SOAL PENGAYAAN
5.1 Tekanan Gas
Gas mengerahkan tekanan pada setiap permukaan yang bersentuhan dengannya, karena molekul gas terus bergerak. Kita manusia secara fisiologis telah beradaptasi dengan baik terhadap tekanan udara di sekitar kita yang biasanya tidak kita sadari, mungkin seperti ikan yang tidak sadar terhadap tekanan air pada dirinya.
Sangat mudah untuk menunjukkan tekanan atmosfer. Salah satu contoh dalam kehidupan sehari-hari adalah kemampuan untuk minum cairan melalui sedotan. Udara yang terhisap mengurangi tekanan di dalam sedotan. Tekanan atmosfer yang lebih besar pada cairan akan mendorong cairan untuk menggantikan udara yang telah tersedot keluar.
Satuan Tekanan menurut SI
Tekanan adalah salah satu sifat gas yang paling mudah terukur. Untuk memahami bagaimana kita mengukur tekanan gas, akan sangat membantu untuk mengetahui
bagaimana satuan pengukuran ini diturunkan. Kita mulai dengan kecepatan dan percepatan.
Kecepatan didefinisikan sebagai perubahan jarak per satuan waktu; yaitu, kecepatan = perubahan jarak
waktu
Satuan SI untuk kecepatan adalah m/s, meskipun kita juga menggunakan cm/s. Percepatan adalah perubahan kecepatan per satuan waktu, atau
percepatan = perubahan kecepatan waktu
Percepatan diukur dalam m/s2 (atau cm/s2).
Hukum kedua gerak, dirumuskan oleh Sir Isaac Newton pada akhir abad ketujuh belas, mendefinisikan istilah lain, darimana satuan tekanan diturunkan, yaitu gaya; Menurut hukum ini,
gaya = massa × percepatan
Dalam konteks ini, satuan SI untuk gaya adalah newton (N), di mana 1 N = 1 kg m/s2
Akhirnya, kita mendefinisikan tekanan sebagai gaya yang dikenakan per satuan luas: tekanan = gaya
luas
Satuan SI dari tekanan adalah pascal (Pa), didefinisikan sebagai satu newton per meter persegi:
1 Pa = 1 N/m2
Tekanan Atmosfer
Atom-atom dan molekul-molekul gas dalam atmosfer, seperti semua materi lainnya, dipengaruhi oleh tarikan gravitasi Bumi. Akibatnya, atmosfer jauh lebih rapat di dekat permukaan bumi dibandingkan dengan daerah yang memiliki ketinggian jauh di atas permukaan bumi. (Udara luar di kabin dari sebuah pesawat bertekanan 9 km terlalu tipis untuk dihirup.) Bahkan, kerapatan udara menurun sangat cepat dengan meningkatnya jarak dari Bumi. Pengukuran menunjukkan bahwa sekitar 50 persen atmosfer menempati daerah hingga ketinggian 6,4 km dari permukaan bumi, 90 persen menempati hingga 16 km, dan 99 persen menempati hingga 32 km. Tidak mengherankan, semakin rapat udara, semakin besar tekanan yang diberikannya. Gaya yang dialami oleh area yang terkena atmosfer bumi sama dengan berat kolom udara di atasnya. Tekanan atmosfer adalah tekanan yang diberikan oleh atmosfer bumi
(Gambar 5.1). Nilai aktual dari tekanan atmosfer tergantung pada lokasi, temperatur, dan kondisi cuaca.
Gambar 5.1 Sebuah kolom udara membentang dari permukaan laut ke atas atmosfer.
Apakah tekanan atmosfer hanya bertindak ke bawah, seperti yang mungkin Anda simpulkan dari definisinya? Bayangkan apa yang akan terjadi kemudian, jika Anda memegang erat selembar kertas dengan kedua tangan di atas kepala Anda. Anda mungkin berharap kertas menekuk karena tekanan udara yang bekerja padanya, tapi ini tidak terjadi. Alasannya adalah bahwa udara, seperti air, adalah fluida. Tekanan yang diberikan pada objek fluida datang dari segala penjuru-bawah dan ke atas, serta dari kiri dan dari kanan. Pada tingkat molekuler, tekanan udara dihasilkan dari tumbukan antara molekul-molekul udara dan setiap permukaan apapun yang bersentuhan dengannya. Besarnya tekanan tergantung pada seberapa sering dan seberapa kuat molekul menabrak permukaan. Ternyata molekul yang menabrak kertas dari atas sama dengan yang dari bawah, sehingga kertas tetap datar.
Bagaimana tekanan atmosfer diukur? Barometer adalah instrumen yang mungkin paling familier untuk mengukur tekanan atmosfer. Barometer sederhana terdiri dari sebuah tabung kaca panjang, ditutup pada salah satu ujungnya dan diisi dengan merkuri. Jika tabung dengan hati-hati dibalik dalam wadah merkuri sehingga tidak ada udara yang masuk tabung, beberapa merkuri akan mengalir keluar dari tabung ke dalam piringan, menciptakan kekosongan di bagian atas (Gambar 5.2). Berat dari merkuri yang tersisa di dalam tabung didukung oleh tekanan atmosfer bekerja pada permukaan air raksa dalam piringan. Tekanan atmosfer standar (1 atm) sama dengan tekanan yang mendukung kolom merkuri tepatnya setinggi 760 mm (atau 76 cm) pada 0°C di atas permukaan laut. Dengan kata lain, atmosfer standar sama dengan tekanan 760 mmHg, di mana mmHg merupakan tekanan yang diberikan oleh kolom air raksa setinggi 1 mm. Satuan mmHg juga disebut torr, setelah ilmuwan Italia Evangelista Torricelli, yang menemukan barometer. Maka,
1 torr = 1 mmHg dan
1 atm = 760 mmHg (tepat) = 760 torr
Hubungan antara atmosfer dan pascal adalah
Kolom Udara
1 atm = 101.325 Pa = 1,01325 × 105 Pa dan karena 1000 Pa = 1kPa (kilopascal)
1 atm = 1,01325 × 102 kPa
Gambar 5.2 Sebuah barometer untuk mengukur tekanan atmosfer. Di atas merkuri dalam tabung adalah
ruang hampa. (Ruang sebenarnya mengandung jumlah yang sangat kecil dari merkuri uap.) Kolom merkuri didukung oleh tekanan atmosfer.
Manometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan gas selain di
atmosfer. Prinsip kerjanya mirip dengan barometer. Ada dua jenis manometer, ditunjukkan pada Gambar 5.3. Manometer tabung tertutup biasanya digunakan untuk
Tekanan di luar pesawat jet terbang yang sedang terbang tinggi, jatuh secara tiba-tiba di bawah tekanan atmosfer standar. Oleh karena itu, udara di dalam kabin harus ditekan untuk melindungi penumpang. Berapa tekanan di atmosfer dalam kabin jika pembacaan barometer menunjukkan 672 mmHg?
Strategi Karena 1 atm = 760 mmHg , faktor konversi berikut ini diperlukan untuk mendapatkan tekanan di atmosfer
1 atm 760 mmHg
Solusi Tekanan di dalam kabin adalah
tekanan = 672 mmHg × 1 atm
760 mmHg = 𝟎, 𝟖𝟖𝟒 𝐚𝐭𝐦
Cek Karena pembacaan barometer kurang dari 760 mmHg, maka tekanan seharusnya kurang dari 1 atm.
Latihan Konversikan 749 mmHg ke atmosfer
mengukur tekanan di bawah tekanan atmosfer [Gambar 5.3 (a)], sedangkan manometer tabung terbuka lebih cocok untuk mengukur tekanan yang sama dengan atau lebih besar dari tekanan atmosfer [Gambar 5.3 (b)].
Hampir semua barometer dan kebanyakan manometer menggunakan merkuri sebagai fluida kerja, meskipun faktanya merkuri adalah zat beracun dengan uap berbahaya. Alasan penggunaan merkuri karena merkuri memiliki kerapatan sangat tinggi (13,6 g/mL) dibandingkan dengan kebanyakan cairan lainnya. Karena ketinggian cairan dalam kolom berbanding terbalik dengan kerapatan cairannya, sifat ini memungkinkan membuat barometer dan manometer yang berukuran kecil.
Gambar 5.3 Dua jenis manometer yang digunakan untuk mengukur tekanan gas. (a) Tekanan gas yang
lebih kecil dari tekanan atmosfer, (b) Tekanan gas yang lebih besar dari tekanan atmosfer.