TEORI KINETIK GAS
Persamaan Gas Ideal
Pada
pembahasan sebelumnya (hukum-hukum gas – persamaan keadaan) gurumuda
sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai hukum om Boyle, hukum
om Charles dan hukum om Gay-Lussac. Ketiga hukum gas ini baru
menjelaskan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara
terpisah. Hukum om obet Boyle hanya menjelaskan hubungan antara Tekanan
dan volume gas. Hukum om Charles hanya menjelaskan hubungan antara
volume dan suhu gas. Hukum om Gay-Lussac hanya menjelaskan hubungan
antara suhu dan tekanan gas. Perlu diketahui bahwa ketiga hukum ini
hanya berlaku untuk gas yang memiliki tekanan dan massa jenis yang tidak
terlalu besar. Ketiga hukum ini juga hanya berlaku untuk gas yang
suhunya tidak mendekati titik didih. Oya, yang dimaksudkan dengan gas di
sini adalah gas yang ada dalam kehidupan kita sehari-hari. Istilah
kerennya gas riil alias gas nyata… misalnya oksigen, nitrogen dkk…
Karena
hukum om obet Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac tidak
berlaku untuk semua kondisi gas maka analisis kita akan menjadi lebih
sulit. Untuk mengatasi hal ini (maksudnya untuk mempermudah analisis),
kita bisa membuat suatu model gas ideal alias gas sempurna. Gas ideal
tidak ada dalam kehidupan sehari-hari; yang ada dalam kehidupan
sehari-hari cuma gas riil alias gas nyata. Gas ideal cuma bentuk
sempurna yang sengaja kita buat untuk mempermudah analisis, mirip
seperti konsep benda tegar atau fluida ideal. Ilmu fisika tuh
aneh-aneh…. dari pada bikin ribet dan pusink sendiri lebih baik cari
saja pendekatan yang lebih mudah ;) Kita bisa menganggap hukum Boyle,
hukum Charles dan hukum Gay-Lusac berlaku pada semua kondisi gas ideal,
baik ketika tekanan dan massa jenis gas sangat tinggi atau suhu gas
mendekati titik didih. Adanya konsep gas ideal ini juga sangat membantu
kita dalam meninjau hubungan antara ketiga hukum gas tersebut.
Biar dirimu lebih nyambung, gurumuda tulis kembali penyataan hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac.
Hukum Boyle
Berdasarkan
percobaan yang dilakukannya, om Robert Boyle menemukan bahwa apabila
suhu gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah,
volume gas semakin berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan
gas berkurang, volume gas semakin bertambah. Istilah kerennya tekanan
gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan
julukan Hukum Boyle. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
hukum-gas-ideal-aKeterangan :
hukum-gas-ideal-b
Hukum Charles
Seratus
tahun setelah om Obet Boyle menemukan hubungan antara volume dan
tekanan, seorang ilmuwan berkebangsaan Perancis yang bernama om Jacques
Charles (1746-1823) menyelidiki hubungan antara suhu dan volume gas.
Berdasarkan hasil percobaannya, om Cale menemukan bahwa apabila tekanan
gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika suhu mutlak gas bertambah,
volume gas pun ikt2an bertambah, sebaliknya ketika suhu mutlak gas
berkurang, volume gas juga ikut2an berkurang. Hubungan ini dikenal
dengan julukan hukum Charles. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
hukum-gas-ideal-c
Hukum Gay-Lussac
Setelah
om obet Boyle dan om Charles mengabadikan namanya dalam ilmu fisika, om
Joseph Gay-Lussac pun tak mau ketinggalan. Berdasarkan percobaan yang
dilakukannya, om Jose menemukan bahwa apabila volume gas dijaga agar
selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, suhu mutlak gas pun
ikut2an bertambah. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas
berkurang, suhu mutlak gas pun ikut2an berkurang. Istilah kerennya, pada
volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas.
Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Gay-Lussac. Secara matematis
ditulis sebagai berikut :
Hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas
Hukum
Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac baru menurunkan hubungan
antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Bagaimanapun ketiga
besaran ini memiliki keterkaitan erat dan saling mempengaruhi.
Karenanya, dengan berpedoman pada ketiga hukum gas di atas, kita bisa
menurunkan hubungan yang lebih umum antara suhu, volume dan tekanan gas.
Gurumuda tulis lagi ketiga perbandingan di atas biar dirimu lebih
nyambung :
hukum-gas-ideal-e
Jika perbandingan 1, perbandingan 2 dan perbandingan 3 digabung menjadi satu, maka akan tampak seperti ini :
hukum-gas-ideal-fPersamaan
ini menyatakan bahwa tekanan (P) dan volume (V) sebanding dengan suhu
mutlak (T). Sebaliknya, volume (V) berbanding terbalik dengan tekanan
(P).
Perbandingan 4 bisa dioprek menjadi persamaan :
hukum-gas-ideal-g
Keterangan :
P1 = tekanan awal (Pa atau N/m2)
P2 = tekanan akhir (Pa atau N/m2)
V1 = volume awal (m3)
V2 = volume akhir (m3)
T1 = suhu awal (K)
T2 = suhu akhir (K)
(Pa = pascal, N = Newton, m2 = meter kuadrat, m3 = meter kubik, K = Kelvin)
Contoh soal ada di bagian akhir tulisan ini… Tuh di bawah
Hubungan antara massa gas (m) dengan volume (V)
Sejauh
ini kita baru meninjau hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas.
Massa gas masih diabaikan… Kok gas punya massa ya ? yupz… Setiap zat
alias materi, termasuk zat gas terdiri dari atom-atom atau
molekul-molekul. Karena atom atau molekul mempunyai massa maka tentu
saja gas juga mempunyai massa. Kalau dirimu bingung, silahkan pelajari
lagi materi Teori atom dan Teori kinetik.
Pernah meniup balon ?
ketika dirimu meniup balon, semakin banyak udara yang dimasukkan,
semakin kembung balon tersebut. Dengan kata lain, semakin besar massa
gas, semakin besar volume balon. Kita bisa mengatakan bahwa massa gas
(m) sebanding alias berbanding lurus dengan volume gas (V). Secara
matematis ditulis seperti ini :
hukum-gas-ideal-hJika perbandingan 4 digabung dengan perbandingan 5 maka akan tampak seperti ini :
hukum-gas-ideal-i
Jumlah mol (n)
Sebelum
melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita bahas konsep mol. Dari pada
kelamaan, kita langsung ke sasaran saja… 1 mol = besarnya massa suatu
zat yang setara dengan massa molekul zat tersebut. Massa dan massa
molekul tuh beda. Biar paham, amati contoh di bawah…
Contoh 1,
massa molekul gas Oksigen (O2) = 16 u + 16 u = 32 u (setiap molekul
oksigen berisi 2 atom Oksigen, di mana masing-masing atom Oksigen
mempunyai massa 16 u). Dengan demikian, 1 mol O2 mempunyai massa 32
gram. Atau massa molekul O2 = 32 gram/mol = 32 kg/kmol
Contoh 2,
massa molekul gas karbon monooksida (CO) = 12 u + 16 u = 28 u (setiap
molekul karbon monooksida berisi 1 atom karbon (C) dan 1 atom oksigen
(O). Massa 1 atom karbon = 12 u dan massa 1 atom Oksigen = 16 u. 12 u +
16 u = 28 u). Dengan demikian, 1 mol CO mempunyai massa 28 gram. Atau
massa molekul CO = 28 gram/mol = 28 kg/kmol
Contoh 3, massa
molekul gas karbon dioksida (CO2) = [12 u + (2 x 16 u)] = [12 u + 32 u] =
44 u (setiap molekul karbon dioksida berisi 1 atom karbon (C) dan 2
atom oksigen (O). Massa 1 atom Carbon = 12 u dan massa 1 atom oksigen =
16 u). Dengan demikian, 1 mol CO2 mempunyai massa 44 gram. Atau massa
molekul CO2 = 44 gram/mol = 44 kg/kmol.
Sebelumnya kita baru
membahas definisi satu mol. Sekarang giliran jumlah mol (n). Pada
umumnya, jumlah mol (n) suatu zat = perbandingan massa zat tersebut
dengan massa molekulnya. Secara matematis ditulis seperti ini :
hukum-gas-ideal-j1
Contoh 1 : hitung jumlah mol pada 64 gram O2
Massa O2 = 64 gram
Massa molekul O2 = 32 gram/mol
hukum-gas-ideal-k
Contoh 2 : hitung jumlah mol pada 280 gram CO
Massa CO = 280 gram
Massa molekul CO = 28 gram/mol
hukum-gas-ideal-l
Contoh 3 : hitung jumlah mol pada 176 gram CO2
Massa CO2 = 176 gram
Massa molekul CO2 = 44 gram/mol
hukum-gas-ideal-m
Konstanta gas universal (R)
Perbandingan
yang sudah diturunkan di atas (perbandingan 6) bisa diubah menjadi
persamaan dengan menambahkan konstanta perbandingan. Btw, berdasarkan
penelitian yang dilakukan om-om ilmuwan, ditemukan bahwa apabila kita
menggunakan jumlah mol (n) untuk menyatakan ukuran suatu zat maka
konstanta perbandingan untuk setiap gas memiliki besar yang sama.
Konstanta perbandingan yang dimaksud adalah konstanta gas universal (R).
Universal = umum, jangan pake bingung…
R = 8,315 J/mol.K
= 8315 kJ/kmol.K
= 0,0821 (L.atm) / (mol.K)
= 1,99 kal / mol. K
(J = Joule, K = Kelvin, L = liter, atm = atmosfir, kal = kalori)
HUKUM GAS IDEAL (dalam jumlah mol)
Setelah
terseok-seok, akhirnya kita tiba di penghujung acara pengoprekan rumus.
Perbandingan 6 (tuh di atas) bisa kita tulis menjadi persamaan, dengan
memasukan jumlah mol (n) dan konstanta gas universal (R)…
PV = nRT
Persamaan ini dikenal dengan julukan hukum gas ideal alias persamaan keadaan gas ideal.
Keterangan :
P = tekanan gas (N/m2)
V = volume gas (m3)
n = jumlah mol (mol)
R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K)
T = suhu mutlak gas (K)
CATATAN :
Pertama,
dalam penyelesaian soal, dirimu akan menemukan istilah STP. STP tuh
singkatan dari Standard Temperature and Pressure. Bahasanya orang bule…
Kalau diterjemahkan ke dalam bahasa orang Indonesia, STP artinya
Temperatur dan Tekanan Standar. Temperatur = suhu.
Temperatur standar (T) = 0 oC = 273 K
Tekanan standar (P) = 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 102 kPa = 101 kPa
Kedua, dalam menyelesaikan soal-soal hukum gas, suhu alias temperatur harus dinyatakan dalam skala Kelvin (K)
Ketiga,
apabila tekanan gas masih berupa tekanan ukur, ubah terlebih dahulu
menjadi tekanan absolut. Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan
ukur (tekanan atmosfir = tekanan udara luar)
Keempat, jika yang diketahui adalah tekanan atmosfir (tidak ada tekanan ukur), langsung oprek saja tuh soal.
Contoh soal 1 :
Pada
tekanan atmosfir (101 kPa), suhu gas karbon dioksida = 20 oC dan
volumenya = 2 liter. Apabila tekanan diubah menjadi 201 kPa dan suhu
dinaikkan menjadi 40 oC, hitung volume akhir gas karbon dioksida
tersebut…
Panduan jawaban :
P1 = 101 kPa
P2 = 201 kPa
T1 = 20 oC + 273 K = 293 K
T2 = 40 oC + 273 K = 313 K
V1 = 2 liter
V2 = ?
Tumbangkan soal :
hukum-gas-ideal-nVolume akhir gas karbon dioksida = 1,06 liter
Contoh soal 2 :
Tentukan volume 2 mol gas pada STP (anggap saja gas ini adalah gas ideal)
Panduan jawaban :
hukum-gas-ideal-oVolume
2 mol gas pada STP (temperatur dan tekanan stadard) adalah 44,8 liter.
Berapa volume 1 mol gas pada STP ? itung sendiri….
Contoh soal 3 :
Volume gas oksigen pada STP = 20 m3. Berapa massa gas oksigen ?
Panduan jawaban :
Volume 1 mol gas pada STP = 22,4 liter = 22,4 dm3 = 22,4 x 10-3 m3 (22,4 x 10-3 m3/mol)
Volume gas oksigen pada STP = 20 m3
hukum-gas-ideal-p
Massa molekul oksigen = 32 gram/mol (massa 1 mol oksigen = 32 gram). Dengan demikian, massa gas oksigen adalah :
hukum-gas-ideal-q
Catatan :
Kadang massa molekul disebut sebagai massa molar. Jangan pake bingung, maksudnya sama saja… Massa molar = massa molekul
Contoh soal 4 :
Sebuah
tangki berisi 4 liter gas oksigen (O2). Suhu gas oksigen tersebut = 20
oC dan tekanan terukurnya = 20 x 105 N/m2. Tentukan massa gas oksigen
tersebut (massa molekul oksigen = 32 kg/kmol = 32 gram/mol)
Panduan jawaban :
P = Patm + Pukur = (1 x 105 N/m2) + (20 x 105 N/m2) = 21 x 105 N/m2
T = 20 oC + 273 = 293 K
V = 4 liter = 4 dm3 = 4 x 10-3 m3
R = 8,315 J/mol.K = 8,315 Nm/mol.K
Massa molekul O2 = 32 gram/mol = 32 kg/kmol
Massa O2 = ?
hukum-gas-ideal-rMassa gas oksigen = 110 gram = 0,11 kg
Guampang sekali khan ? hiks2…. Sering2 latihan, biar mahir
HUKUM GAS IDEAL (Dalam jumlah molekul)
Kalau
sebelumnya Hukum gas ideal dinyatakan dalam jumlah mol (n), maka kali
ini hukum gas ideal dinyatakan dalam jumlah molekul (N). Sebelum
menurunkan persamaannya, terlebih dahulu baca pesan-pesan berikut ini…
Seperti
yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, apabila kita menyatakan ukuran
zat tidak dalam bentuk massa (m), tapi dalam jumlah mol (n), maka
konstanta gas universal (R) berlaku untuk semua gas. Hal ini pertama
kali ditemukan oleh alhamrum Amedeo Avogadro (1776-1856), mantan ilmuwan
Italia. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka… Almahrum
Avogadro mengatakan bahwa ketika volume, tekanan dan suhu setiap gas
sama, maka setiap gas tersebut memiliki jumlah molekul yang sama.
Kalimat yang dicetak tebal ini dikenal dengan julukan hipotesa Avogadro
(hipotesa = ramalan atau dugaan). Hipotesa almahrum Avogadro ini sesuai
dengan kenyataan bahwa konstanta R sama untuk semua gas. Berikut ini
beberapa pembuktiannya :
Pertama, jika kita menyelesaikan soal
menggunakan persamaan hukum gas ideal (PV = nRT), kita akan menemukan
bahwa ketika jumlah mol (n) sama, tekanan dan suhu juga sama, maka
volume semua gas akan bernilai sama, apabila kita menggunakan konstanta
gas universal (R = 8,315 J/mol.K). Karenanya dirimu jangan pake heran
kalau pada STP, setiap gas yang memiliki jumlah mol (n) yang sama akan
memiliki volume yang sama. Volume 1 mol gas pada STP = 22,4 liter.
Volume 2 mol gas = 44,8 liter. Volume 3 mol gas = 67,2 liter. Dan
seterusnya… ini berlaku untuk semua gas.
Kedua, jumlah molekul
dalam 1 mol sama untuk semua gas. Jumlah molekul dalam 1 mol = jumlah
molekul per mol = bilangan avogadro (NA). Jadi bilangan Avogadro
bernilai sama untuk semua gas. Besarnya bilangan Avogadro diperoleh
melalui pengukuran :
NA = 6,02 x 1023 molekul/mol = 6,02 x 1023 /mol
= 6,02 x 1026 molekul/kmol = 6,02 x 1026 /kmol
Untuk memperoleh jumlah total molekul (N), maka kita bisa mengalikan jumlah molekul per mol (NA) dengan jumlah mol (n).
hukum-gas-ideal-sKita oprek lagi persamaan Hukum Gas Ideal :
hukum-gas-ideal-tIni adalah persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul.
hukum-gas-ideal
Keterangan :
P = Tekanan
V = Volume
N = Jumlah total molekul
k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-13 J/K)
T = Suhu
Punya soal ?
Masukan saja melalui komentar, nanti gurumuda oprek… Soalnya jangan banyak2…
Berikut ini seperangkat peralatan perang dan amunisi yang mungkin dibutuhkan :
Volume
1 liter (L) = 1000 mililiter (mL) = 1000 centimeter kubik (cm3)
1 liter (L) = 1 desimeter kubik (dm3) = 1 x 10-3 m3
Tekanan
1 N/m2 = 1 Pa
1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 102 kPa = 101,3 kPa (biasanya dipakai 101 kPa)
Pa = pascal
atm = atmosfir
Tidak ada komentar:
Posting Komentar