sengaja terbuat (begitu saja

terjadi karena ketidakpastian dan probabilitas) oleh alam?

4. Saya merasa bahwa terkadang menuliskan jawaban terasa cukup lama pak. Walaupun

memang lamanya tersebut menguntungkan karena kita mulai merevisi ide-ide ketika kita

melihat bahwa pikiran kita sebenarnya masih kacau. Tapi bisakah saya mengonfirmasikan

jawaban saya secara lisan ke pada bapak dengan cara bertemu bapak? Karena waktu untuk

menuliskan terkadang terbatas.

5. Apa komentar bapak mengenai penyelesaian Problem 1.7 yang saya kerjakan?




Halaman 7 dari 10

C. Penyelesaian Soal Latihan

1. Problem 1.7.

Seorang pembalap sepeda pada Tour de France makan sangat banyak. Jika total makanan

harian yang masuk habis terbakar, ia akan melepaskan panas sekitar 8000 𝑘𝑐𝑎𝑙. Selama tiga

atau empat Minggu balapan, perubahan berat badannya dapat diabaikan, sekitar kurang dari

1%. Dus, energi masukan dan energi keluaran seimbang.

Mari pertama melihat pada kerja mekanis yang dilakukan pembalap. Sepeda sangat efisien.

Energi yang terbuang karena friksi internal, bahkan termasuk roda, dapat diabaikan.

Pengeluaran terhadap hambatan udara, bagaimanapun, signifikan, sebesar 10 𝑀𝐽 setiap hari.

Dalam sehari, pembalap melakukan balapan selama 6 𝑗𝑎𝑚.

a. Membandingkan dengan 8000 𝑘𝑐𝑎𝑙 masukan dengan 10 𝑀𝐽 kerja yang dilakukan. Ada

sesuatu yang hilang! Dapatkan energi yang hilang tersebut dapat dihitung untuk

perubahan ketinggian pada hari pertandingan yang berat?

Tidak mempertimbangkan bagaimana anda menjawab (a), lalu misalkan pada satu hari

balapan tertentu tidak ada perubahan ketinggian, maka kita harus memandang sebab lain untuk

melihat di mana energi yang hilang pergi. Kita sejauh ini mengabaikan bagian energi lain dari

persamaan: pembalap melepaskan panas. Sebagian diradiasikan. Sebagian digunakan untuk

memanaskan udara yang dihirupnya. Tetapi sejauh ini kontribusi terbesar pergi entah ke mana.

Sang pembalap meminum banyak air. Dia tidak membutuhkan air ini untuk metabolisme –

dia sebenarnya membuat air saat membakar makanan. Sebagai gantinya, nyaris semua cairan air

meninggalkan tubuhnya sebagai uap air. Energi termal yang dibutuhkan untuk menguapkan air

tampak pada Problem 1.6 yaitu 𝑄𝑣𝑎𝑝 = 2.3 ∙ 109𝐽𝑚−3.

b. Berapa banyak air yang perlu pembalap minum agar bujet energinya seimbang? Apakah

ini rasional?

Sekarang mari kembali ke kerja mekanis sebesar 10 𝑀𝐽 yang dikerjakan oleh pembalap

setiap hari.

c. Hambatan angin untuk suatu situasi di mana gaya balik sebesar 𝑓 = 𝐵𝑣2, di mana 𝐵

adalah suatu konstanta. Kita mengukur 𝐵 pada suatu terowongan – angin dan

mendapatkan 1.5 𝑘𝑔𝑚−1 . Jika kita menyederhanakan dengan memisalkan pada hari

balapan tersebut kecepatan konstan, berapa kecepatannya? Apakah jawaban anda

beralasan?

Penyelesaian

a. Untuk menjawab pertanyaan (a) penulis mencoba menjabarkan neraca energinya sesuai

dengan Idea 1.3 pada buku acuan.

𝑊𝑖𝑛 + 𝑄𝑖𝑛 = 𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

𝐹𝑜𝑜𝑑𝑖𝑛 = 𝑊𝑜𝑢𝑡 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

8000 𝑘𝑐𝑎𝑙 = ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

8000 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 𝑊𝑤𝑖𝑛𝑑,𝑑𝑟𝑎𝑔 + ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

8000 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 10 𝑀𝐽 + ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 + 𝑄𝑜𝑢𝑡




Halaman 8 dari 10

8000 𝑘𝑐𝑎𝑙 ∙ 0,24𝐽

𝑐𝑎𝑙= 10 𝑀𝐽 + ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

33,33 𝑀𝐽 = 10 𝑀𝐽 + ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

Analisis:

Kita dapat melihat bahwa soal (a) belum mempertimbangkan 𝑄𝑜𝑢𝑡. Kemudian

∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 dapatkah bersumber dari perubahan ketinggian? Penulis katakan “Ya,

dapat!” Karena ada kerja sebesar 𝑚𝑔 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜃) ∙ 𝑑 yang perlu dilakukan untuk berjalan

menanjak sebesar 𝑑 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 pada tanjakan bersudut 𝜃 seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar ... . Komponen gravitasi dari suatu slope[3].

Kontribusi lainnya untuk ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 adalah kerja yang dilakukan untuk melawan

friksi dari tanah. Kemudian untuk 𝑄𝑜𝑢𝑡 yang dilepaskan juga perlu dipertimbangkan

dalam neraca energi tersebut. Energi kalor itu salah satunya diradiasikan ke lingkungan

seperti pada penjelasan pertanyaan berikutnya. Selain itu dijelaskan juga pada soal

bahwa mungkin saja digunakan untuk menguapkan air menjadi uap air. Tetapi penuis

menambahkan bahwa sisa energi digunakan sebagian untuk berpikir, mengendalikan

indra-indra manusia kemudian sisanya itu baru menjadi kalor. Yang jelas ada 23,33 𝑀𝐽

yang belum masuk dalam perhitungan.

b. Berdasarkan penjelasan dari soal. Dengan asumsi tidak ada perubahan ketinggian saat

balapan. Dan dengan mengabaikan sumber ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 maka neraca energi dapat

menjadi seimbang jika

33,33 𝑀𝐽 = 10 𝑀𝐽 + ∑ 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑙𝑎𝑖𝑛𝑛𝑦𝑎 + 𝑄𝑜𝑢𝑡

𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑄𝑣𝑎𝑝,𝑝𝑒𝑚𝑏𝑎𝑙𝑎𝑝

33,33 𝑀𝐽 = 10 𝑀𝐽 + 𝑄𝑣𝑎𝑝,𝑝𝑒𝑚𝑏𝑎𝑙𝑎𝑝

𝑄𝑣𝑎𝑝 = 2.3 ∙ 103𝑀𝐽𝑚−3

33,33 𝑀𝐽 = 10 𝑀𝐽 + 𝑄𝑣𝑎𝑝 ∙ 𝑉𝑎𝑖𝑟

33,33 𝑀𝐽 = 10 𝑀𝐽 + 2.3 ∙ 103𝑀𝐽𝑚−3 ∙ 𝑉𝑎𝑖𝑟

𝑉𝑎𝑖𝑟 =33,33 𝑀𝐽 − 10 𝑀𝐽

2.3 ∙ 103𝑀𝐽𝑚−3

𝑉𝑎𝑖𝑟 = 0,01014 𝑚3

𝑉𝑎𝑖𝑟 = 10,14 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟




Halaman 9 dari 10

Dari perhitungan energi sisa dapat digunakan untuk menguapkan 10,14 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 air.

Sepuluh liter merupakan jumlah yang sangat banyak. Normalnya dalam sehari manusia

membutuhkan 2 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 air[4]. Jika memang pembalap membutuhkan air yang lebih

banyak kemungkinan besar tidak sampai 5 kali lipatnya. Jadi kemungkinan besar energi

tersebut digunakan untuk keperluan lain.

c. Dalam menjawab poin ini sebenarnya penulis masih merasa kesulitan karena penulis

tidak memiliki data jarak tempuh pembalap sepeda dalam satu hari. Hubungan antara

kecepatan dan kerja sebenarnya dapat didapatkan dari hubungan energi kinetik sebagai

berikut:

𝑊 =1

2𝑚𝑣2

Kemudian secara empiris dapat ditentukan massa ekuivalen yang ditahan saat melawan

hambatan udara menjadi persamaan berikut:

𝑓 = 𝐵[𝑘𝑔

𝑚] ∙ 𝑣2[

𝑚2

𝑠2]

Kemudian jika 𝑓 dikalikan dengan jarak 𝑑 maka akan menghasilkan kerja 𝑊 yang

ekuivalen dengan energi kinetik yang dikeluarkan. Untuk kasus ini maka didapatkan

10 𝑀𝐽 = 𝐵𝑣2 ∙ 𝑑

10 𝑀(𝑘𝑔 ∙ 𝑚

𝑠2∙ 𝑚) = 1.5

𝑘𝑔

𝑚∙ 𝑣2 ∙ 𝑑

6,67𝑀(𝑚2

𝑠2)𝑚 = 𝑣2 ∙ 𝑑

6,67𝑀(𝑚2

𝑠2)(

𝑚

𝑑) = 𝑣2

𝑣 = 2,583 𝑘(𝑚

𝑠) ∙ (

𝑚

𝑑)

Dari hasil persamaan 𝑣 terakhir dapat disimpulkan bahwa kita perlu mendapatkan nilai

jarak tempuh selama satu hari 𝑑 untuk dapat menentukan 𝑣 secara spesifik.

Akhirnya setelah dapat menyelesaikan persoalan ini penulis sampai ke pada kesimpulan

bahwa makhluk hidup memang mematuhi hukum-hukum fisika seperti benda mati.

Tetapi dalam kasus Hukum Termodinamika, kita perlu mempertimbangkan energi yang

digenerasikan dan energi yang diakumulasikan agar neraca energi menjadi seimbang.

D. Daftar Pustaka

[1] P. Nelson, Biological Physics. New York: W. H. Freeman and Company, 2004.

[2] Wikipedia, “Osmosis,” 2015. [Online]. Available: https://id.wikipedia.org/wiki/Osmosis.

[3] MCAT Review, “Translational Motion,” 2008. [Online]. Available: http://mcat-review.org/translational-motion.php.




Halaman 10 dari 10

[4] tipscaraterbaik.com, “Ukuran minum air yang benar,” 2013. [Online]. Available: http://www.tipscaraterbaik.com/ukuran-minum-air-putih-perhari-yang-benar.html.

how do you describe the physical mechanisms that allow living organisms to be highly ordered?

Science