Materi Fisika : Hukum-Hukum tentang Gas Ideal

Sebagaimana telah diketahui bahwa gas terdiri dari partikel-partikel yang tersusun tidak teratur. Jarak antar partikel relatif jauh sehingga gaya tarik antarpartikelsangat lemah. Partikel-partikel selalu bergerak dengan lajutinggi memenuhi tempatnya, sehingga pada saat terjaditumbukan antarpartikel, gaya tarik tidak cukup kuat untukmenjaga partikel-partikelnya tetap dalam satu kesatuan.Teori kinetik akan muncul bila partikel-partikel dari gas selalu bergerak secara terus-menerus.

Gas yang memiliki satu susunan unsur atom disebut gas monoatomik (atom tunggal yang tidak berpasangan). Seluruh dari unsur gas mulia atau golongan VIII merupakan gas monoatomik tersebut adalah helium, neon, radon, argon, kripton, dan xenon (Xe). Helium dengan massa atom 4 (Ar = 4), biasa digunakan dalam kapal, balon udara, dan penyelam. Neon dengan nomor massa Ar = 20, digunakan untuk pada papan reklame neon dan cahaya fluoresen. Radon dengan Ar = 222, terbentuk dari hasil peluruhan radioaktif radium. Argon dengan Ar = 40, digunakan pada bohlam listrik dan tabung fluoresen. Kripton dengan Ar = 84, digunakan pada beberapa tabung laser, fluoresen,dan di dalam cahaya stroboskopik bandara. Xenon dengan Ar = 131, digunakan untuk mengisi tabung fluoresen danbohlam.

Pada bab ini, pembahasan dibatasi pada gas ideal,yaitu gas yang mempunyai sifat-sifat yang sama pada kondisi yang sama. Dalam kondisi riil, gas yang beradapada tekanan rendah dan jauh dari titik cair, dianggap mempunyai sifat-sifat seperti gas ideal.Persamaan-persamaan tentang gas ideal adalah Hukum Boyle,Hukum Gay Lussac, Hukum Boyle-Gay Lussac, danpersamaan gas ideal. Kita juga akan membahas mengenaitekanan, suhu, dan energi kinetik yang dikaitkan dengantingkah laku partikel gas. Dalam pembahasannya, tidak mungkin melakukan perhitungan untuk setiap partikel, akan tetapi sifat gas secara keseluruhan diambil hasil rata-rata dari partikel-partikel penyusun gas tersebut.

Joseph Gay Lussac adalah ahli kimia dari Prancis.Ia mengemukakan sifat-sifat dari gas, yang mana perbandingan sederhana dari volume gas bereaksi, logam alkali,gas halogen. Hukum ini disebut juga dengan Hukum perbandingan volume gas atau Hukum Gay Lussac.

Gas ideal adalah gas yang memenuhi anggapan-anggapan berikut ini.

Gas terdiri atas partikel-partikel yang jumlahnya sangatbanyak.
Partikel-partikel gas bergerak dengan laju dan arahyang beraneka ragam, serta memenuhi Hukum Gerak Newton.
Partikel gas tersebar merata pada seluruh bagian ruangan yang ditempati.
Tidak ada gaya interaksi antarpartikel, kecuali ketika partikel bertumbukan.
Tumbukan yang terjadi antarpartikel atau antara partikeldengan dinding wadah adalah lenting sempurna.
Ukuran partikel sangat kecil dibandingkan jarak antarapartikel, sehingga bersama-sama volumenya dapat diabaikan terhadap volume ruang yang ditempati.

Bintang Buatan

Atom Argon dan neon akan mengeluarkan sinar berwarna terang ketika dialiri arus listrik yang dilewatkan melalui tabung yang mengadung gas-gas tersebut dalam tekanan rendah. Helium, neon, dan argon dapat dipakai untuk laser yang menghasilkan sinar yang memiliki panjang gelombang tunggal secara kontinu. Laser gas mulia starfire menciptakan suatu gambar bintang buatan di atmosfer atas. Sebuah teleskop bintang akan mendeteksi perubahan gambar yang disebabkan oleh kondisi atmosfer. Data ini dipakai komputer untuk menyesuaikan gambar dari bintang sesungguhnya untuk menghilangkan distorsi yang diakibatkan oleh kondisi atmosfer.

Hukum-Hukum Tentang Gas

A. Hukum Boyle

Robert Boyle melakukan eksperimen untuk menyelidiki hubungan antara tekanan dengan volume gas dalam wadah tertutup pada suhu konstan. Hubungan itulah yang baru dinyatakan tahun 1666, disebut hukum Boyle, yang berbunyi:

Jika suhu gas yang berada dalam bejana tertutup yang dijaga konstan, maka tekanan gas tersebut akan berbanding terbalik dengan volumenya.

Pernyataan tersebut dapat ditulis :

PV = konstan
P1V1 = P2V2
Di mana
P = tekanan (N/m2 = Pa)
V = volume (m3)

Robert Boyle (1627 - 1691)
seorang ahli filsafat berkebangsaan Irlandia. Ia lahir di Puri Lismore, Cork,Irlandia pada tanggal 25Januari 1627 dan meninggal di London pada tanggal 30 Desember 1691.

B. Hukum Charles

Jacques Charles (1746–1823) menyelidiki hubungan volume dengan suhu dalam suatu wadah tertutup pada tekanan konstan, yang berbunyi:

Jika tekanan gas yang berada pada bejana yang tertutup dijaga tetap, maka volume gas tersebut sebanding atau berbanding lurus dengan suhuny (mutlak)

Pernyataan tersebut dapat ditulis sebagai berikut :

V/T = konstan atau V1/T1 = V2/T2

Keterangan :
V :Volume (m3) T : Suhu mutlak (K)

Robert Boyle (1627 - 1691)
Jacques Charles (1746 -1823) menemukan sebuah hukum penting tentang pemuaian gas jika dipanaskan.Pada tahun1783 dia mengambil bagiandalam penerbangan perdana balon hidrogen.

C. Hukum Gay Lussac

Joseph Gay Lussac (1778–1805) menyelidiki hubungan suhu dengan tekanan dalam suatu wadah tertutup pada volume konstan yang berbunyi:

Jika volume dari gas berada dalam bejana yang tertutup dan dijaga konstan, maka tekanan gas tersebut akan sebanding atau berbanding lurus dengan suhu mutlaknya

Secara matematis pernyataan di atas dapat ditulis sebagai berikut:

P/T = konstan atau P1/T1 = P2/T2

Joseph Louis Gay Lussac (1778 - 1850), ia seorang ahli fisika dan kimia dari Prancis, lahir di St Leonard le Nobalt, Haute Vienne pada tanggal 6 Desember 1778.Ia adalah guru besar di Ecole Polytechnique, Sorbonne, dan Jardin des Plantes.

D. Hukum Boyle-Gay Lussac

Persamaan gas ideal yang memenuhi hukum Boyle dan Charles Gay Lussac dengan menyatukan ketiga persamaan, adalah :

PV/T = Konstan atau P1V1/T1 = P2V2/T2 . . . . . . . . . . . . .(6.4)

Persamaan ini dikenal dengan persamaan Boyle-Gay Lussac. Persamaan ini biasanya digunakan dalam menyelesaikan soal-soal gas yang jumlahnya tetap (khusus massa tetap) yang mengalami dua keadaan (keadaan 1 dan keadaan 2). Massa gas tetap yang dimaksud adalah jika gas tersebut ditaruh dalam suatu wadah tertutup atau tanpa bocor.

Jika pada keadaan suhu T tetap, maka akan menghasilkan nilai Pv = tetap; pada tekanan P tetap, dihasilkan P/T tetap. Persamaan (6.4) berlaku untuk percobaan gas ideal dalam bejana yang tertutup sehingga massa suatu gas tetap selama eksperimen berlangsung. Jika mol gas diubah, misal menggandakan mol gas dengan n, pada tekanan dan suhu tetap, ternyata hasil volume V juga digandakan. Oleh karena itu, boleh ditulis bilangan tetap diruas kanan persamaan (6.4) dengan nR, dengan R diperoleh dari percobaan, dan diperoleh persamaan gas ideal yang sifatnya umum untuk menentukan hubungan tekanan, volume, mol gas dan suhu yang diungkapkan sebagai berikut :

pV = nRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6.5)

Keterangan
P : tekanan (Pa atau atm) dengan 1 atm = 1 x 105 Pa
T : suhu (K)
R : konstanta umum gas : 8314 J kmol-1K-1
V : volum (m3)
n : Jumlah mol (mol)
Apabila ditinjau suatu gas yang ditempatkan dalam suatu bejana tertutup seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Perubahan suhu dan volume pada tekanan konstan

Beban piston yang dapat bergerak bebas yang terletak pada bagian bejana yang berpenampang kecil digunakan untuk mempertahankan agar tekanan gas tetap konstan pada proses berlangsung. Pada saat bejana dipanaskan, mula-mula tekanan gas naik. Akan tetapi kenaikan tekanan gas akan mendorong piston ke atas sampai tekanan gas didalam bejana tersebut sama dengan tekanan mula-mulanya. Kemudian jika dilakukan pengukuran pada volume gas untuk setiap kenaikan suhu. Hasil percobaan ini disimpulkan bahwa:

Apabila tekanan gas konstan yang berada dalam bejana tertutup (tidak bocor), maka volume gas tersebut akan sebanding dengan suhu mutlaknya.

Kesimpulan ersebut dapat ditulis sebagai berikut:

V ~ T , V/T = Konstan

Untuk gas yang berada dalam dua keadaan kesetimbangan yang berbeda pada tekanan konstan, maka diperoleh:

V1/T1 = V2/T

Keterangan:
V1 : volum gas pada keadaan 1 (m3)
V2 : volum gas pada keadaan 2 (m3)
T1 : suhu untuk keadaan 1 (Kelvin)
T2 : suhu untuk keadaan 2 (Kelvin)

Persamaan (2) selanjutnya disebut sebagai hukum Charles, sebagai penghargaan terhadap fisikawan perancis bernama Jacques Charles (1746-1823). Jika hubungan antara volume dengan suhu gas didalam hukum Charles dapat dilukiskan seperti Gambar 2. kurva yang terjadi adalah isobarik artinya bertekanan sama.

Gambar 2. Grafik hubungan volum dan suhu gas pada tekanan konstan (isobarik)

referensi : Bahan Ajar Kiromin

Batang Kayu