Rangkuman Materi tentang Gas Ideal, Hubungan Gas Ideal(Ilmu Fisika) dengan Ilmu Kimia

NAMA : SITI FATIMAH INDAH SARI NIM     : ACC 115 036

 

Rangkuman Materi Tentang Gas Ideal

A.     Gas Ideal

a.       Gas Ideal – Diskripsi Makroskopik

Misalkan sebuah massa nM  dari suatu gas dibatasi di dalam sebuah wadah yang volumenya, V ; M adalah berat molekular ( gram / mol ) dan n adalah banyaknya mol. Massa jenis p dari gas tersebut adalah nM/V dan jelaslah bahwa kita dapat mereduksi ρ baik dengan memindahkan sebagian gas dari wadah ( dengan mereduksi n ) atau dengan menaruh gas tersebut didalam sebuah wadah yang lebih besar ( dengan memperbesar V ). Kita medapatkan dari eksperimen bahwa, pada kerapatan yang cukup rendah, maka semua gas, bagaimanapun komposisi kimia nya, cenderung memperlihatkan sebuah hubungan sederhana yang tertentu diantara variabel-variabel termodinamika p, V, dan T. Hal ini menyarankan konsep mengenai suau gas ideal ( ideal gas ), yakni gas yang akan mepunyai sifat sederhana yang sama di bawah sama kondisi. Didalam bagian ini kita meberikan sebuah definisi makoskofik atau definisi termodinamika dari suatu gas ideal.

Dibrikan sebah massa nM dari suatu gas didalam keadaan kesetimbangan termal maka kita dapat mengukur tekanannya p, tempraturnya T, dan volumenya V. Untuk nilai – nilai kerapatan yang cukup rendah maka eksperimen memperlihatkan bahwa (1) untuk sebuah massa gas yang diberikan yang dipegang pada suatu tempratur kostan, maka tekanan adalah berbanding terbalik dengan volume ( hukum Boyle ) dan ( 2 ) untuk sebuah massa gas yang diberikan yang dipegangpada suatu tekanan konstan, maka volume adalah berbanding langsung dengan tempratur (  hukum Charles dan Gay Lussac ). Persaamaan :

pV  = sebuah konstanta ( untuksebuah massa gas yang tetap ).                                   ( a -1 )

 T

                       

      Voluem yang ditempati oleh suatu gas pada suatu tekanan dan tempratur yang diberikan adalah sebanding dengan massnya. Jadi, konstanta didalam persamaan a- 1 haruslah juga sebanding dengan massa gas. Kita menuliskan konstanta didalam persamaan (a-1)  sebagai nR, dengan n adalah banyaknya mol gas dan R adalah sebuah konstanta yang harus ditentukan dengan eksperimen untuk setiap gas. Pengharapan kita bahwa kesederhanaan akan muncul jika kita membandingkan gas – gas dengan menggunakan basis molar memang dapt dibenarkan karena eksperimen memperlihatkan bahwa, pada keapatan yng cukup rendah , R mempunyai nilai yang sama untuk seua gas, yakni :

                  R = 8,314 j/mol K = 1,986 kal/mol K

R dinamakan konstatanta gas universal, maka persamaan a-1 sebagai

                              pV = nRT                                                                                 ( a – 2 )

dan kta mendefinian suatu gas ideal sebagai gas yang menuruti huunga ini dibawah semua kondisi. Tida ada gas yang betul –betul merupakan gas ideal, tetapi gas ideal tersebut tetap merupakan sebuuah konsep sederhana da berguna yang dihubungkan dengan keadaan yang sebenarnya oleh kenyataan bahwa sifat semua gas riel akan mendekati abstraksi sifat gas ideal jika kerapatan gas adalah cukup rendah. Persamaan a-2 dinamakan persamaan keadaan dari suatu gas ideal.

      Jika kita dapat mengisi tabun sebuah termometer gas bervolume konstan ( yang ideal) dengan suatu gas ideal, maka kita melihat dari persamaan a-2  bahwa kita dapat mendefinisikan temperatur dengan menyatakannya didalam pembacaan-pembacaan tekanan, yakni :

T = 273, 16 K p                       ( gas ideal )

                                                   p_tr

Di sini p_tr adalah tekanan gas pada titik tripel, pada mana temperatur T_tr menurut definisi adalah 273,16 K. Di dalam raktek ini harus mengisi termometer dengan suatu gas riel dan mengukur temperatur dengan mengektrapoasikan ke kerapatan no dengan menggunakan persamaan

T = 273, 16 K lim    p              ( gas iriel)

                                                    p_{tr →0}p_tr

sekiranya kita memunyai suatu gas ideal yang tersedia ( yng memang kita tidak mempunyainya ), maka ekploitasiterebut tidak akan perlu.

b.      Gas Ideal – Definisi mikroskofik

Dari segi pandangan mikroskopik maka kita mendefinisikan suatu gas ideal dengan membuat anggapan-anggapan yang berikut ; yang akan merupakan tugas kita adalah memakaikan hukum-hukum mekanika klasik secara statistik kepada atom-atom gas dan memeperlihatkan bahwa definisi mikroskopik kita adalah sesuai (konsisten) dengan definisi makroskopik dari bagian yang terdahulu.

1.      Suatu gas terdiri dari partikel-partikel, yang dinamakan moekul-molekul. Bergantung pada gas tersebut, maka setiap molekul akan terdiri dari sebuah atom atau sekelompok atom. Jika gas tersebut adalah sebuah elemen atau suatu persenyawaan dan berada didalam suatu keadaan stabil, maka kita akan meninjau semua molekulnya sebagai molekul-moekul yang identik.

2.      Molekul-molekul bergerak secara serampangan dn menuruti hukum-hukum gerak newton. Molekul-molekul bergerak di dalam semua arah dan dengan berbagai laju. Di dalam menghitung sifat-sifat gerakan, maka kita menganggap bahwa mekanika Newton  dapat dipakai pada tingkat mikroskopik. Seperti semua anggapan kita, maka anggapan yang satu ini akan dapat bertahan atau gagal bergantunng pada apakah hasil-hasil eksperimental yang diramalkan oleh anggapan ini benar atau tidak.

3.      Jumlah seluruh molekul adalah besar. Arah dan laju gerakan dari setiap molekul dapat berubah secara tiba-tiba karena tumbuan dengan dinding atau dengan molekul lain. Setiap molekul khas akan menuruti sebuah jalan yang berliku-liku karena tumbukan –tumbukan ini. Akan tetapi, karena banyaknya  molekul maka kita menganggap bahwa jumlah besar tumbukan yang dihasilkan akan mempertahankan distribusi kecepatan molekular secara keseluruhan dan keserempanan gerakakan.

4.      Volume molekul-molekul adalah pecahan kecil yang dapat dibaikan dari volume-volume yang ditempatioleh gas tersebut. Walaupun jumlahnyamolekul sangat banyak, namun molekul-molekul tersebut adalah sangat kecil sekali. Kita mengetahui bahwa volume yang ditempati oleh suatu gas dapat diubah melalui suatu jangkauan nilai yang besar dengan kesukaran yang kecil, dan bahwa bila suatu gas mengembun maka volume yang ditempati oleh cairan tersebut dapat beribu-ribu kali lebih kecil dari pada volume yang ditempati oleh gas. Maka, anggapan yang kita buat adalah masuk akal. Kelak kita akan menyelidiki ukuran yang sebenarnya dari molekul dan kita akan melihat apakah kita perlu mengubah anggapan ini.

5.      Tidak ada gaya-gaya yang cukup besar (appreciable forces) yang bereaksi pada molekul-molekul kecuali selama tumbukan. Sampai taraf dimana anggapan ini benar maka sebuah molekul akan bergerak dengan kecepatan uniform diantara tumbukan-tumbukan.  Karena kita telah menganggap bahwa molekul-molekul adalah besar dibandingkan terhadap ukuran sebuah molekul. Maka, kita menganggap bahwa jangkauan pengaruh gaya – gaya molekular tersebut dapat disamakan (dapat dibandingkan) dengan ukuran molekular.

6.      Tumbukan-tubukan adalah elastik dan tumbukan-tumbukan terjadi didalam waktu yang sangat singkat       . tumbukan-tumbukan antara molekul-molekul dan diantara molekul dengan dinding-dinding wadah akan mempertahankan kekekalan mmentum dan juga (kita menganggap) akan mempertahankan kekekalan tenaga kinetik. Karena waktu tumbukan (collision time) dapat diabaikan dibandingkan terhadap waktu yang dihabiskan oleh sebuah molekul diantara tumbukan-tumbukan , maka tenaga kinetik yang diubah menjadi tenaga potensial selama tumbukan tersebut akan tersedia sekali lagi sebagai tenaga kinetik setelah waktu yang begitu singkat sehingga kita dapat mengabaikan pertukaran tenaga ini seluruhnya.

c.       Syarat Gas Ideal

Gas ideal merupakan gas yang memenuhi asumsi-asumsi berikut :

1.      Suatu gas terdiri atas molekul-molekul yang disebut molekul. Setiap molekul identik (sama) sehingga tidak dapat dibedakan dengan molekul lainnya.

2.      Molekul-molekul gas ideal bergerak secara acak ke segala arah.

3.      Molekul-molekulgas ideal tersebar merata di seluruh bagian.

4.      Jarak antara molekul gas jauh lebih besar daripada ukuran molekulnya.

5.      Tidak ada gaya interaksi antarmolekul; kecuali jika antarmolekul saling bertumbukan atau terjadi tumbukan antara molekul dengan dinding.

6.      Semua tumbukan yang terjadi baik antarmolekul maupun antara molekul dengan dinding merupakan tumbukan lenting sempurna dan terjadi pada waktu yang sangat singkat (molekul dapat dipandang seperti bola keras yang licin).

7.      Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku pada molekul gas ideal.

d.      Hukum - Hukum Gas Ideal

1.       Hukum Boyle Mengenai Gas

Eksperimen kuantitatif pada gas, pertama kali dilakukan oleh seorang saintis asal irlandia bernama Robert Boyle.

.

Dengan tabung berbentuk J yang ditutup pada bagian ujungnya (seperti pada gambar), ia memasukkan raksa cair (Hg), kemudian diukur tekkanan yang diterima gas di dalam tabung dan volume dari gas. Kemudian dalam tabung J ditambahkan lagi raksa cair, sehingga tekanan dalam gas dalam tabung meninggkat dan volume gas dalam tabung semakin kecil. Pengukuran ini dilakukan hingga diperoleh beberapa data dari eksperimen Boyle.

.

Dari eksperimen Boyle ini, diperoleh kesimpulan berupa adanya konstanta yang dinyatakan dalam persamaan matematis berikut:
PV = k
yang disebut   hukum Boyle  dimana k merupakan konstanta.
Penggunaan paling penting dari hukum Boyle ini ialah untuk memprediksi volume suatu gas ketika tekanannya berubah, ataupun sebaliknya.

2.       Hukum Charles Mengenai Gas

Setelah penemuan Boyle mengenai gas, seorang saintis asal Perancis bernama Jacques Charles melakukan eksperimen lain mengenai gas. Charles ialah orang pertama yang mengisi ballon udara dengan hidrogen dan yang pertama melakukan perjalanan dengan balon udara.
Charles melakukan percobaan dengan mengamati perubahan volume terhadap temperatur pada tekanan konstan. Ia menemukan bahwa pada tekanan konstan, volume gas meningkat secara linear dengan peningkatan temperatur. Seperti terlihat pada grafik pengamatan hukum charles berikut: 

Yang menarik dari grafik ini ialah, fakta bahwa ketika volume gas mendekati nilai nol, temperatur gas berada pada -273 derajat Celcius. Fakta ini memberikan satu pengukuran standard untuk temperatur yaitu Kelvin (K), yang mana 0 K = -273oC. Sehingga:
K=oC+273
Fakta ini memberikan kesimpulan bahwa volume gas nol dicapai ketika temperatur 0K atau pada temperatur absulute zero (nol absulut).
Jadi hukum Charles menyatakan bahwa volume gas berubah secara linier sesuai perubahan temperatur. Dalam persamaan matematis dinyatakan:
V = bT
yang mana b merupakan konstanta proporsional gas.

3.       Hukum Avogadro mengenai Gas

Pada tahun 1811, seorang kimiawan asal italia bernama Avogadro menyatakan sebuah postulat bahwa pada volume, temperatur, dan tekanan yang sama, gas akan memiliki  jumlah partikel yang sama.
Jika dinyatakan dalam persamaan matematis, hukum avogadro ialah:

V= an

dimana a= konstanta proporsional gas dan n ialah jumlah partikel dalam gas.
Hukum Avogadro mengenai gas menyatakan bahwa pada temperatur dan tekanan konstan, volume gas akan berbanding lurus secara proporsional dengan jumlah mol dari gas tersebut.

4.       Hukum gas idealmerupakan kombinasi dari Hukum Boyle, Hukum Charles dan Hukum Avogadro.

Hubungan yang menunjukkan bagaimana volume gas bergantung pada tekanan, temperatur dan jumlah mol gas dapat ditunjukkan oleh persamaan matematis:

Dimana R adalah konstanta gas universal. Nilai dari R ialah 0.08206 L atm/K mol. Persamaan diatas lebih dikenal lagi dengan bentuk:

Hukum Gas ideal adalah persamaan keadaan untuk gas, dimana kondisi gas pada waktu tertentu dideskripsikan oleh persamaan matematis. Hukum gas ideal ini merupakan persamaan empiris yang telah diuji untuk beberapa gas. Gas yang mengikuti hukum gas ideal ini disebut gas ideal. Hukum gas ideal dapat digunakan untuk menyelesaikan berbagai permasalahan terutama mengenai sifat gas.

e.       Tekanan (P):

        Tekanan adalah besarnya gaya yang berkerja tiap satuan luas. Gas adalah zat yang sifatnya peka terhadap tekanan ataupun suhu. Bila tekanan berubah, maka volume berubah demikian juga kerapatan. Untuk tekanan gas biasanya digunakan satuan atmosfer (atm). Untuk mengukur tekanan digunakan barometer air raksa.

1 atmosfer= 76 cm Hg.

f.       Volume Gas (V)

       Di antara zat padat, zat cair, maka gaslah yang paling mudah  dimanfaatkan. Artinya, volume gas sangat dipengaruhi oleh tekanan. Karena sifat molekul gas yang mudah mengisi ruangan, maka yang dimaksud volume (isi) adalah seluruh ruangan yang ditempati gas tersebut.

g.       MOE/MOL:
         1 mol adalah banyak gram suatu unsur atau molekul yang besarnya sama dengan angka massa atom relatif (Ar) atau massa angka molekul relatif (Mr)nya.
Ar C =12; 1 mol C = 12 gram n mol unsur = n Ar gram.Mr N₂O = 18; 1 N₂O = 12 gram n mol senyawa n = n Mr gram.

h.      Bilangan Avogadro (N_A):
        Menunjukkan banyak  atom dalam 1 mol unsur atau banyaknya molekul dalam 1 mol suatu senyawa.
N_A= 6,02 × 10²³
1 mol C mengandung  6,02 × 10²³ atom C.
1 mol N₂O mengandung 6,02 × 10²³ molekul N₂O.

i.        Kapasitas Panas Jenis Gas
        Terdiri dari:
Kapasitas panas jenis pada tekanan tetap (C_p)
Kapasitas panas jenis pada volume tetap (C_v)

  

j.        Tekanan Standar
       Tekanan yang diberikan oleh suatu kolom air raksa tinggi 76 cm padan 0^0 C (〖273〗^0 K), harganya mendekati rata-rata atmosfer di permukaan laut, disebut 1 atmosfer (atm).
a atm = 1,013 × 10⁵ Pa
keadaan standar menunjukkan temperatur sebesar 0^0 C (〖273〗^0 K)  tekanan 1 atmosfer.

  

k.      Konstanta Gas Universal (R)
      Hukum-hukum gas sempurna untuk tiap 1 mol
P. V = R. T
Dimana:P = Tekanan (Pa)
              V= Volume (m^3)
               T= Suhu ( ⁰K)
               R= Tetapan gas (Joule K^(-1) mol^-1)

B.     Gas Ideal dalam Ilmu Fisika dihubungkan dengan ilmu kimia

        Gas ideal secara umum dalam ilmu Fisika merupakan kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Sedangkan dalam ilmu kimia gas ideal adalah gas hipotetis yang perilaku tekanan-volume-suhunya dapat dijelaskan secara lengkap melalui persamaan gas ideal. Adapun persamaan gas ideal menerangkan hubungan antara ke-empat variabel P,V,T, dan n. Jika ditinjau dari teori gas ideal dalam Ilmu Fisika dan Ilmu Kimia ternyata terdapat hubungan yang saling berkaitan yaitu Ilmu Fisika menyatakan bahwa hampir semua gas yang stabil secara kimia, bersifat ideal, jika keadaannya jauh dari keadaan dimana gas itu dapat mengembun atau bahkan membeku. Dan dalam Ilmu Kimia persamaan gas ideal menerangkan hubungan antara ke-empat variabel P,V,T, dan n, dimana variabel tersebut digunakan dalam Ilmu Fisika pada persamaan Van Der Walls dalam Hukum gas sempurna untuk n mol

gas yaitu P.V = n.R.T.
        Hubungan lainnya yaitu dalam teori Ilmu Fisika partikel-partikel gas ideal itu selalu bergerak secara acak kesegala arah dan teori kinetik molekul gas dalam Ilmu Kimia mengasumsikan bahwa molekul-molekul gas bersifat ideal, jumlah molekul sangat besar dan seluruh gerakannya adalah acak. Perilaku Fisis gas ideal diterangkan oleh persamaan gas ideal. 

C.    Fenomena Gas Ideal Dalam Kehidupan Sehari-Hari

• ·         Botol menjadi kempes setelah di masuki air panas

Pernahkan anda memasukkan air panas kedalam botol? Misalnya anda pergi kekebun dengan membawa sebuah kopi dan kopi tersebut anda masukan ke dalam sebuah botol. Tanpa anda sadari botol yang berisi air kopi hangat itu mengalami kempes, seperti tersedot bukan? Jika anda tidak mengetahui itu tentu saja anda akan mengabaikan begitu saja. Bila anda penasaran kenapa hal itu bisa terjadi? Ternyata ini bisa di jelaskan di dalam teori gas ideal.

Pada saat anda memasukkan kopi hangat pada botol kemudian menutupnya segera dan pergi kekebun. Selama anda di perjalanan suhu pada kopi hangat anda sedikit-sedikit akan turun menyesuaikan dengan lingkungan di sekitarnya. Turunnya suhu pada kopi ini menyebabkan rumus gas ideal bekerja. Yaitu adalah ketika suhu turun menyebabkan tekanan di dalam botol menjadi turun. Nah hal itulah yang menyebabkan botol kopi anda menjadi kempes atau seperti tersedot.

• ·         Pompa sepeda

Contoh sederhana lagi tentang gas ideal. Pernahkah anda memompa sepeda atau motor anda dengan pompa manual? Pernahkan anda memegang body pompa setelah anda selesai menggunakan pompa? Jika anda pernah memegang pompa tersebut anda akan merasakan panas. Yup benar, panas! Kenapa?
Saat anda memompa sepeda, udara dari dalam pompa di paksa masuk pada ban sepeda anda. tahukah anda bahwa pentil sepeda itu lubangnya kecil. Saat anda memaksa udara dari pompa menuju ban menyebabkan udara di dalam pompa menjadi tertekan karena harus bergantian masuk pada ban melalui lubang pentil yang sempit. Tekanan yang tinggi di dalam pompa ini menyebabkan udara yang keluar dari mulut pentil sangat cepat hingga menyebabkan ada bunyi “ngiik” saat anda memompa. Ini juga termasuk salahsatu contoh sederhana dari rumus Debit (Q = Av). Nah tekanan ini lah yang menyebabkan suhu pada body pompa menjadi naik.