Pembelajaran Persamaan Keadaan Gas dengan Pemodelan
AGISTASINTIADEWIADILA1), SUTOPO2,*), ERABUDIPRAYEKTI2)Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang
E-MAIL: agistasintia24@gmail.com
ABSTRAK:Pemahaman konsep persamaan keadaan gas diperlukan untuk memahami berbagai fenomena yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Namun, pada kenyataannya masih banyak siswa yang belum sepenuhnya memahami konsep persamaan keadaan gas dengan baik. Kesulitan umum yang dialami siswa berkaitan dengan konsep: (1) tekanan, suhu dan volume merupakan besaran makroskopis sedangkan gerak partikel dan energi kinetik merupakan besaran mikroskopis (2) makroskopis: jika ada kenaikan suhu maka tekanan akan membesar (3) mikroskopis: jika ada kenaikan suhu maka energi kinetik partikel bertambah gerak partikel semakin cepat kekuatan partikel yang menumbuk dinding wadah semakin besar (tekanan yang dialami wadah semakin besar) (4) mikroskopis: semakin sempit volumenya maka partikel akan semakin sering menumbuk dinding wadah (5) ukuran partikel akan tetap seperti semula walaupun partikel tersebut dipanaskan atau didinginkan. Untuk memfasilitasi siswa memahami konsep persamaan keadaan gas dengan baik maka peneliti merancang pembelajaran materi persamaan keadaan gas dengan pemodelan.
Kata Kunci: Pemodelan, persamaan keadaan gas, pemahaman konsep.
PENDAHULUAN
Salah satu tujuan pembelajaran fisika adalah membekali siswa agar dapat memahami konsep fisika dan menggunakannya untuk menjelaskan fenomena-fenomena yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari serta mengembangkan kecakapan sains siswa. Seringkali, siswa belum memahami suatu konsep fisika karena tidak memahami aplikasi dari suatu konsep tersebut. Cara yang tepat untuk memahami konsep fisika adalah dengan mengidentifikasi suatu fenomena (NRC, 2012; Docktor et al, 2015). Sehingga, fenomena merupakan hal yang penting untuk memahami suatu konsep.
Pokok bahasan Teori Kinetik Gas merupakan topik yang banyak berkaitan dengan fenomena di kehidupan sehari-hari dan lebih mudah dipahami jika memahami persamaan keadaan gas (PV=nRT) terlebih dahulu. Fenomena yang berkaitan dengan persamaan keadaan gas adalah meletusnya ban sepeda motor karena panas, sistem pernafasan manusia, cara kerja bekam dan penyoknya botol plastik jika dimasukkan kedalam kulkas. Hasil pengidentifikasian fenomena-fenomena tersebut menghasilkan pemahaman konsep hubungan antar variabel keadaan persamaan keadaan P,V, dan T terutama secara makroskopis(Wiebe & Stinner, 2010; Kautz et al, 2005a).
Kesulitan memahami konsep persamaan keadaan gas dialami oleh mahasiswa dan guru. Mahasiswa sering rancu antara model mikroskopis dan proses makroskopis dalam memahami besaran termodinamika tersebut (Kautz et al, 2005a). Sebagian besar guru tidak menggunakan persamaan keadaan gas secara lengkap untuk menjelaskan fenomena alam yang terkait (Sutopo, 2010). Jika guru dan mahasiswa yang memiliki jenjang pendidikan lebih tinggi daripada siswa belum memahami persamaan keadaan gas dengan baik maka dapat diduga bahwa siswa SMA juga mengalami kesulitan dalam konsep tersebut.
yang ditemukan (NRC, 2012). Jika siswa melakukan kedelapan kecakapan sains maka dapat dipastikan siswa memahami konsep fisika dengan baik.
Kesulitan memahami konsep dan rendahnya kecakapan sains siswa terhadap persamaan keadaan gas dapat diatasi dengan pemodelan. Pemodelan yang dirujuk adalah pemodelan matematis karena pemodelan matematis merupakan tema sentral dalam pembelajaran fisika(Hestenes 1987; Wells et al, 1995).
PEMODELAN
Pemodelan merupakan strategi pembelajaran yang didasari oleh pendekatan inquiry. Strategi pembelajaran dengan pemodelan mengajak siswa untuk memahami dunia fisika dengan cara membangun model, mengevaluasi model dengan data atau teori, dan mengaplikasikan model pada situasi nyata, Pembelajaran pemodelan mencakup 6 komponen penting. Komponen pertama, membangun pemahaman dengan mengkonstruksi dan menggunakan model sains untuk mendeskripsikan, menjelaskan, memprediksi, mendesain dan mengkontrol fenomena nyata. Kedua, membekali siswa dengan konsep dasar untuk memodelkan benda nyata dan prosesnya. Ketiga, membiasakan siswa berpikir bahwa model dasar sebagai inti dari konteks fisika. Keempat, menyesuaikan model yang didapatkan dengan teori. Kelima, membandingkan model dengan data empirik (mengevaluasi). Keenam, mengembangkan keterampilan memodelkan objek sebagaiprocedural core(Hestenes, 1987; Wells et al, 1995).
Etkina et al (2006), model merupakan bentuk penyederhanaan dari sebuah objek atau fenomena; sebuah model dapat berupa deskripsi atau penjelasan. Selain itu, model digunakan untuk menggambarkan pemahaman seseorang terhadap sistem (atau sebagian dari sistem) dalam penyelidikan (NRC, 2012). Penelitian yang menggunakan model telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti. Wells et al (1995) melaporkan bahwa pemodelan terbukti dapat meningkatkan pemahaman siswa dibandingkan dengan metode kooperatif dan pembelajaran konvensional. Schwarz et al (2009) meneliti bagaimana model berguna untuk menjelaskan fenomena sains. Etkina & Planinsic (2015) melakukan pemodelan suatu fenomena gaya apung agar siswa berfikir tingkat tinggi dan dapat membuat hipotesis hingga menemukan sebuah model konseptual. Model konseptual memudahkan kita untuk membayangkan dan memahami suatu fenomena. Salah satu model konseptual adalah pemodelan matematis (NRC 2012).
GARIS BESAR PEMBELAJARAN PERSAMAAN KEADAAN GAS DENGAN PEMODELAN
Gambar 1. Garis Besar Pembelajaran
Pemodelan TekananGas
Tekanan gas dipengaruhi oleh 3 besaran yaitu jumlah partikel, suhu dan volume. Pertambahan jumlah partikel dan penyusutan volume menyebabkan partikel gas sering bertumbukan dengan dinding wadah sedangkan kenaikan suhu menyebabkan semakin kerasnya tumbukan partikel gas dengan dinding wadah.
1. Pemodelan Hubungan Tekanan dan Jumlah Partikel
Frekuensi dinding ditumbuk partikel-partikel gas bergantung pada banyaknya partikel-partikel gas yang ada dalam wadah. Jika volume wadah dan kecepatan gerakan partikel-partikel gas dipertahankan tetap maka semakin banyak jumlah partikel menyebabkan semakin sering (frekuensi) dinding wadah ditumbuk. Semakin seringnya partikel gas menumbuk dinding wadah menyebabkan tekanan membesar (Aydeniz et al, 2012). Sehingga pemodelan matematis antara tekanan dengan jumlah partikel adalah berbanding lurus (P ~ N). Karena N pada umumnya sangat besar, ingat: 1 mol O2 (memiliki massa 32 gram) memuat 6,02 x 1023 molekul. Untuk mempermudah memahaminya maka jumlah partikel Ndinyatakan dalam mole yaitun.
Pemodelan hubungan tekanan dan jumlah partikel dapat disimulasikan dengan meminta 10 siswa bertindak sebagai partikel gas yang bergerak dalam wadah. Kesepuluh siswa melakukan simulasi berdasarkan instruksi guru yaitu bergerak lurus dengan kecepatan konstan sampai bertumbukan dengan dinding ruang atau teman yang lain. Setelah itu, meminta 5 siswa bergerak didalam ruangan yang sama. Frekuensi terjadinya tumbukan pada 10 siswa lebih banyak daripada 5 siswa. Itu berarti semakin banyak jumlah partikel maka semakin banyak (sering) partikel gas yang menumbuk dinding wadah. Semakin sering partikel menumbuk dinding maka tekanan yang dihasilkan semakin besar (Robertson, 2005).
Praktek pembelajaran hubungan antara tekanan dan jumlah partikel sering diabaikan (Sutopo, 2010). Didalam fenomena alam jumlah partikel yang berubah-ubah dapat mempengaruhi tekanan, suhu maupun volume. Jadi, jumlah partikel merupakan besaran yang penting dalam persamaan keadaan gas.
2. Pemodelan Hubungan Antara Tekanan dan Volume
sebelumnya. Itu berarti semakin sempit ruang gerak partikel maka semakin semakin sering partikel gas yang menumbuk dinding wadah (Robertson, 2005).
Volume gas adalah besarnya volume ruangan yang ditempati oleh partikel-partikel gas. Jumlah partikel-partikel dan perubahan suhu tidak menyebabkan volume gas membesar atau menyusut karena partikel gas akan tetap memenuhi ruang walau volume gas besar atau kecil/sempit (tidak berlaku pada benda yang volumenya bisa berubah dengan mudah misal balon).
3. Pemodelan Hubungan Tekanan dan Suhu Gas
Semakin tinggi kenaikan suhu maka semakin besar kecepatan gerak partikel gas. Pemodelan matematis antara suhu dengan kecepatan gerak partikel gas adalah berbanding lurus (T ~ v). Semakin besar kecepatan gerak partikel gas maka semakin keras dinding wadah ditumbuk karena gaya impuls yang diberikan ke dinding semakin besar. Hasilnya tekanan yang dikenakan pada dinding wadah semakin besar. Pemodelan matematis antara kecepatan gerak partikel gas dengan tekanan adalah berbanding lurus (P~ v). Sebagaimana diketahui, suhu gas merupakan representasi makroskopis dari energi kinetik rata-rata tiap partikel gas. Energi kinetik rata-rata menunjukkan kecepatan gerak partikel gas (Wiebe & Stinner, 2010; Kautz et al, 2005b). Sehingga didapatkan tekanan berbanding lurus dengan suhu (P ~T).
Pemodelan hubungan tekanan dan suhu dapat disimulasikan dengan demonstrasi menetesi pewarna makanan kedalam air panas dan air dingin. Jika pewarna diteteskan ke dalam air maka pewarna tersebut akan tercampur merata dengan sendirinya. Pergerakan tetesan pewarna yang tersebar merata ini merupakan bukti bahwa partikel air selalu bergerak. Bila partikel air tidak bergerak, maka pewarna makanan hanya jatuh kedasar gelas dan tidak tercampur merata dengan air. Tetapi kenyataannya pewarna makanan tersebar merata didalam air. Penyebabnya adalah partikel air bergerak menumbuk partikel tetesan pewarna makanan yang juga bergerak merata ke air. Penjelasan lainnya adalah partikel-partikel zat pewarna menumpang molekul air. Gerakan partikel bewarna menandakan adanya gerakan molekul-molekul air. Semakin panas air maka penyebaran pewarna makanan semakin cepat (Robertson 2002).
4. Pemodelan Hubungan Antara Tekanan, Volume, Jumlah Partikel dan Suhu
Berdasarkan pemodelan matematis yang telah didapatkan sebelumnya maka pemodelan matematis tersebut dapat dijadikan menjadi satu kesatuan. Pemodelan yang diperoleh sebelumnya antara lain: P ~n, P ~1/V, P ~T. Jika disatukan menjadi P . Untuk menyempurnakan kesebandingan tersebut menjadi persamaan maka diperlukan konstanta yaitu R sebesar 8,315 J/mol.K. Nilai konstanta R pada semua gas adalah sama. Karena alasan inilah, R disebut konstanta gas universal. Sehingga persamaan tersebut menjadiPV=nRT (persamaan keadaan gas ideal).Gas ideal adalah gas dimana persamaan keadaan gas ideal tepat berlaku untuk seluruh tekanan dan suhu. Dalam praktik sehari-hari, persamaan gas ideal diterapkan pada gas nyata yang memiliki tekanan sangat rendah dan suhu sangat tinggi, ketika partikel gas terpisah jauh, dan dalam gerakan yang cepat. Persamaan keadaan gas ini juga sangat baik (dengan toleransi hanya beberapa persen) pada tekanan sedang (sekian atm saja) dan pada suhu jauh diatas titik cair gas (Young & Freedman, 2008; Serway & Jewett, 2014).
KESIMPULAN
Berdasarkan uraian di depan, untuk memfasilitasi siswa memahami konsep-konsep persamaan keadaan gas diperlukan pemodelan. Inti dari pembelajaran ini adalah mengkonstruksi fenomena alam menjadi pemodelan matematis. Pemodelan persamaan keadaan gas didapatkan melalui simulasi besaran mikroskopis (gerak partikel dan energi kinetik) yang kemudian dikaitkan dengan besaran makroskopis. Pengkaitan kedua besaran dikarenakan pengamatan fenomena yang terjadi merupakan besaran makroskopik (tekanan, suhu dan volume). Namun demikian perlu dilakukan penelitian sistematis untuk menguji dugaan tersebut.
DAFTAR RUJUKAN
Aydeniz, Mehmet. 2012. Argumentation and Student s Conceptual Understanding of Properties and Behaviors of Gases. International Journal of Science and Mathematics Education, 10: 1303Y1324
Bouwma-Gearhart, J., Stewart, J. & Brown, K. 2009. Student Misapplication of a Gas-like Model to Explain Particle Movement in Heated Solids: Implications for Curriculum and Instruction towards Students' Creation and Revision of Accurate Explanatory Models. International Journal of Science Education Vol. 31, No. 9, pp. 1157 1174
Etkina. E, Warren A, Gentile. M. 2006. The Role of Models in Physics Instruction. The Physics Teacher, 40: 34-39
Etkina. E, Planin i , Gorazd. 2015. Defining and Developing Critical Thinking Through Devising and Testing Multiple Explanations of the Same Phenomenon. Research Gate
Hestenes, D. 1987. Toward a Modeling Theory of Physics Instruction. American Journal of Physics. 5 (5), 440-454.
Kautz, C. H., Heron, P. R. L., Loverude, M. E. & McDermott, L. C. (2005a). Student Understanding of the Ideal Gas Law, part I: A Macroscopic Perspective. American Journal of Physics, 73: 1055 1063.
Kautz, C. H., Heron, P. R. L., Shaffer, P. S. & McDermott, L. C. (2005b). Student Understanding of the Ideal Gas Law, part II: A Microscopic Perspective. American Journal of Physics, 73: 1064 1071.
NRC. 2012. A Framework for K-12 Science Education. United States of America: National Academy Press
Robertson, William C. 2005. Stop Faking It! Finally Understanding Science So You Can Teach It : Air, Water,& Weather. United States of America: National Science Teachers Association
Robertson, William C. 2002. Stop Faking It! Finally Understanding Science So You Can Teach It : Energy. United States of America: National Science Teachers Association Schwarz, Christina V. 2009. Developing a Learning Progression for Scientific Modeling:
Wiebe, R. & Stinner, A. (2010). Using Story to Help Students Understanding of Gas Behavior. Interchange, 41(4), 347 361
