Teori Kinetik Gas [PDF]

Citation preview

MAKALAH KIMIA FISIKA TEORI KINETIK GAS



Disusun Oleh: Joshua Geovanie G. S. Zulfi Rachmadi Muhammad Fajar A. F. Amin Rani Milenia Koloay



(1801097) (1801137) (1801142) (1801144) (1801174)



FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MANADO 2017



A. Teori Kinetik Gas Teori Kinetik Gas merupakan cabang ilmu fisika yang menjelaskan tentang sifat-sifat gas dengan menggunakan hukum-hukum Newton tentang gerak berdasarkan gerak acak partikel/molekul penyusun gas yang berlangsung terus menerus Setiap benda, baik cairan, padatan, maupun gas tersusun atas atom-atom, molekulmolekul, atau partikel-partikel. Oksigen, nitrogen, hidrogen, uap air, bahkan udara di sekitar kita merupakan contoh gas. Sifat-sifat gas dapat dibedakan menjadi sifat makroskopis dan sifat mikroskopis.  



Sifat makroskopis seperti temperatur, tekanan, dan volume. Sifat mikroskopis seperti kelajuan, massa tiap-tiap partikel penyusun inti, momentum, serta energi yang dikaitkan dengan tingkah laku partikel gas.



Teori Kinetik (atau teori kinetik pada gas) berupaya menjelaskan sifat-sifat makroskopis gas, seperti tekanan, suhu, atau volume, dengan memperhatikan komposisi molekular mereka dan gerakannya. Intinya, teori ini menyatakan bahwa tekanan tidaklah disebabkan oleh gerakan vibrasi (getaran) di antara molekul-molekul, seperti yang diduga Isaac Newton, melainkan disebabkan oleh tumbukan antarmolekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda-beda. Teori Kinetik dikenal pula sebagai Teori Kinetik-Molekular atau Teori Tumbukan. Dengan demikian, teori kinetika gas membahas sifat-sifat gas berdasarkan gerak acak partikelnya yang berlangsung terus menerus. Adapun gas yang akan dibahas adalah gas ideal, yaitu gas yang secara tepat memenuhi hukum-hukum gas



B. Gas Ideal Gas yang akan kita bahas di sini adalah gas ideal. Gas ideal sebenarnya tidak ada di alam. Gas ideal merupakan penyederhanaan atau idealisasi dari gas yang sebenarnya (gas nyata) dengan membuang sifat-sifat yang tidak terlalu signifikan sehingga memudahkan analisis. Namun orang dapat menciptakan kondisi sehingga gas nyata memiliki sifat-sifat yang mendekati sifat-sifat gas ideal. Sifat-sifat gas pada tekanan rendah dan suhu kamar mendekati sifat-sifat gas ideal, sehingga gas tersebut dapat dianggap sebagai gas ideal. Sifat-sifat gas ideal adalah sebagai berikut. 1. Terdiri atas partikel (atom atau molekul) yang jumlahnya besar 2. Partikel-partikel tersebut tersebar merata dalam seluruh ruang 3. Partikel-partikel tersebut bergerak acak ke segala arah 4. Jarak antar partikel jauh lebih besar dari ukuran partikelnya 5. Tidak ada gaya interaksi antar partikel kecuali bila bertumbukan 6. Semua tumbukan (antar partikel atau dengan dinding) bersifat lenting sempurna dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat 7. Hukum Newton tentang gerak berlaku



C. Persamaan Umum Gas Ideal Dalam pembahasan keadaan gas, ada tiga besaran yang saling berhubungan. Besaranbesaran tersebut adalah tekanan (P), volume (V), dan temperatur mutlak (T). Hubungan ketiga besaran ini telah dipelajari dan diteliti oleh para ilmuwan. Untuk mengetahui



bagaimana hubungan ketiga variabel tersebut, mari kita pelajari beberapa hukum mengenai gas ideal. 1. Hukum Boyle Seorang ilmuwan yang menyelidiki hubungan volume dengan tekanan gas adalah Robert Boyle. Boyle telah menyelidiki hubungan tekanan dan volume gas dalam ruang tertutup pada temperatur tetap. Boyle menemukan bahwa : “Jika suhu yang berada dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas”. Hukum ini kemudian dikenal sebagai Hukum Boyle. Secara matematis, Hukum Boyle dituliskan dalam bentuk : P V = konstan atau P₁ V₁ = P₂ V₂ Keterangan: P1 = Tekanan awal (N/m²) P2 = Tekanan akhir (N/m²) V1 = Volume awal (m3) V2 = Volume akhir (m3) Dari persamaan Hukum Boyle tersebut, hubungan tekanan dan volume pada temperatur tetap dapat digambarkan dalam bentuk grafik seperti Gambar disamping. Proses isotermal (Suhu tetap) Jika tekanan diturunkan, volume gas akan naik. Sebaliknya, jika tekanan dinaikkan, volume gas akan mengecil Contoh Penerapan Hukum Boyle Salah satu penerapan prinsip hukum Boyle dapat dilihat pada semprotan obat nyamuk. Pompa berfungsi untuk mengubah volume gas dalam tabung semprotan. Saat pompa digerakkan ke kanan maka volume gas akan mengecil dan tekanan gas meningkat. Tekanan gas yang besar keluar melalui ujung tabung dan membuat cairan pada pipa tandon tersemprot keluar. Sedangkan ketika pompa ditarik kearah kiri maka volume gas semakin besar dan tekanan gas dalam tabung menjadi menurun.



Contoh Soal Suatu gas dengan volume 2 m³ berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) yang suhunya dijaga tetap, tekanan mula-mula gas tersebut adalah 2 Pa. Jika tekanannya dinaikkan menjadi 4 Pa, tentukan besar volumenya ? Penyelesaian : Diketahui : V₁ = 2 m³ P₁ = 2 Pa P₂ = 4 Pa Ditanya : V₂ = … ? Jawab : P₁ V₁ = P₂ V₂ P₁ V₁ 2x2 = = 1 m³ P₂ 4 Jadi besar volumenya menjadi 1 m³ V₂ =



2. Hukum Charles Berdasarkan penyelidikannya, Jacques Charles menemukan bahwa: “Jika gas dalam ruang tertutup tekanannya dijaga konstan maka volume gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya” Pernyataan Charles ini dikenal sebagai Hukum Charles dan dituliskan dalam bentuk persamaan :



𝑽 = 𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏 𝑻 𝑽₁ 𝑽₂ = 𝑻₁ 𝑻₂ Grafik hubungan volume dan temperatur pada tekanan tetap Keterangan: V1 = Volume awal (m3) V2 = Volume akhir (m3) T1 = Suhu awal (K) T2 = Suhu akhir (K) Jika suhu gas biasanya dinyatakan dalam t℃, suhu mutlak T menggunakan satuan Kelvin (K) dinyatakan dengan persamaan : T = t + 273



Contoh Soal Tekanan suatu gas dengan volume 3 m³ yang berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) dijaga tetap. Suhu mutlaknya mula-mula 100 K. Jika volumenya diubah menjadi 6 m³, hitunglah besar suhu mutlaknya ? Penyelesaian: Diketahui : V₁ T₁ V₂ Ditanya : T₂ Jawab :



= 3 m³ = 100 K = 6 m³ =…?



V₁ V₂ = T₁ T₂ V₂ T₁ 6 x 100 = = 200 K V₁ 3 Jadi suhu mutlaknya adalah 200 K T₂ =



3. Hukum Gay Lussac Seorang ilmuwan bernama Joseph Gay Lussac, telah menyelidiki hubungan tekanan dan temperatur gas pada volume tetap. Gay Lussac menyatakan: “Jika gas dalam ruang tertutup volumenya dijaga konstan maka tekanan gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya”. Pernyataan ini disebut Hukum Gay Lussac yang dituliskan dalam bentuk persamaan berikut:



𝑷 = 𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏 𝑻 𝑷₁ 𝑷₂ = 𝑻₁ 𝑻₂ Keterangan: P1 = Tekanan awal (N/m²) (Grafik tekanan dan temperatur pada volume tetap) P2 = Tekanan akhir (N/m²) T1 = Suhu awal (K) T2 = Suhu akhir (K)



hubungan



Contoh Penerapan Peristiwa yang berkaitan dengan pernyataan tersebut adalah botol pengharum ruangan yang dipanaskan. Semakin tinggi suhu botol saat dipanaskan maka semakin besar pula tekanan gas dalam botol sehingga menyebabkan botol akhirnya meledak



4. Hukum Boyle - Gay Lussac Ketiga hukum keadaan gas yang telah kita pelajari, yaitu hukum Boyle, hukum Charles, dan hukum Gay Lussac dapat digabungkan menjadi satu persamaan. Hasil gabungan ketiga hukum tersebut dikenal sebagai hukum Boyle - Gay Lussac. Hukum Boyle-Gay Lussac menyatakan hubungan antara suhu, tekanan dan volume gas. Hukum ini dinyatakan dalam bentuk persamaan :



𝑷𝑽 = 𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏 𝑻 𝑷₁𝑽₁ 𝑷₂𝑽₂ = 𝑻₁ 𝑻₂



Keterangan: P ₁ = Tekanan awal (N/m²) P ₂ = Tekanan akhir (N/m²) V ₁ = Volume awal (m³) V ₂ = Volume akhir (m³) T ₁ = Suhu awal (K) T ₂ = Suhu akhir (K)



Contoh Soal Suatu gas ideal sebanyak 4 liter memiliki tekanan 1,5 atmosfer dan suhu 27 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 : P₁V₁ P₂V₂ = T₁ T₂ 1,5 x 4 P₂ x 3,2 = 300 320 P₂ =



1,5 x 4 x 320 = 2 atm 300 x 3,2



Persamaan Gas Ideal



PV = nRT Keterangan : P = tekanan gas (N/m2 = Pa) V = volume gas (m3) n = jumlah mol gas (mol) T = suhu gas (K) R = konstanta umum gas = 8,31 J/mol K (apabila P dalam Pa atau N/m2, V dalam m3, dan n dalam kmol = 0,082 L atm/mol K (apabila P dalam atm, V dalam liter, n dalam mol)



Untuk menentukan n dapat menggunakan 2 rumus berikut : Atau



Keterangan :



m = Massa gas M = Massa molekul relatif N = Jumlah partikel gas NA = Bilangan Avogadro (6,02 x 1023 mol) Persamaan umum gas ideal tersebut di atas dapat juga dinyatakan dalam bentuk : Jika persamaan kita substitusikan ke persamaan PV = nRT akan diperoleh persamaan N PV = RT Nₐ Jika k =



R Nₐ



maka



R



PV = N ( ) T ⟹ 𝐏𝐕 = 𝐍𝐤𝐓 Nₐ k = Konstanta Boltzman (1,38 x 10-23 J/K )



Contoh Soal Gas dalam ruang tertutup yang bervolume 20.000 liter dan suhu 27℃ memilki tekanan 10 atm. Tentukan jumlah mol gas yang berada dalam ruang tersebut ? Penyelesaian: Diketahui: V T P Ditanya : n



= 20.000 liter = 27 ℃ = 27 + 273 = 300 K = 10 atm =…?



Jawab: PV = nRT



n=



PV 10 x 20000 200000 = = = 8.130,081 mol RT 0,082 x 300 24,6