Pengantar
Pada pembahasan sebelumnya (hukum-hukum gas – persamaan keadaan)
Mr.Ozan 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.
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, Mr.Ozan 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 :
Keterangan :
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 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. Mr.Ozan tulis lagi ketiga perbandingan
di atas biar dirimu lebih nyambung :
Jika perbandingan 1, perbandingan 2 dan perbandingan 3 digabung menjadi satu, maka akan tampak seperti ini :
Persamaan 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 :
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 :
Jika perbandingan 4 digabung dengan perbandingan 5 maka akan tampak seperti ini :
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 :
Contoh 1 : hitung jumlah mol pada 64 gram O2
Massa O2 = 64 gram
Massa molekul O2 = 32 gram/mol
Contoh 2 : hitung jumlah mol pada 280 gram CO
Massa CO = 280 gram
Massa molekul CO = 28 gram/mol
Contoh 3 : hitung jumlah mol pada 176 gram CO2
Massa CO2 = 176 gram
Massa molekul CO2 = 44 gram/mol
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 :
Volume 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 :
Volume 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
Massa molekul oksigen = 32 gram/mol (massa 1 mol oksigen = 32 gram). Dengan demikian, massa gas oksigen adalah :
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 = ?
Massa 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 Mr.Ozan 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).
Kita oprek lagi persamaan Hukum Gas Ideal :
Ini adalah persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul.
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 Mr.Ozan 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
Referensi
Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
www.gurumuda.com
Tidak ada komentar:
Posting Komentar