BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Besaran yang menyatakan derajat panas dan dingin suatu benda disebut suhu. Suhu juga dapat dinyatakan sebagai ukuran energi kinetik molekuler internal rata-rata sebuah benda. Sederhananya, suhu digunakan sebagai pembeda antara panas dan dingin suatu benda. Sebuah benda jika dipanaskan maupun didinginkan, akan mengalami perubahan suhu pada sebagian sifat fisisnya. Perubahan sifat fisis diakibatkan adanya perubahan suhu dinamakan sifat termometrik. Maka perubahan suhu dapat ditunjukkan melalui perubahan sifat termometrik (Tipler, 1998).
Suhu merupakan salah satu besaran yang memiliki pengaruh dalam bidang fisika, kimia dan biologi. Namun, apresiasi penuh terhadap kompleksitas suhu dan pengukurannya relatif lambat berkembang. Secara intuitif, orang sudah mengetahui tentang suhu sejak lama dengan menyatakan api itu panas dan salju itu dingin. Pengetahuan yang lebih dalam diperoleh saat manusia mencoba bekerja menggunakan logam selama zaman perunggu dan besi. Secara mikroskopis, suhu menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran.
Semakin tinggi energi atom-atom penyusun benda, maka semakin tinggi suhu benda tersebut (Kreith, 1991).
Termometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur suhu.
Untuk dapat mengkuantitatifkan hasil pengukuran suhu dengan menggunakan termometer maka diperlukan skala-skala tertentu. Penetapan skala yang terpenting adalah penetapan titik tetap bawah dan titik tetap atas sebagai titik acuan pembuatan skala-skala dalam termometer. Untuk penetapan titik tetap bawah sebuah termometer pada umumnya dipilih titik beku air murni pada tekanan normal, yaitu suhu campuran antara es dan air murni pada tekanan normal. Sedangkan penetapan titik tetap atas sebuah termometer umumnya
dipilih titik didih air murni, yaitu suhu ketika air murni mendidih pada tekanan normal (Kreith, 1991).
Terdapat empat macam skala termometer yang biasa digunakan, yaitu Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin. Titik tetap bawah untuk skala Celcius dan Reamur ditetapkan pada skala 0 °C dan 0 °R, sedangkan untuk Fahrenheit ditetapkan pada skala 32 °F. Adapun titik tetap atas ketiga skala ini berbeda-beda, dimana untuk Celcius ditetapkan pada 100 °C, untuk Reamur ditetapkan pada 80 °R, dan untuk Fahrenheit ditetapkan pada 212 °F.
Pada skala Kelvin, titik tetap bawah ketiga skala termometer ini bersesuaian dengan skala 273 K dan titik tetap atasnya bersesuaian dengan 373 K. Khusus untuk skala Kelvin, titik tetap bawah tidak didasarkan pada titik beku air, namun didasarkan pada ukuran energi kinetik rata-rata molekul suatu benda.
Dalam hal ini, nol Kelvin dinamakan nol mutlak, artinya tidak ada suhu-suhu di bawah suhu nol mutlak, atau ketika nilai suhu mendekati nilai nol mutlak, maka energi kinetik rata-rata partikel mempunyai suatu nilai yang minimum.
Oleh karena itu, berdasarkan fakta-fakta tersebut, maka skala Kelvin dinamakan skala suhu mutlak. Kelvin menjadi satuan Standar SI untuk besaran pokok suhu (Kreith, 1991).
Konsep suhu nol mutlak diperkenalkan oleh William Thomson (Lord Kelvin) melalui serangkaian percobaan yang telah dilakukan untuk seluruh gas, nilai yang diperoleh adalah -273,15 °C. Hal ini menunjukkan bahwa untuk menghasilkan volume gas yang bernilai nol, gas dapat didinginkan hingga -273,15 °C namun pada suhu gas yang lebih rendah volume gas akan bernilai negatif. Hal ini tentu saja tidak masuk akal, penelitian lain juga mengindikasikan hal yang demikian. Sehingga suhu nol mutlak dijadikan sebagai dasar untuk suhu yang dikenal sebagai skala mutlak atau skala Kelvin yang sampai saat ini digunakan secara luas dalam bidang sains. Dinyatakan dalam derajat Kelvin, suhu nol mutlak -273,15 °C sama dengan 0 K. Suhu nol mutlak digunakan untuk mengukur jumlah energi kinetik dalam materi tertentu. Suhu nol mutlak menunjukkan gerakan minimum dari partikel suatu zat. (Giancoli, 2001).
Suhu nol mutlak dapat diperoleh melalui beberapa metode, salah satunya dengan menggunakan Hukum Gay Lussac. Hukum Gay Lussac menyatakan jika volume gas pada sistem tertutup dibuat konstan, maka tekanan gas berbanding lurus dengan suhu gas. Apabila suhu gas semakin tinggi maka tekanan gas akan semakin besar demikian juga sebaliknya. Suhu nol mutlak tidak secara langsung dapat diperoleh melalui pengukuran. Melalui penerapan Hukum Gay Lussac, hasil pengukuran suhu gas dan tekanan gas dianalisis melalui perhitungan sehingga diperoleh nilai suhu nol mutlak.
Salah satu eksperimen pada mata kuliah praktikum Termofisika yang terkait dengan Hukum Gay Lussac adalah Percobaan Boyle-Gay Lussac.
Tujuan eksperimen tersebut dilakukan adalah untuk menentukan hubungan antara tekanan, volume, dan suhu pada gas namun tidak sampai pada pengukuran suhu nol mutlak. Dalam percobaan tersebut, dilakukan pengukuran volume, tekanan dan suhu awal dari gas dalam tabung udara.
Kemudian tabung udara dimasukkan ke dalam wadah air panas yang menyebabkan gas dalam tabung udara memuai sehingga tinggi air dalam pipa mengalami perubahan. Maka volume, tekanan, dan suhu dapat diukur.
Dengan demikian hubungan antara volume, tekanan, dan suhu dapat dianalisis (Santosa, 2017). Boyle-Gay Lussac set tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu nol mutlak. Pada percobaan, tekanan berbanding terbalik dengan volume. Ketika tekanan semakin kecil maka volume akan semakin besar, hal ini ditandai dengan kenaikan air raksa di dalam pipa U. Karena pipa U memiliki batas volume maksimum maka tidak dapat mengukur perubahan tekanan yang terlalu kecil.
Selain itu pada penelitian lain, pengukuran suhu nol mutlak menggunakan metode Hukum Gay Lussac pernah dilakukan oleh Nelson Kilmer dan Joel D.
Krehbiel. Dengan membuat volume konstan, perubahan suhu akan mengakibatkan perubahan tekanan. Percobaan yang dilakukan menggunakan sensor tekanan dan sensor suhu. Di mana sensor tekanan dihubungkan dengan labu erlenmeyer tertutup sedangkan sensor suhu diletakkan pada beaker glass berisi air yang dipanaskan dengan mengasumsikan bahwa suhu di luar labu
erlenmeyer sama dengan suhu di dalam erlenmeyer. Kemudian dengan bantuan software Logger Pro data dapat dianalisis (Kilmer, 2019).
Dengan mengacu pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, penelitian ini bertujuan untuk menentukan suhu nol mutlak dengan menganalisis hubungan suhu gas terhadap tekanan gas. Penelitian terdahulu memberikan pengalaman untuk mengembangkan penelitian dalam menentukan suhu nol mutlak. Dalam penelitian ini digunakan sensor suhu dan sensor tekanan yang berukuran relatif kecil sehingga fleksibel dalam penggunaannya dan menghasilkan nilai ukur akurat yang dapat ditampilkan langsung oleh komputer. Pengembangan penelitian ini terkait dengan ketelitian dalam menyusun rangkaian percobaan. Diawali dengan memastikan sistem tertutup tidak mengalami kebocoran, kemudian untuk menghasilkan data yang lebih akurat, sensor tekanan akan dihubungkan langsung pada labu erlenmeyer menggunakan selang, sensor suhu juga akan dihubungkan dan dimasukkan ke dalam labu erlenmeyer sebagai sistem tertutup sehingga yang diamati adalah hubungan tekanan gas terhadap suhu gas dalam sistem tertutup. Data hasil pengukuran tekanan gas dan suhu gas kemudian akan dianalisis sehingga diperoleh nilai suhu nol mutlak.
Penelitian ini dapat diterapkan dalam bidang pendidikan maupun bidang penelitian pada kalangan sekolah menengah atas dan perguruan tinggi.
Penelitian ini dapat digunakan untuk meningkatkan ketelitian dalam memahami persamaan yang digunakan terkait dengan Hukum Gay Lussac yang akan membawa pada pemahaman bahwa melalui pengukuran suhu gas dan tekanan gas kemudian dianalisis menggunakan persamaan diperoleh nilai suhu nol mutlak. Penelitian ini juga ingin menunjukkan adanya koreksi untuk nilai suhu dikarenakan adanya perbedaan suhu dalam sistem tertutup sehingga perlu memperhitungkan nilai suhu ruangan selama percobaan berlangsung.
Penerapan Hukum Gay Lussac tanpa memperhitungkan nilai suhu ruangan memiliki jumlah mol yang sama diseluruh sistem, sedangkan dengan memperhitungkan nilai suhu ruangan memiliki jumlah mol yang berbeda.
Penelitian ini juga relatif mudah untuk dilakukan karena alat dan bahan yang
digunakan umumnya tersedia di laboratorium dengan mempertimbangkan ruangan penelitian yang digunakan sebaiknya tertutup untuk meminimalisir input pengganggu seperti suhu dan tekanan dari luar sistem tertutup.