BAB 8 TEORI KINETIK GAS
A. Hukum-Hukum tentang Gas
Volume gas dalam suatu ruang tertutup sangat bergantung pada tekanan dan suhunya. Apabila suhu dijaga konstan, maka tekanan yang diberikan akan memperkecil
volumenya. Hubungan, tersebut dikenal dengan Hukum Boyle yang dapat dinyatakan berikut ini.
“Apabila suhu gas yang berada dalam ruang tertutup dijaga konstan, maka tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya”.
Secara sistematis, pernyataan tersebut dapat dituliskan:
P v
V1 , untuk P.V = konstan atau
3. Partikel gas tersebar merata pada seluruh bagian ruangan yang ditempati.
4. Tidak ada gaya interaksi antarpartikel, kecuali ketika partikel bertumbukan.
5. Tumbukan yang terjadi antarpartikel atau antara partikel
dengan dinding wadah adalah lenting sempurna. 6. Ukuran partikel sangat kecil dibandingkan jarak antara
partikel, sehingga bersama-sama volumenya dapat
diabaikan terhadap volume ruang yang ditempati.
Robert Boyle (1627 - 1691) seorang ahli filsafat berkebangsaan Irlandia. Ia lahir di Puri Lismore, Cork, Irlandia pada tanggal 25 Januari 1627 dan meninggal di London pada tanggal 30 Desember 1691.
&
Fisika XI untuk SMA/MA Jacques Charles (1746 -1823) menemukan sebuah hukum penting tentang pemuaian gas jika dipanaskan. Pada tahun 1783 dia mengambil bagian dalam penerbangan perdana balon hidrogen.P
V
2. Hukum Charles
Telah diketahui bahwa selain ditentukan oleh tekanan,
volume gas dalam ruang tertutup juga dipengaruhi oleh suhu. Jika suhu gas dinaikkan, maka gerak partikel-partikel gas akan semakin cepat sehingga volumenya bertambah. Apabila tekanan tidak terlalu tinggi dan dijaga konstan,
volume gas akan bertambah terhadap kenaikan suhu. Hubungan tersebut dikenal dengan Hukum Charles yang
dapat dinyatakan berikut ini.
“Apabila tekanan gas yang berada dalam ruang tertutup dijaga konstan, maka volume gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya.”
Secara matematis, pernyataan tersebut dapat dituliskan: V vT T V = konstan atau 2 2 1 1 T V T V ... (8.2) dengan:
V1 =volume gas pada keadaan 1 (m3) T1 = suhu mutlak gas pada keadaan 1 (K) V2 =volume gas pada keadaan 2 (m3) T2 = suhu mutlak gas pada keadaan 2 (K)
Hubungan antara volume gas dan suhu pada tekanan konstan dapat dilukiskan dengan grafik seperti yang tampak pada Gambar 8.3. Proses yang terjadi pada tekanan tetap disebut proses isobaris.
Gambar 8.2 Grafik hubungan
P -V pada suhu konstan.
Gambar 8.3 Grafik hubungan
V -T pada tekanan konstan.
V
T
P1.V1=P2.V2... (8.1) dengan:
P1 = tekanan gas pada keadaan 1 (N/m2) V1 = volume gas pada keadaan 1 (m3) P2 = tekanan gas pada keadaan 2 (N/m2) V2 = volume gas pada keadaan 2 (m3)
Persamaan (8.1) menyatakan bahwa pada suhu konstan, jika tekanan atau volume gas berubah, maka variabel yang lain juga berubah sehingga hasil kali P.V selalu tetap.
Hubungan antara tekanan dan volume gas pada suhu konstan dapat dilukiskan dengan grafik seperti yang tampak pada Gambar 8.2. Grafik tersebut menunjukkan bahwa pada saat volumenya bertambah, tekanan gas akan berkurang. Proses pada suhu konstan disebut proses isotermis.
Bab 8 Teori Kinetik Gas
&
3. Hukum Gay Lussac
Apabila botol dalam keadaan tertutup kita masukkan ke api, maka botol tersebut akan meledak. Hal ini terjadi karena naiknya tekanan gas di dalamnya akibat kenaikan suhu. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa: “Apabila volume gas yang berada pada ruang tertutup dijaga konstan, maka tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya”.
Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum Gay Lussac. Secara matematis dapat dituliskan:
P v T T P = konstan atau 2 2 1 1 T P T P ... (8.3) dengan:
P1 = tekanan gas pada keadaan 1 (N/m2) T1 = suhu mutlak gas pada keadaan 1 (K) P2 = tekanan gas pada keadaan 2 (N/m2) T2 = suhu mutlak gas pada keadaan 2 (K)
Hubungan antara tekanan dan suhu gas pada volume konstan dapat dilukiskan dengan grafik seperti yang tampak pada Gambar 8.4. Proses yang terjadi pada
volume konstan disebut proses isokhoris.
Gambar 8.4 Grafik hubungan
P -T pada volume konstan.
P
T
4. Hukum Boyle-Gay Lussac
Hukum Boyle-Gay Lussac merupakan gabungan dari persamaan (8.1), (8.2), dan (8.3), sehingga dapat dituliskan:
T PV = konstan 1 1 1 T V P = 2 2 2 T V P ... (8.4)
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.
5. Persamaan Umum Gas Ideal
Sebelum membahas lebih lanjut mengenai persamaan umum gas ideal, kita akan mendefinisikan dahulu beberapa istilah kimia yang berkaitan dengan gas ideal. a. Massa atom relatif (Ar), adalah perbandingan massa
rata-rata sebuah atom suatu unsur terhadap
12 1 kali massa sebuah atom 126C. Harga massa atom relatif bukanlah massa yang sebenarnya dari suatu atom, tetapi hanya merupakan harga perbandingan. Contoh:
Ar H = 1 Ar Ne =20 Ar Ar = 4
&
Fisika XI untuk SMA/MA Temperatur pada gas ideal adalah T = 273,16 K22JH , dengan Ptradalah tekanan gas pada titik tripel. Adapun temperatur pada gas riil adalah: T = 273,16 K tr 0 tr lim 2 2 2 ob. Massa molekul relatif (Mr), adalah jumlah keseluruhan massa atom relatif (Ar) unsur-unsur penyusun senyawa. c. Mol (n), adalah satuan banyaknya partikel yang besarnya merupakan hasil bagi massa suatu unsur (senyawa) dengan massa relatifnya (Ar atau Mr). n(mol) = ) ( (gram) senyawa atau unsur massa Mr Ar
d. Bilangan Avogadro, adalah bilangan yang menyatakan jumlah partikel dalam satu mol.
NA= 6,023 u 1023 partikel/mol N = n NA
N adalah jumlah total partikel.
Hukum-hukum tentang gas dari Boyle, Charles, Gay
Lussac, dan Boyle-Gay Lussac diperoleh dengan menjaga satu atau lebih variabel dalam keadaan konstan untuk mengetahui akibat dari perubahan satu variabel. Berdasarkan Hukum Boyle–Gay Lussac diperoleh:
T
PV = konstan atau T PV = k.
Apabila jumlah partikel berubah, maka volume gas juga akan berubah. Hal ini berarti bahwa harga PVT adalah tetap, bergantung pada banyaknya partikel (N ) yang terkandung dalam gas. Persamaan di atas dapat dituliskan:
T PV =N.k P.V =N.k.T ... (i) k = konstanta Boltzmann, (k = 1,38 u 10-23 J/K) Karena N = n.NA, maka: P.V =n.NA.k.T... (ii) NA.k = R, yang merupakan konstanta gas umum yang besarnya sama untuk semua gas, maka persamaan (ii) menjadi: P.V =n.R.T... (8.5) dengan: P = tekanan gas (N/m2) V =volume gas (m3) n = jumlah mol T = suhu mutlak (K)
R = konstanta gas umum (J/mol.K) R =NA.k
R = (6,023u1023) (1,38u10-23)
R = 8,31 J/mol.K = 0,082 L.atm/mol.K
Persamaan (8.5) disebut persamaan umum gas ideal. Hukum Avogadro
menyatakan untuk seluruh gas jika mempunyai volume, temperatur, dan tekanan yang sama, akan mempunyai jumlah molekul yang sama. Hukum ini hanya berlaku bagi gas ideal.
Bab 8 Teori Kinetik Gas
&!
1. Suatu gas ideal sebanyak 4 liter memiliki tekanan 1,5 atmosfer dan suhu27 oC. Tentukan tekanan gas tersebut jika suhunya 47 oC dan volumenya 3,2 liter! Penyelesaian: Diketahui: V1 = 4 liter V2 = 3,2 liter P1 = 1,5 atm T1 = 27 oC = 27+273 = 300 K T2 = 47 oC = 47+273 = 320 K Ditanya: P2 = ... ? Jawab: 1 1 1. T V P = 2 2 2. T V P 300 4 5 , 1 u = 2u3,2 320 P P2 = 2 , 3 300 320 4 5 , 1 uu u = 2 atm
2. Gas helium sebanyak 16 gram memiliki volume 5 liter dan tekanan 2 u 102 Pa. Jika R = 8,31 J/mol.K, berapakah suhu gas tersebut?
Penyelesaian: Diketahui: m = 16 gram = 16 u 10-3 kg Mr O2 = 4 P = 2 u 105 Pa R = 8,31 J/mol.K V = 5 liter = 5 u 10-3 m3 Ditanya: T = ... ? Jawab: n = Mr m = u -3 16 10 4 = 4u10-3 mol P.V =n.R.T T = R n V P . . = u u u 5 -3 -3 (2 10 )(5 10 ) (4 10 )(8,31) = 30.084 K Contoh Soal
&"
Fisika XI untuk SMA/MA1. Berapakah tekanan 20 mol gas yang berada dalam tangki yang volumenya 100 liter jika suhunya 77 oC dan g = 9,8 m/s2?
Uji Kemampuan 8.1 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
Tujuan : Memahami Hukum Boyle.
Alat dan bahan : Pipa plastik, pentil, pompa, raksa, air, pewarna, pipa U.
Cara Kerja:
1. Susunlah alat dan bahan sesuai
dengan gambar di samping.
2. Isilah pipa plastik kecil dengan sedikit air berwarna sebagai pembatas ruang, dan hubungkan
dengan tangki.
3. Dalam kondisi pentil terbuka, isilah pipa U dengan raksa (sebagai manometer terbuka).
Kegiatan
4. Tutuplah kembali pentil, permukaan raksa pada kedua kaki manometer mendatar.
5. Ukurlah volume ruang antara air berwarna sebagai pembatas sampai ujung pipa L, dan tentukan besar volume udara sepanjang L ini, yaitu V = A.L. Tekanan udara berdasarkan manometer adalah sama dengan tekanan udara luar yaitu B.
6. Pompa sedikit udara ke dalam tangki sampai terdapat sedikit (h1 = + 1 cm) kenaikan raksa pada manometer. Volume udara pada ruang tertutup pada pipa kecil akan berkurang menjadi V1 = A.L1. Tekanan udara pada kondisi ini adalah P1 = B1.h1.
7. Ulangilah langkah 5 untuk berbagai besar tekanan dalam ruang udara pada pipa kecil P1. Dalam hal ini volumenya menjadi V1.
8. Masukkan data P1.V1 dengan mengikuti format berikut ini.
Diskusi:
1. Buatlah grafik P1 kontra V1!
2. Apa yang dapat disimpulkan dari percobaan yang telah kalian lakukan? Manometer terbuka Pompa
Pipa
plastik Air warnapembatas Pentil
Bab 8 Teori Kinetik Gas
&#
Vx-Vx Gambar 8.6 Momentum molekul pada waktu terpantul dari dinding.