Difusi
si asap jalan-jalan ke mana ya ? Ada lagi contoh yang lain… Pernah pakai parfum ? ya pernah dong gurumuda, masa ya pernahlah Walaupun dirimu nyemprot parfum di kamar pribadi, masilnya, ibu atau ayah mu di kamar sebelah bisa ikut2an menikmati keharuman parfum kesayanganmu… Pacar kesayangan yang lagi nunggu di ruang tamu juga bisa kebagian rejeki… wah, harumnya pacarku… malam mingguannya pasti asyik neh 
hiks2… Kalau ibu lagi memasak makanan yang lezat dan mengundang selera di dapur, aroma masakan bisa dirasakan dari rumah tetangga… Mengapa bisa demikian ya ? Masih banyak contoh lain… kalau dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, biasanya tinta atau pewarna makanan akan menyebar secara merata ke seluruh air… ingat ya, hal ini terjadi secara otomatis… kelihatannya sepele, tetapi sangat mengagumkan…
DIFUSI
Contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya merupakan beberapa peristiwa difusi yang sering kita alami dalam kehidupan sehari-hari… Difusi tuh apaan sich ? sejenis gorengan-kah ? Difusi tuh proses berpindahnya molekul-molekul zat dari tempat yang berkonsentrasi tinggi menuju tempat yang berkonsentrasi rendah… Yang dimaksudkan dengan konsetrasi di sini adalah banyaknya molekul/mol zat per volume. Tempat yang berkonsentrasi tinggi adalah tempat di mana terdapat banyak molekul zat per volume. Sebaliknya tempat yang berkonsetrasi rendah adalah tempat di mana terdapat sedikit molekul atau bahkan tidak ada molekul per volume.
Ketika dirimu membakar sampah, biasanya konsentrasi asap di sekitar tempat pembakaran sampah cukup tinggi… Ketika seseorang merokok, tempat di sekitar ujung rokok yang terbakar biasanya memiliki konsetrasi asap yang tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul asap secara otomatis menyebar dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Molekul-molekul asap yang pada mulanya ngumpul bareng akhirnya tercerai berai ke segala arah…
Ketika dirimu menyemprot parfum ke tubuh, tempat di mana parfum tersebut disemprot memiliki konsentrasi yang tinggi… karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul parfum bergerak dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Pacar kesayangan yang lagi menunggu di ruang tamu pun kebagian rejeki… Seandainya molekul-molekul parfum tidak sampai pada tempat di mana pacarmu berada, tentu saja pacarmu tidak bisa menikmati harumnya parfum kesayanganmu…
Ketika dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, bagian air yang pertama kali ditetesi tinta atau pewarna makanan biasanya memiliki konsentrasi yang lebih tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi maka molekul-molekul tinta atau molekul-molekul pewarna makanan menyebar ke seluruh bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Proses difusi akan terhenti setelah konsentrasi molekul tinta dalam semua bagian air sama.
Perlu diketahui bahwa proses difusi bisa dijelaskan menggunakan teori kinetic (Teori kinetic mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari molekul-molekul dan molekul-molekul tersebut bergerak terus menerus secara acak). Untuk lebih memahami hal ini, gurumuda menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…
Anggap saja ini gambar sebuah wadah yang berbentuk silinder, di mana semua bagian wadah penuh terisi air. Karena ditetesi tinta, maka air yang berada di permukaan wadah memiliki konsentrasi yang lebih tinggi daripada air yang ada di bagian dasar…
C1 adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi tinggi, sedangkan C2 adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Untuk mempermudah analisis maka kita hanya meninjau gerakan molekul-molekul tinta pada bagian tengah silinder (delta x).
Jumlah molekul-molekul tinta pada C1 lebih banyak (konsentrasi tinggi) daripada molekul-molekul tinta pada C2 (konsentrasi rendah). Karena molekul-molekul tinta bergerak terus menerus secara acak, maka molekul-molekul tinta yang berada di C1 mempunyai kemungkinan yang lebih besar untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Sebaliknya, jumlah molekul-molekul tinta yang berada di C2 sangat sedikit sehingga mempunyai kemungkinan yang sangat kecil untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Dengan demikian, akan ada aliran total molekul-molekul tinta dari C1 menuju C2… Nah, sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh seorang ahli fisiologi yang bernama om Adolf Fick (1829-1901), ditemukan bahwa laju difusi sebanding alias berbanding lurus dengan perbedaan konsentrasi (C2-C1). Semakin besar perbedaan konsentrasi, semakin besar laju aliran molekul-molekul zat. Sebliknya, semakin kecil perbedaan konsentrasi, semakin kecil laju aliran molekul-molekul zat. Hal ini mungkin sesuai dengan dugaan kita bahwa perbedaan konsentrasi turut mempengaruhi laju aliran molekul-molekul…
Catatan :
Selain berpindah tempat dengan cara difusi, molekul-molekul zat (khususnya zat gas) juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain menggunakan bantuan angin.
Penerapan Difusi dalam kehidupan sehari-hari
Seandainya tidak ada difusi, pacar kesayangan tidak bisa menikmati harumnya parfummu. Tanpa difusi, aroma masakan ibu di dapur yang lezat dan mengundang selera juga tidak bisa membuyarkan lamunanmu dan pingin secepatnya menghabiskan santapan bergizi yang tersedia di meja makan hiks2… Masih banyak contoh lain… Btw, difusi juga memiliki peran yang sangat penting bagi kelangsungan hidup manusia, hewan, tumbuhan dkk…
Tumbuh-tumbuhan biasanya membutuhkan karbondioksida (CO2) untuk melakukan fotosintesis. Karena terdapat perbedaan konsentrasi CO2 antara bagian dalam daun dengan udara luar, maka molekul-molekul CO2 berbondong-bondong mengungsi ke dalam daun. Si CO2 berdifusi ke dalam daun melalui stomata… lega rasanya, kata daun. Untung ada difusi, kalau tidak diriku bisa mati karena kekurangan CO2 Sebaliknya, uap air dan oksigen berdifusi keluar…
Selain tumbuhan, kucing, tikus dkk juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… Kalau tumbuhan membutuhkan CO2 untuk melakukan fotosintesis, maka kucing, tikus dkk membutuhkan oksigen untuk setiap reaksi yang menghasilkan energi… agar bisa tiba dengan selamat dalam sel-sel maka molekul-molekul oksigen tentu saja menggunakan cara difusi…
Perubahan wujud, Penguapan, Pendidihan, Kelembaban
perhatikan dedaunan di sekitar rumahmu… Aneh ya, malamnya tidak ada hujan, pagi hari tetes-tetes air bergentayangan di dedaunan. Tuh jatuhnya dari langit keberapa ya … Konon katanya air yang dipanaskan di puncak gunung lebih cepat mendidih. Sebaliknya air yang dipanaskan di tepi pantai lebih lama mendidih… itu sich konon katanya. Kalau menurutmu bagaimanakah ? sebaiknya dibuktikan saja… ajak beberapa temanmu untuk melakukan pembuktian. Pinjam termometer dari laboratorium sekolah atau beli saja di toko. Terus siapkan juga alat masak memasak. Wah, kayanya lebih seru kalau ngajak dengan pacar kesayangan juga neh… Minggu ini jalan-jalan ke pantai, minggu berikutnya jalan-jalan ke puncak. Sambil menyelam minum air (bisa tenggelam dunk), sambil rekreasi dirimu dan dirinya melakukan percobaan fisika… gunakan alat masak memasak untuk memanaskan air… Jangan lupa masukan termometer ke dalam air, sehingga suhu air bisa diketahui. Pada saat air mulai mendidih, biasanya air raksa dalam termometer tidak jalan-jalan lagi… Catat suhu air ketika terjadi proses pendidihan… bandingkan hasil percobaanmu di tepi pantai dan di puncak.
GAS RIIL DAN PERUBAHAN WUJUD
Pada pembahasan mengenai hukum gas ideal, gurumuda sudah menjelaskan kepada dirimu bahwa hukum gas ideal hanya bisa menggambarkan perilaku gas riil secara akurat hanya ketika tekanan dan kerapatan gas riil tidak terlalu besar. Apabila tekanan dan kerapatan gas riil cukup besar, hukum gas ideal sudah tidak memberikan hasil yang akurat. Demikian juga ketika suhu gas riil mendekati titik didih. Hal ini sebenarnya berkaitan dengan interaksi yang terjadi antara molekul-molekul gas riil. Ingat ya, tekanan gas biasanya berbanding terbalik dengan volume gas. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas biasanya menjadi lebih kecil. Karena volume gas kecil, maka jarak antara molekul-molekul gas menjadi lebih dekat… Biar dirimu paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…
Titik hitam mewakili molekul-molekul gas. Gambar ini disederhanakan menjadi dua dimensi. Anggap saja ini gambar 3 dimensi… volume kotak = panjang x lebar x tinggi. Volume kotak bisa dianggap sebagai volume gas. Btw, ini cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya, molekul-molekul gas tidak diam seperti titik dalam kotak. Molekul-molekul gas selalu bergerak… Nah, ketika volume kotak cukup besar, jarak antara molekul cukup jauh (gambar kiri). Sebaliknya, ketika volume kotak menjadi kecil, jarak antara molekul menjadi lebih dekat (gambar kanan). Pada saat jarak antara molekul menjadi lebih dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Mirip seperti ketika dirimu mendekatkan sepotong besi pada magnet. Kalau jarak antara magnet dan besi cukup jauh, magnet tidak bisa menarik besi. Tapi kalau jarak antara magnet dan besi dekat, si besi langsung ditarik semakin dekat. Ini cuma ilustrasi saja… dirimu jangan membayangkan molekul seperti magnet dan besi. Kalau magnet dan besi saling nempel, molekul tidak saling nempel Kasusnya beda… Jadi molekul-molekul gas berprilaku seperti magnet dan besi dalam ilustrasi di atas… ketika jarak antara molekul cukup dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Adanya gaya tarik ini yang menyebabkan jarak antara molekul semakin dekat (volume gas semakin kecil). Biasanya hal ini terjadi pada saat tekanan gas cukup besar (Tekanan besar, volume kecil. Volume kecil, jarak antara molekul semakin dekat). Karenanya jangan pake heran kalau hukum gas ideal tidak memberikan hasil yang akurat ketika tekanan dan kerapatan gas riil cukup besar…
Diagram Tekanan vs Volume
Untuk lebih memahami persoalan di atas, mari kita tinjau diagram yang menyatakan hubungan antara tekanan dan volume gas. Tataplah diagram di bawah dengan penuh kelembutan…
Kurva 1, 2, 3 dan 4 menunjukkan perilaku gas yang sama pada suhu yang berbeda. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 1 lebih tinggi dari kurva 2. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 2 lebih tinggi dari kurva 3. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 3 lebih tinggi dari kurva 4. Kurva tuh garis miring yang ada di tengah diagram… ingat ya, suhu gas selalu tetap… yang berubah hanya tekanan (P) dan volume (V) gas…
Silahkan perhatikan kurva 1′ dan 2′… Menurut hukum gas ideal, garis yang dimulai dari angka 1 harus berakhir di angka 1′. Demikian juga garis yang dimulai dari angka 2 harus berakhir di angka 2′ (ingat lagi grafik PV hukum om Boyle, pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas). Kenyataan yang dialami oleh gas riil tidak sesuai dengan ramalan hukum gas ideal. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas menjadi lebih kecil dan menyimpang dari ramalan hukum gas ideal (bandingkan dengan kurva 1 dan kurva 2). Besarnya penyimpangan volume gas juga bergantung pada suhu. Jika suhu gas lebih rendah dan mendekati titik cair alias titik didih (titik b), gas biasanya mengalami penyimpangan volume yang lebih besar dibandingkan ketika suhunya lebih tinggi (bandingkan kurva 1, 2, 3 dan 4). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya tarik antara molekul-molekul gas, seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya…
Kurva 3 pada diagram di atas menunjukkan perilaku suatu zat pada suhu kritisnya. Titik c yang dilalui kurva 3 dikenal dengan julukan titik kritis… Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu kritis, wujud gas tidak bisa berubah menjadi wujud cair walaupun diberikan tekanan yang sangat besar (bandingkan dengan kurva 2 dan kurva 1). Tekanan yang diberikan hanya membuat volume gas menjadi semakin kecil, tetapi tidak bisa mengubah wujud gas menjadi cair… Sebaliknya, pada suhu yang lebih rendah dari suhu kritisnya, wujud gas akan berubah menjadi cair jika diberikan tekanan tertentu (bandingkan dengan kurva 3). Besarnya tekanan yang bisa mengubah wujud gas menjadi cair pada suhu kritis dikenal dengan julukan tekanan kritis. Setiap zat memiliki suhu kritis dan tekanan kritis yang berbeda…
| Zat | Suhu Kritis (oC) | Tekanan Kritis (atm) |
| Helium (He) | -267,9 | 2,3 |
| Hidrogen (H2) | -239,9 | 12,8 |
| Nitrogen (N2) | -147 | 33,5 |
| Oksigen (O2) | -118 | 50 |
| Karbondioksida(CO2) | 31 | 72,8 |
| Air (H2O) | 374 | 218 |
Kurva 4 pada diagram di atas menunjukkan proses perubahan wujud dari gas menjadi cair. Luasan yang diarsir (menyerupai gunung ) merupakan daerah di mana wujud gas dan wujud cair berada dalam kesetimbangan. Mula-mula volume gas cukup besar… setelah tekanan gas bertambah, volume gas menjadi semakin kecil hingga mencapai titik b (titik b adalah titik cair alias titik didih). Ketika tiba di titik b, gas mulai berubah wujud menjadi cair… Selama proses perubahan wujud dari gas menjadi cair (dari titik b hingga titik a), volume zat menjadi semakin kecil walaupun tidak ada penambahan tekanan (ditandai dengan garis lurus). Pada titik a, semua gas telah berubah wujud menjadi cair… Setelah tiba di titik a, penambahan tekanan pada zat hanya mengakibatkan perubahan volume yang sangat kecil (ditandai dengan bentuk kurva yang sangat curam).
Dalam kehidupan sehari-hari, kita seringkali menggunakan istilah uap dan gas… misalnya uap air atau gas nitrogen. Hampir tidak pernah kita menyebut uap air sebagai gas air, walaupun uap air sebenarnya merupakan wujud gas dari air. Demikian juga dengan nitrogen, oksigen dkk… nitrogen atau oksigen biasa disebut sebagai gas… Gas dan uap memiliki makna yang berbeda. Apabila wujud gas dari suatu zat berada di bawah suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai uap. Sebaliknya, jika wujud gas dari suatu zat berada di atas suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai gas. (bandingkan dengan diagram PV dan tabel suhu kritis di atas).
Diagram Tekanan vs Suhu (Diagram Fase)
Sebelumnya gurumuda sudah menjelaskan perilaku zat, menggunakan diagram Tekanan vs Volume. Selain menggunakan diagram PV, perilaku zat bisa dijelaskan menggunakan diagram Tekanan (P) vs Suhu (T). Diagram PT biasa disebut sebagai diagram fase… disebut diagram fase karena diagram ini digunakan untuk membandingkan fase alias wujud zat (fase = wujud. Jangan pake bingung)…
Salah satu zat yang sering mengalami perubahan wujud adalah air… Karenanya, gurumuda menggunakan contoh diagram fase air saja, biar dirimu lebih nyambung…
Tataplah diagram di atas dengan penuh kelembutan Terdapat tiga kurva pada diagram, yakni kurva penguapan, kurva peleburan dan kurva sublimasi…
Kurva penguapan menunjukkan titik-titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan di sebut titik cair alias titik didih (Di sebut titik cair karena pada titik ini uap bisa mencair dan berubah wujud menjadi air. Disebut titik didih karena pada titik ini air bisa mendidih dan berubah wujud menjadi uap). Dengan demikian, kurva penguapan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik didih/titik cair. Tampak bahwa semakin kecil tekanan, semakin rendah suhu titik didih air, atau semakin besar tekanan, semakin tinggi suhu titik didih air. Pada tekanan 1 atm, suhu titik didih air = 100 oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik didih air = 374 oC. Tekanan 218 atm disebut juga sebagai tekanan kritis air, sedangkan suhu 374 oC disebut juga sebagai suhu kritis air… Apabila suhu uap kurang dari 374 oC, maka uap bisa berubah wujud menjadi cair jika diberikan tekanan sebesar 374 oC. Tekanan sebesar apapun tidak bisa mengubah uap menjadi cair jika suhunya lebih besar dari 218 oC. Pahami perlahan-lahan penjelasan gurumuda ini, lalu coba baca sendiri diagram fase air di atas Masih banyak informasi yang belum gurumuda jelaskan…
Kurva peleburan menunjukkan titik-titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan disebut titik lebur alias titik beku (Disebut titik lebur karena pada titik ini es bisa melebur menjadi air. Disebut titik beku karena pada titik ini, air bisa membeku menjadi es). Dengan demikian, kurva peleburan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik lebur/titik beku… Pada tekanan 1 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) = 0 oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) kurang dari 0 oC. Perhatikan bahwa pada tekanan 1 atm, air berada dalam wujud cair jika suhunya berada di antara 0 oC dan 100 oC. Air berada dalam wujud padat jika pada tekanan 1 atm, suhunya kurang dari 0 oC atau air berada dalam wujud uap jika pada tekanan 1 atm, suhunya lebih dari 100 oC.
Kurva sublimasi menunjukkan titik-titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan disebut titik sublimasi. Dengan demikian, kurva sublimasi sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik sublimasi… Oya, sublimasi tuh proses perubahan wujud padat menjadi uap, tanpa melewati wujud cair… Biasanya sublimasi hanya terjadi pada tekanan rendah. es hanya bisa menyublim jika suhunya kurang dari 0,01 oC dan tekanan lebih kecil dari 0,0060 atm…
Titik di mana ketiga kurva saling berpotongan dikenal dengan julukan titik gurumuda serius kali dirimu ini… nyantai dulu lah… oya, bukan titik gurumuda, bukan juga titik gurutua, tetapi titik tripel (tripel = perpotongan 3 garis… ini cuma terjemahan kasar saja… terjemahan halus cari sendiri ya ) Wujud padat, cair dan uap bisa hidup berdampingan dengan damai hanya pada titik tripel. He2… Maksudnya, ketiga wujud zat bisa berada dalam keseimbangan hanya pada titik tripel…
| Data Titik Tripel | ||
| Zat | Suhu (K) | Tekanan (Pa = N/m2) |
| Hidrogen | 13,80 | 7,03 x 103 |
| Deuterium | 18,63 | 17,1 x 103 |
| Neon | 24,56 | 43,2 x 103 |
| Oksigen | 54,36 | 0,152 x 103 |
| Nitrogen | 63,18 | 12,5 x 103 |
| Amonia | 195,40 | 6,06 x 103 |
| Sulfur dioksida | 197,68 | 0,167 x 103 |
| Karbon dioksida | 216,55 | 516 x 103 |
| Air | 273,16 | 0,610 x 103 |
Di bawah ini adalah diagram fase untuk karbon dioksida… Pahami penjelasan gurumuda sebelumnya, lalu silahkan jelaskan diagram ini… Jika bingung berlanjut, silahkan bertanya melalui kolom komentar…
Catatan :
Perhatikan bahwa skala pada diagram fase air dan diagram fase karbon dioksida tidak linear…
Penguapan
Pernah menjemur pakaian basah ? Pakaian yang pada mulanya basah bisa mengering setelah dijemur di bawah sinar matahari… Hal ini kelihatannya sangat sepele sehingga jarang dipersoalkan. Btw, bisakah dirimu menjelaskan mengapa pakaian basah bisa mengering ? Dari sononya memang sudah begitu kok Ada lagi kasus yang mirip… Air yang pada mulanya panas bisa berubah menjadi dingin setelah dibiarkan selama beberapa saat… teh panas, kopi susu hangat dkk akan mengalami nasib yang sama… Lebih aneh lagi, kalau dirimu meletakkan segelas air di luar rumah sepanjang malam, ketinggian air akan turun pada waktu pagi… mengapa bisa demikian-kah ?
Kata eyang, pakaian bisa mengering karena adanya penguapan. Teh panas juga bisa menjadi dingin karena adanya penguapan… Terus penguapan tuh sebenarnya apa sich ? penguapan adalah proses menguapnya air yang lagi ngantuk n pingin tidur… hiks2
Proses penguapan bisa dijelaskan menggunakan teori kinetik. Seperti molekul-molekul gas, molekul-molekul air juga suka bergerak ke sana kemari. Bedanya, molekul-molekul air tidak bisa tercerai berai karena gaya tarik antara molekul masih mampu menahan mereka untuk tetap ngumpul. Sebaliknya, gaya tarik antara molekul-molekul gas sangat lemah, sehingga molekul-molekul gas tidak bisa ngumpul. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pembahasan mengenai wujud-wujud zat. Nah, ketika bergerak ke sana ke mari, molekul-molekul air tentu saja punya kelajuan. Ada molekul air yang mempunyai kelajuan yang besar, ada juga molekul air yang mempunyai kelajuan yang kecil. Distribusi kelajuan molekul air menyerupai distribusi maxwell (ingat lagi pembahasan mengenai distribusi kelajuan molekul).
Peristiwa penguapan biasanya terjadi ketika kelajuan molekul air cukup besar, sehingga gaya tarik antara molekul-molekul air tidak mampu menahannya untuk ngumpul. Mirip seperti roket yang hendak tamasya ke luar angkasa… Kelajuan roket cukup besar sehingga gaya gravitasi bumi tidak mampu menahannya untuk tetap tinggal di bumi. Perlu diketahui bahwa hanya molekul-molekul yang mempunyai kelajuan besar saja yang mampu melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul. Molekul-molekul yang kelajuannya kecil tidak bisa kabur alias tetap ngumpul.
Ingat ya, molekul-molekul air juga punya massa. Karena punya massa dan kecepatan/kelajuan, maka molekul-molekul air tentu saja mempunyai energi kinetik (EK = ½ mv2). Molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi memiliki energi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan molekul air yang mempunyai kelajuan yang rendah. Dengan demikian, kita bisa mengatakan bahwa molekul-molekul air yang bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul (molekul-molekul air yang kabur menjadi uap) memiliki energi kinetik yang cukup besar… Biasanya energi kinetik molekul air semakin bertambah seiring meningkatnya suhu air. Karenanya apabila suhu air cukup tinggi, maka energi kinetik molekul-molekul air semakin bertambah. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul air yang kabur menjadi uap. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang menunjukkan bahwa laju penguapan biasanya lebih besar pada suhu yang tinggi…
Ketika kita menjemur pakaian basah di bawah sinar matahari, pakaian basah tersebut menyerap kalor yang dipancarkan oleh matahari (terjadi perpindahan kalor secara radiasi). Karena kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu, maka kita bisa mengatakan bahwa setelah mendapat sumbangan kalor dari matahari, energi kinetik molekul-molekul air yang bergentayangan dalam pakaian semakin bertambah. Karena energi kinetiknya bertambah, maka molekul-molekul air tentu saja bergerak semakin cepat (kelajuan molekul air meningkat). Setelah kelajuan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul-molekul air tersebut bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap… Pakaianku dan pakaianmu pun mengering Perlu diketahui bahwa mengeringnya pakaian basah tidak hanya dipengaruhi oleh adanya tambahan kalor dari matahari. Pakaian basah juga bisa mengering karena adanya tambahan kalor dari udara hangat yang berada di sekitar pakaian tersebut (kalor berpindah secara konduksi dari udara menuju pakaian basah). Jalan ceritanya seperti ini… Pada siang hari yang terik, biasanya tanah atau lantai lebih cepat panas… tanah cepat panas karena kalor jenisnya cukup besar. Tanah yang kepanasan tadi memanaskan udara yang berada di atasnya (dalam hal ini terjadi perpindahan kalor secara konduksi). Udara yang kepanasan tadi memuai (massa jenisnya berkurang) dan bergerak ke atas… Ketika melewati pakaian basah, molekul-molekul udara menumbuk molekul-molekul air yang bergenyatangan dalam pakaian. Molekul-molekul air yang sedang pacaran pun bergerak semakin cepat… Karena bergerak semakin cepat, maka energi kinetik molekul-molekul air tersebut semakin bertambah. Molekul-molekul air yang bergerak cepat tadi menumbuk teman-temannya yang lain… Karena ditumbuk terus menerus oleh molekul udara, maka molekul-molekul air bergerak semakin cepat (energi kinetiknya bertambah). Setelah kecepatan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul-molekul air yang bergerak cepat tadi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap… ingat ya, energi kinetik molekul air atau molekul udara berkaitan erat dengan suhu. Ketika gurumuda mengatakan bahwa energi kinetik molekul-molekul air besar, pada saat yang sama suhu air tinggi. Atau sebaliknya, ketika suhu air tinggi, energi kinetik molekul-molekul air pasti besar. Energi kinetik juga berkaitan dengan kelajuan (ingat saja rumus EK = ½ mv2). Semakin besar energi kinetik molekul, semakin besar kelajuan molekul. Atau sebaliknya, semakin besar kelajuan molekul, semakin besar energi kinetik molekul tersebut… Sampai di sini dirimu belum pusink2 khan ? hiks2… piss
Bagaimanakah dengan air panas dkk ? air panas biasanya memiliki suhu yang tinggi… Karena suhu air tinggi, maka molekul-molekul air yang bergentayangan dalam air tentu saja mempunyai energi kinetik rata-rata yang besar. Karena energi kinetik rata-rata molekul-molekul air besar, maka banyak molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi (banyak molekul air yang bergerak cepat)… molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antar molekul dan kabur menjadi uap… Ingat ya, yang kabur menjadi uap hanya molekul-molekul air yang kelajuannya tinggi (molekul-molekul air yang energi kinetiknya besar)… molekul-molekul air yang kelajuannya rendah (molekul-molekul air yang energi kinetiknya kecil) tidak bisa kabur alias tetap ngumpul… Dengan demikian, ketika molekul-molekul air yang kelajuannya tinggi kabur menjadi uap, energi kinetik rata-rata molekul-molekul air yang tetap ngumpul menjadi lebih kecil. Semakin kecil energi kinetik rata-rata, semakin rendah suhu air (air menjadi dingin). Berdasarkan uraian singkat ini, kita bisa mengatakan bahwa penguapan sebenarnya merupakan proses pendinginan
Proses pendinginan akibat adanya penguapan selalu kita alami dalam kehidupan sehari-hari… pada saat udara cukup panas, banyak kalor yang diserap oleh tubuh. Untuk menjaga agar suhu tubuh selalu konstan, biasanya tubuh mengeluarkan kalor melalui air keringat… Karena air keringat mendapat tambahan kalor dari matahari dan udara yang ada di sekitarnya maka energi kinetik molekul air keringat bertambah. Karena energi kinetik molekul air bertambah maka kelajuan molekul-molekul air keringat tentu saja meningkat… molekul-molekul keringat pun kabur menjadi uap. Ketika keringat menguap, tubuh kita pun terasa sejuk… lega rasanya. Masih ada contoh lain… Biasanya setelah mandi, tubuh kita terasa sejuk. Hal ini disebabkan karena air yang nempel di permukaan kulit mengalami proses penguapan…
Proses penguapan yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya selalu terjadi setiap hari. Air laut, air danau, air sungai, air comberan, air mata juga bisa menguap… Banyak proses penguapan terjadi akibat adanya sumbangan kalor dari matahari (perpindahan kalor secara radiasi). Karena mendapat sumbangan kalor, air yang ada di permukaan sungai dkk menjadi kepanasan (suhu air yang ada di permukaan meningkat). Ketika suhu air yang ada di permukaan meningkat, air tersebut memuai. Dalam hal ini volume air bertambah… Karena volume air bertambah, maka massa jenis alias kerapatan air berkurang (massa jenis = massa / volume). Dengan demikian, air yang ada di permukaan tidak bisa meluncur ke bawah karena kerapatannya lebih kecil. Semakin banyak kalor yang ditambahkan, semakin besar energi kinetik molekul-molekul air. Semakin besar energi kinetik, semakin besar laju molekul-molekul air. Molekul-molekul yang mempunyai laju yang besar akhirnya melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap. Setiap hari, molekul-molekul air yang lucu2 n imut2 itu meluncur bebas dari permukaan laut, permukaan danau, permukaan comberan , permukaan kulit dkk dan bergabung dengan teman-temannya dalam pasukan uap air…
Berdasarkan penjelasan panjang pendek di atas, bisa dikatakan bahwa udara alias atmosfir pasti mengandung uap air… Oya, uap air tuh wujud gas dari air.
Tekanan Uap
Yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air. Juangan pake lupa ya… Untuk membantumu memahami pengertian tekanan uap, gurumuda pakai ilustrasi saja…
Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan… sebuah wadah tertutup yang berisi air (anggap saja udara yang ada di dalam wadah sudah dikeluarkan)… Menurut teori kinetic, molekul-molekul air selalu bergerak ke sana ke mari. Ketika bergerak ke sana kemari, molekul-molekul air mempunyai kelajuan dan energi kinetic. Ingat ya, kelajuan setiap molekul berbeda-beda… Nah, molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan dan energi kinetic yang cukup besar bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul air dan kabur menjadi uap… Proses yang sama terjadi pada molekul-molekul air yang ada dalam wadah di atas. Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul-molekul air yang bergabung dalam pasukan uap air (berubah wujud dari air menjadi uap). Karena wadah tertutup, maka molekul-molekul air yang telah berubah menjadi uap tidak bisa kabur menuju atmosfir (molekul-molekul tersebut terperangkap dalam wadah). Jumlah molekul-molekul air yang kabur menjadi uap cukup banyak, karenanya terdapat kemungkinan terjadinya tumbukan antara molekul-molekul dengan dinding wadah. Sebagian molekul-molekul yang menumbuk dinding wadah akan dipantulkan kembali menuju permukaan air dan bergabung lagi ke dalam pasukan air (berubah wujud dari uap menjadi air). Proses ini berulang secara terus menerus… Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul-molekul air yang kabur menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Pada saat yang sama, sebagian molekul yang menabrak dinding wadah akan berubah lagi menjadi air (berubah wujud dari uap menjadi cair)… Nah, apabila jumlah molekul-molekul yang berubah wujud dari cair menjadi uap sama dengan jumlah molekul-molekul yang berubah wujud dari uap menjadi cair, maka akan terjadi keseimbangan. Ketika terjadi keseimbangan, bagian atas wadah yang berisi uap dikatakan jenuh… Wah, bisa jenuh juga toh Tekanan uap pada daerah yang jenuh dikenal dengan julukan Tekanan uap jenuh.
Catatan :
Perubahan wujud dari cair menjadi uap dikenal dengan julukan penguapan. Sedangkan perubahan wujud dari uap menjadi cair dikenal dengan julukan kondensasi…
Perlu diketahui bahwa tekanan uap jenuh hanya bergantung pada suhu saja dan tidak bergantung pada volume. Apabila suhu air meningkat, maka energi kinetic molekul-molekul air tentu saja bertambah. Karena energi kinetic molekul-molekul air bertambah, maka kelajuan molekul-molekul air pasti meningkat. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul-molekul yang mempunyai kelajuan tinggi yang kabur menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Karena volume wadah tetap, maka tekanan uap hanya bergantung pada jumlah molekul (N) dan kelajuan (v). Ingat lagi persamaan tekanan yang telah gurumuda oprek dalam pembahasan mengenai sifat makroskopis dan mikroskopis… neh persamaanya :
Semakin banyak molekul (N makin besar) yang kabur menjadi uap dan semakin tinggi kelajuan molekul-molekul tersebut (v makin besar), maka tekanan uap juga semakin meningkat… Dengan demikian, keseimbangan akan terjadi pada tekanan uap yang lebih tinggi. Karenanya tekanan uap jenuh juga semakin tinggi… Ingat ya, tekanan uap jenuh hanya ada ketika terjadi keseimbangan…
Berikut ini nilai tekanan uap jenuh air yang berubah terhadap suhu…
| Suhu (oC) | Tekanan Uap Jenuh Air (Pa = N/m2) |
| -10 | 0,26 x 103 |
| 0 | 0,611 x 103 |
| 10 | 1,23 x 103 |
| 20 | 2,33 x 103 |
| 30 | 4,24 x 103 |
| 40 | 7,37 x 103 |
| 50 | 12,3 x 103 |
| 60 | 19,9 x 103 |
| 70 | 31,2 x 103 |
| 80 | 47,3 x 103 |
| 90 | 70,1 x 103 |
| 100 | 101 x 103 |
| 120 | 199 x 103 |
Seperti yang telah gurumuda ulas sebelumnya, tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Tekanan uap bergantung pada volume, tetapi tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Seandainya volume wadah bertambah atau berkurang, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga.
Ilustrasi panjang pendek di atas hanya mau menghantarmu untuk memahami tekanan uap jenuh yang terjadi pada atmosfir. Bedanya, dalam ilustrasi sebelumnya kita menganggap tidak ada udara dalam bagian wadah yang tidak berisi air. Karenanya bagian wadah yang tidak berisi air hanya ditempati oleh uap air. Sebaliknya, permukaan bumi di mana diriku dan dirimu berada selalu dipenuhi dengan udara. Karenanya, uap air tidak hidup sendirian tetapi selalu hidup berdampingan dengan gas lain. Tumbukan antara molekul-molekul uap dengan molekul-molekul gas lain hanya memperlama terjadinya keseimbangan. Walaupun demikian, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga apabila jumlah molekul-molekul air yang berubah menjadi uap sama dengan jumlah molekul-molekul uap yang berubah menjadi air…
Pendidihan
Pendidihan sebenarnya merupakan proses perubahan wujud cair menjadi wujud gas. Pendidihan biasanya terjadi ketika tekanan uap jenuh sama dengan tekanan udara luar (tekanan udara luar = tekanan atmosfir). Btw, pada kesempatan ini kita hanya membahas pendidihan air saja…
Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, tekanan uap jenuh air berbanding lurus dengan suhu air. Semakin tinggi suhu air, semakin besar tekanan uap jenuh air… Nah, ketika kita memanaskan air, biasanya muncul gelembung-gelembung kecil pada bagian dasar wadah… Adanya gelembung-gelembung menandakan perubahan wujud cair menjadi wujud gas… apabila tekanan uap jenuh dalam gelembung lebih kecil dari tekanan udara luar, maka gelembung tersebut akan mengerut dan hancur sebelum tiba di permukaan. Gelembung hancur karena gaya dorong udara luar lebih besar daripada gaya dorong uap yang ada di dalam gelembung (ingat persamaan tekanan : P = F/A — F = PA). Tekanan udara luar lebih besar dari tekanan uap dalam gelembung, sehingga udara luar memiliki gaya yang lebih besar…
Seiring dengan kenaikan suhu air, tekanan uap jenuh dalam gelembung juga semakin bertambah… Apabila tekanan uap jenuh dalam gelembung sama atau lebih besar dari tekanan udara luar, maka gelembung akan bertambah besar dan mengapung sampai di permukaan… Setelah tiba di permukaan, gelembung akan pecah dan uap air yang ada di dalam gelembung pun kabur sesuka hatinya… Terjadilah proses pendidihan… perhatikan dua kalimat yang dicetak miring… gelembung bertambah besar karena gaya dorong uap yang ada di dalam gelembung lebih besar daripada gaya dorong udara luar (ingat persamaan tekanan : P = F/A — F = PA). Tekanan udara uap dalam gelembung lebih besar dari tekanan udara luar, sehingga uap yang ada di dalam gelembung memiliki gaya yang lebih besar… Ketika gelembung bertambah besar, volume uap juga bertambah besar. Akibatnya, kerapatan alias massa jenis uap menjadi berkurang… Karena kerapatan uap berkurang (kerapatan uap lebih kecil dari kerapatan air) maka gelembung bisa mengapung ke permukaan… mirip seperti kayu kering atau gabus yang mengapung di atas permukaan air… Kayu kering atau gabus bisa mengapung karena kerapatannya lebih kecil dari kerapatan air…
Berdasarkan uraian panjang pendek ini, kita bisa mengatakan bahwa proses pendidihan air terjadi ketika tekanan uap jenuh air sama atau lebih besar dari tekanan atmosfir… Dengan demikian, suhu titik didih air tentu saja sangat bergantung pada tekanan atmosfir… Semakin kecil tekanan atmosfir, semakin rendah suhu titik didih. Atau sebaliknya, semakin besar tekanan atmosfir, semakin tinggi suhu titik didih… Biasanya semakin tinggi suatu tempat di ukur dari permukaan laut, semakin kecil tekanan atomosfir di tempat tersebut. Karenanya bisa disimpulkan bahwa semakin tinggi suatu tempat di ukur dari permukaan laut, semakin rendah suhu titik didih di tempat tersebut. Suhu titik didih di puncak lebih rendah daripada suhu titik didih di pantai. Suhu titik didih di puncak gunung lebih rendah dari suhu titik didih di dataran rendah. Suhu titik didih di Bandung (dataran tinggi) lebih rendah dari suhu titik didih di Jakarta… dan sebagainya… Air yang dipanaskan di puncak gunung tentu saja lebih cepat mendidih daripada air yang dipanaskan di tepi pantai. Masalahnya sekarang, kalau dirimu memasak nasi dkk di puncak gunung, misalnya, dirimu bisa nunggu sampai puyeng suhu titik didih rendah, karenanya nasinya juga lama sekali baru matang… Biasanya orang menggunakan pressure cooker (terjemahin sendiri ya ) untuk memasak nasi dkk di puncak gunung… pressure cooker biasanya menaikkan tekanan udara sehingga suhu titik didih menjadi lebih tinggi. Karena suhu yang lebih tinggi bisa dicapai maka nasi lebih cepat matang…
Kelembaban
Kelembaban sebenarnya menyatakan banyaknya kandungan uap air dalam udara… Ketika hujan turun, biasanya udara sangat lembab. Hal ini disebabkan karena kandungan uap air dalam udara sangat banyak. Sebaliknya, jika kandungan uap air dalam udara sangat sedikit atau nyaris tidak ada, biasanya udara sangat kering… Banyaknya kandungan uap air dalam udara sering dinyatakan dengan kelembaban relatif…
Kelembaban relative merupakan perbandingan tekanan parsial uap dengan tekanan uap jenuh air pada suhu tertentu (yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air). Biasanya kelembaban relatif dinyatakan dalam persen. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut :
Ada sebuah istilah baru, yakni tekanan parsial. Tekanan parsial merupakan tekanan yang diberikan oleh setiap gas yang ada dalam udara. Ingat ya, udara sebenarnya terdiri dari berbagai jenis gas… ada nitrogen (78 %), oksigen (21 %), argon (0,90 %), karbondioksida, uap air dkk… Jumlah tekanan parsial dari setiap gas dalam udara disebut tekanan total (tekanan total = tekanan atmosfir = tekanan udara). Jika tidak ada kandungan uap air dalam udara, maka tekanan parsial uap air = 0. Sebaliknya, tekanan parsial uap air bernilai maksimum jika tekanan parsial uap air = tekanan uap jenuh air. Tekanan uap jenuh air bergantung pada suhu (lihat table di atas).
Kapasitas kalor molekul gas, Ekipartisi energi, Energi dalam gas ideal
Pada pembahasan sebelumnya (Hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis gas), gurumuda sudah menjelaskan secara panjang lebar mengenai hubungan antara energi kinetik (EK) translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal dengan suhu mutlak gas ideal. Hubungan tersebut dinyatakan dalam salah satu persamaan berikut : EK translasi rata-rata = 3/2 nRT. Dari persamaan ini, tampak bahwa EK translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal berkaitan erat dengan suhu mutlak gas ideal (T). Dari hasil ini, kita memperoleh informasi berharga mengenai kapasitas kalor gas ideal (bandingkan dengan penjelasan mengenai kapasitas kalor di atas).
Sebelum mengulas kapasitas kalor molekul gas ideal, terlebih dahulu kita bahas kembali energi kinetik translasi rata-rata molekul-molekul gas ideal dan kapasitas kalor. Setelah meninjau hubungan antara dua hal ini, selanjutnya kita akan menurunkan persamaan yang menyatakan kapasitas kalor molekul gas ideal.
EK TRANSLASI RATA-RATA MOLEKUL-MOLEKUL GAS IDEAL
Pada bagian pengantar tulisan ini gurumuda sudah menceritakan secara tidak singkat mengenai hubungan antara energi kinetik (EK) translasi molekul-molekul gas ideal dan suhu mutlak gas ideal. Hubungan mesra antara EK translasi molekul gas dan suhu mutlak gas ideal dinyatakan melalui dua persamaan di bawah :
Keterangan :
EK rata2 = Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal (Kgm2/s2 = J)
k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)
T = Suhu mutlak (K)
n = jumlah mol (mol)
R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K)
(J = Joule, kJ = kilo Joule, K = Kelvin)
Perlu diketahui bahwa hubungan ini kita peroleh melalui penurunan matematis (pake hitung-hitungan), yang didasarkan pada teori kinetik gas. Dalam teori kinetik gas, kita menggambarkan molekul gas ideal sebagai partikel alias titik. Karena dianggap sebagai partikel alias titik, maka molekul-molekul gas ideal juga hanya bisa melakukan gerak translasi saja… Karena hanya bisa melakukan gerak translasi maka molekul-molekul tersebut juga hanya mempunyai energi kinetik translasi… Karenanya jangan pake heran kalau persamaan di atas dinyatakan dalam bentuk energi kinetik translasi, bukan energi kinetik rotasi dkk…
Sekarang mari kita beralih ke kapasitas kalor….
KALOR JENIS (c – huruf c kecil)
Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :
Keterangan :
c = kalor jenis
Q = kalor (J)
m = massa benda (Kg)
delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T2) – suhu awal (T1). Satuannya K
(J = Joule, K = Kelvin)
Satuan kalor jenis benda (c)
Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :
Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K
KAPASITAS KALOR BENDA (C – huruf C besar)
Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :
C = mc
Keterangan :
C = kapasitas kalor
m = massa benda (Kg)
c = kalor jenis (J/Kg.K)
Satuan kapasitas kalor benda (C)
Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :
Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)
KALOR alias panas (Q)
Kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ketika kita menyentuhkan dua benda yang suhunya berbeda, kalor akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi menuju benda yang memiliki suhu yang lebih rendah… Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda telah mencapai suhu yang sama. Mengenai kalor dkk selengkapnya bisa dipelajari di pembahasan mengenai kalor, kapasitas kalor, kalor jenis (materi suhu dan kalor). Kita bisa menurunkan persamaan kalor (Q) menggunakan persamaan kalor jenis (c) yang telah dioprek sebelumnya :
Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa benda (m).
Keterangan :
Q = kalor (J)
m = massa benda (Kg)
c = kalor jenis benda (J/Kg K)
delta T = perubahan suhu (K)
Persamaan kalor yang sudah diturunkan di atas (persamaan 1) bisa dinyatakan dalam massa molekul (M). Sebelum mengoprek persamaannya, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini…
Dalam pembahasan mengenai hukum gas ideal (materi teori kinetik gas), gurumuda sudah memperkenalkan kepadamu dua istilah baru, yakni jumlah mol (n) dan massa molekul alias massa molar (M). Jumlah mol (n) = perbandingan massa (m) suatu benda dengan massa molekulnya (M). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Sekarang kita masukan persamaan b ke dalam persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa benda (persamaan 1) :
Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa molekul (M)
Keterangan :
n = jumlah mol (mol)
M = massa molekul (Kg/mol)
c = kalor jenis (J/Kg.K)
delta T = perubahan suhu (K)
KAPASITAS KALOR MOLEKUL (C)
Hasil kali antara massa molekul (M) dan kalor jenis (c) pada persamaan 2 dikenal dengan julukan kapasitas kalor molekul (C). Secara matematis, persamaan kapasitas kalor molekul bisa ditulis seperti ini :
Keterangan :
C = kapasitas kalor molekul (C)
M = massa molekul (Kg/mol)
c = kalor jenis (J/Kg.K)
n = jumlah mol (mol)
Satuan kapasitas kalor molekul
Satuan kapasitas kalor molekul bisa diperoleh dengan mengoprek persamaan kapasitas kalor molekul :
Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor molekul = J/mol.K (J = Joule, K = Kelvin)
Karena massa molekul (M) x kalor jenis (c) = kapasitas kalor molekul (C), maka persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa molekul (persamaan 2) bisa dioprek menjadi seperti ini :
Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam kapasitas kalor molekul….
Keterangan :
Q = kalor (J)
n = jumlah mol (mol)
C = kapasitas kalor molekul (J/mol.K)
Sekarang, mari kita obok-obok kapasitas kalor molekul gas ideal…
KAPASITAS KALOR MOLEKUL GAS IDEAL
Kalau kita bandingkan persamaan EK translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal dan persamaan kalor yang dinyatakan dalam kapasitas kalor molekul, kita bisa melihat adanya keterkaitan erat… gurumuda tulis lagi kedua persamaan tersebut :
Persamaan EK translasi rata-rata molekul gas ideal :
Dari persamaan 1, tampak bahwa EK translasi rata-rata dari molekul gas ideal berbanding lurus dengan suhu mutlak gas ideal (T). Apabila EK translasi molekul-molekul gas ideal bertambah, maka suhu mutlak gas ideal juga bertambah. Demikian juga sebaliknya, jika EK translasi rata-rata molekul-molekul gas ideal berkurang, maka suhu mutlak gas ideal juga berkurang… Dari persamaan 2, tampak bahwa kalor (Q) berbanding lurus dengan perubahan suhu (T). Karena kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu, maka kita bisa mengatakan bahwa perubahan suhu yang dialami oleh suatu benda disebabkan oleh adanya perubahan energi molekul-molekul penyusun benda tersebut.
Berdasarkan uraian singkat ini, kita bisa melihat adanya kesetaraan antara EK translasi molekul gas ideal (persamaan 1) dan kalor (persamaan 2). Dengan demikian, kita bisa menurunkan persamaan yang menyatakan kapasitas kalor molekul gas ideal. Kita kawinkan saja kedua persamaan di atas :
Sebelum kita tertawa terpingkal-pingkal karena telah menemukan nilai kapasitas kalor gas ideal, alangkah baiknya jika kita selidiki apakah nilai kapasitas kalor gas ideal ini valid atau tidak. Caranya mudah :
Pertama, periksa saja satuannya… satuan kapasitas kalor molekul (C) = J/mol.K. wow, menakjubkan…. ternyata satuannya sama. Berarti untuk sementara, persamaan kapasitas kalor gas ideal valid. Ssttt…. Jangan menarik kesimpulan dulu sebelum membaca pesan-pesan berikut.
Kedua, membandingkan nilai kapasitas kalor molekul gas ideal dengan kapasitas kalor molekul gas riil yang diperoleh melalui pengukuran. Perlu diketahui bahwa nilai kapasitas kalor gas ideal di atas diperoleh secara teoritis (pake hitung-hitungan), yang didasarkan pada teori kinetik gas. Dalam teori kinetik gas, kita menganggap gas sebagai gas ideal alias gas sempurna. Karenanya, alangkah baiknya jika kita bandingkan nilai kapasitas kalor molekul gas ideal hasil oprekan kita dengan kapasitas kalor molekul gas riil alias gas nyata yang diperoleh melalui eksperimen.
Berikut ini beberapa nilai kapasitas kalor molekul gas riil yang diperoleh melalui eksperimen.
| Jenis Gas | Gas | Cv (J/mol.K) |
| Monoatomik | He | 12,47 |
| Ar | 12,47 | |
| Diatomik | H2 | 20,42 |
| N2 | 20,76 | |
| O2 | 21,10 | |
| CO | 20,85 | |
| Poliatomik | CO2 | 28,46 |
| SO2 | 31,39 | |
| H2S | 25,95 |
Catatan :
Pertama, CV = kapasitas kalor molekul gas pada volume tetap (volume tetap di sini berkaitan dengan cara yang dipakai untuk mengetahui kapasitas kalor molekul gas riil. Jadi sejumlah gas dimasukkan ke dalam wadah tertutup dan volume wadah dijaga agar selalu tetap/konstan. Ketika gas mendapat tambahan kalor, suhu gas pasti meningkat. Ketika suhu gas meningkat, gas yang ada dalam wadah pasti memuai. Biasanya kalau gas memuai, volumenya pasti bertambah. Btw, karena si gas terperangkap dalam wadah yang volumenya selalu konstan, maka volume gas juga selalu konstan alias tidak bisa berubah. Dengan demikian perubahan suhu gas akibat adanya tambahan kalor bisa diukur secara akurat)
Kedua, gas monoatomik = gas yang terdiri dari satu atom (He, Ar). Gas diatomik = gas yang terdiri dari dua atom (H2 : terdiri dari 2 atom H, N2 : terdiri dari 2 atom N, O2 : terdiri dari dua atom O, CO : terdiri dari 1 atom C dan 1 atom O). Gas poliatomik = gas yang terdiri dari banyak atom (CO2 : terdiri dari 1 atom C dan 2 atom O, SO2 : terdiri dari 1 atom S dan 2 atom O, H2S : terdiri dari 2 atom H dan 1 atom S). Gas monoatomik, gas diatomik dan gas poliatomik merupakan gas riil alias gas yang ada dalam kehidupan kita sehari-hari…
Sekarang perhatikan tabel di atas…. Tampak bahwa kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (12,47 J/Kg.K) hanya cocok dengan kapasitas kalor molekul gas monoatomik saja. Kapasitas kalor molekul gas diatomik dan poliatomik malah lebih besar dari 12,47 J/Kg.K. Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa menyimpulkan beberapa hal :
Pertama, karena kapasitas kalor molekul gas monoatomik = kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (12,47 J/Kg.K), maka kita bisa mengatakan bahwa molekul gas monoatomik memiliki kemiripan sifat dengan molekul gas ideal. Dalam teori kinetik gas, kita menanggap molekul gas ideal sebagai partikel alias titik. Karena dianggap sebagai partikel, maka molekul gas ideal hanya bisa melakukan gerak translasi. Karena hanya bisa melakukan gerak translasi, maka molekul gas ideal hanya mempunyai energi kinetik translasi saja… Nah, karena molekul gas monoatomik mempunyai kemiripan sifat dengan molekul gas ideal, maka kita bisa menganggap molekul gas monoatomik sebagai partikel alias titik. Karenanya molekul gas poliatomik hanya melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi maka molekul gas monoatomik hanya mempunyai energi kinetik translasi…
Kedua, karena kapasitas kalor molekul gas diatomik dan gas poliatomik lebih besar dari kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (>12,47 J/Kg.K) maka kita bisa mengatakan bahwa selain memiliki energi kinetik translasi, molekul gas diatomik dan poliatomik juga mempunyai energi kinetik jenis lain. Dengan demikian molekul gas diatomik dan poliatomik otomatis tidak hanya melakukan gerak translasi saja, tetapi juga melakukan gerak lain. Berdasarkan kenyataan ini, molekul gas diatomik dan poliatomik tidak bisa dianggap sebagai partikel alias titik. Ingat ya, partikel alias titik hanya bisa melakukan gerak translasi saja… Untuk mengatasi persoalan ini, kita bisa menganggap molekul gas diatomik sebagai dua titik (dua titik ini bisa dianggap seperti dua bola kecil yang elastis). Kedua bola elastis ini seolah-olah dihubungkan oleh sebuah “pegas”. Biar paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…
Sebaliknya, molekul gas poliatomik bisa dianggap sebagai beberapa titik (beberapa titik ini bisa dianggap seperti beberapa bola kecil yang elastis). Bola-bola elastis tersebut seolah-olah dihubungkan oleh beberapa “pegas”.
Dengan adanya pemahaman yang baru mengenai struktur dalam molekul gas diatomik dan poliatomik, kita bisa menjelaskan jenis-jenis gerakan lain yang dilakukan oleh molekul-molekul tersebut. Jadi selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik dan poliatomik juga melakukan gerak rotasi. Tataplah gambar di bawah… (molekul gas diatomik yang berotasi)
Selain melakukan gerak translasi dan rotasi, molekul-molekul gas diatomik dan poliatomik juga melakukan gerak vibrasi. Tataplah gambar di bawah… (molekul gas diatomik yang bergetar)
Ketika melakukan gerak vibrasi, “pegas” dan atom-atom penyusun molekul gas diatomik dan poliatomik mempunyai energi kinetik dan energi potensial elastis. Ingat lagi pembahasan mengenai getaran pegas…
Catatan :
Pengertian energi kinetik dan energi kinetik translasi sedikit berbeda. Energi kinetik hanya berkaitan dengan gerak lurus saja, sedangkan energi kinetik translasi berkaitan dengan gerak translasi (gerak translasi bisa berupa gerak lurus, gerak parabola, gerakan acak dll)
Persoalan sekarang, kapasitas kalor molekul gas yang sudah kita turunkan secara teoritis berdasarkan teori kinetik gas (C = 3/2 R = 12,47 J/Kg.K) hanya berkaitan dengan energi kinetik translasi saja. Bagaimanapun, molekul gas diatomik dan poliatomik tidak hanya mempunyai energi kinetik translasi, tetapi juga mempunyai energi kinetik rotasi dkk… Bagaimanakah kita menghitung besarnya kapasitas kalor yang berkaitan dengan energi kinetik rotasi dkk ?
EKIPARTISI ENERGI
Persoalan kita di atas bisa dijelaskan menggunakan teorema ekipartisi energi. Teorema ekipartisi energi diturunkan secara teoritis oleh om Clerk Maxwell, menggunakan mekanika statistik. Kira’in om guru Disebut teorema karena tidak ada pembuktian melalui eksperimen. Mengenai mekanika statistik, nanti baru kita oprek… gurumuda tertarik juga, jadi tunggu saja tanggal mainnya… oya, ekipartisi energi artinya pembagian energi secara merata… (partisi = membagi). Ini terjemahan kasar saja. Terjemahan halusnya cari sendiri ya…
Biar dirimu lebih paham, gurumuda tulis lagi persamaan yang menyatakan hubungan antara EK translasi dan suhu mutlak gas ideal…
Keterangan :
EK rata2 = Energi Kinetik translasi rata-rata molekul gas ideal
k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)
T = Suhu alias temperatur mutlak molekul gas ideal (K)
Proses penurunan persamaan ini sudah dijelaskan pada pembahasan sebelumnya (hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis gas). Energi kinetik translasi diturunkan dari gerak translasi yang mempunyai tiga komponen kecepatan, yakni komponen kecepatan pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z. Adanya 3 komponen kecepatan ini yang menyebabkan ada angka 3 pada persamaan di atas. Setiap komponen kecepatan disebut derajat kebebasan. Karena mempunyai 3 komponen kecepatan maka energi kinetik translasi memiliki 3 derajat kebebasan. Pake istilah yang aneh-aneh saja…
Teorema ekipartisi energi menyatakan bahwa energi yang ada harus terbagi secara merata pada semua derajat kebebasan. Dengan demikian, besarnya energi rata-rata untuk setiap derajat kebebasan adalah ½ kT.
Molekul gas monoatomik
Molekul gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul gas monoatomik mempunyai 3 derajat kebebasan.
Energi kinetik rata-rata untuk setiap molekul gas monoatomik adalah :
3 (½ kT) = 3/2 kT = 3/2 nRT.
Kapasitas kalor molekul gas monoatomik :
C = 3/2 R = 3/2 (8,315 J/mol.K) = 12,47 J/Kg.K
Molekul gas diatomik
Selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik juga melakukan gerak rotasi dan vibrasi. Jumlah derajat kebebasan untuk gerak translasi = 3. Jumlah derajat kesengsaraan untuk gerak rotasi dan vibrasi berapakah ? kita oprek dulu… tataplah gambar di bawah dengan penuh kebebasan…
Terdapat tiga sumbu rotasi, yakni sumbu x, y dan z. Gerak rotasi pada sumbu x tidak masuk dalam hitungan karena kedua atom yang membentuk molekul berhimpit dengan sumbu rotasi. Ingat ya, atom dianggap sebagai partikel alias titik. Ketika berhimpit dengan sumbu x, momen inersia kedua atom = 0. Dengan demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak rotasi = 2.
Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :
3(½ kT) + 2(½ kT) = 5/2 kT = 5/2 nRT.
Kapasitas kalor molekul gas diatomik :
C = 5/2 R = 5/2 (8,315 J/mol.K) = 20,79 J/Kg.K
Pending sebentar… Silahkan bandingkan dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen… tuh jauh di atas (lihat tabel). nilainya hampir sama… kapasitas kalor molekul yang diperoleh secara teoritis sedikit lebih besar dibandingkan dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang dipeoleh melalui eksperimen (tabel). Btw, perbedaannya sangat kecil… Sekarang coba kita tinjau gerak vibrasi…
Ketika melakukan gerak vibrasi, molekul gas diatomik mempunyai 2 jenis energi, yakni energi kinetik dan energi potensial elastis. Dengan demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak vibrasi = 2.
Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :
3(½ kT) + 2(½ kT) + 2(½ kT) = 7/2 kT = 7/2 nRT.
Kapasitas kalor molekul gas diatomik :
C = 7/2 R = 7/2 (8,315 J/mol.K) = 29,1 J/Kg.K
Silahkan bandingkan hasil ini dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen (lihat tabel nun jauh di atas)… Perbedaannya sangat besar… kok bisa ya ? molekul gas diatomik memiliki 7 derajat kebebasan (gerak translasi, rotasi dan vibrasi), karenanya nilai kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen seharusnya berkisar pada 29,1 J/Kg.J.
Ternyata pengaruh gerak vibrasi terhadap nilai kapasitas kalor molekul gas diatomik tergantung pada jangkauan suhu (T) juga. Eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya terjadi pada jangkauan suhu yang tidak terlalu lebar. Eksperimen terbaru yang dilakukan pada jangkauan suhu yang lebar memperlihatkan bahwa nilai kapasitas kalor molekul gas bergantung juga pada jangkauan suhu. Agar lebih memahami persoalan ini, mari kita tinjau variasi kapasitas kalor molekul gas hidrogen pada setiap suhu yang berbeda…
Hidrogen (H2) termasuk gas diatomik. Gambar di atas menunjukkan variasi kapasitas kalor molekul gas hidrogen pada suhu alias temperatur yang berbeda. Nilai kapasitas kalor molekul sebesar 5/2 R = 20,79 J/Kg.K hanya berada dalam jangkauan temperatur sekitar 250 K sampai 750 K. Di bawah 250 K, kapasitas kalor molekul gas hidrogen berkurang secara teratur hingga mencapai 3/2 R = 12,47 J/Kg.K. Sebaliknya di atas 750 K, kapasitas kalor molekul gas bertambah secara teratur hingga mencapai 7/2 R = 29,1 J/Kg.K.
Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa mengatakan bahwa pada suhu rendah, molekul-molekul gas hanya melakukan gerak translasi saja. Setelah suhu meningkat, molekul-molekul gas baru melakukan gerak rotasi. Pada suhu yang tinggi, molekul-molekul gas saling bertumbukan sehingga atom-atom penyusun molekul tersebut melakukan gerak vibrasi. Jadi ketiga jenis gerak ini dilakukan secara bertahap, pertama cuma gerak translasi (suhu rendah), setelah itu translasi + rotasi (suhu sedang) dan yang terakhir translasi + rotasi + vibrasi (suhu tinggi)… Gerak vibrasi hanya terjadi jika molekul-molekul gas saling bertumbukkan.
Kasus seperti ini tidak hanya terjadi pada gas hidrogen saja tetapi gas lain juga. Dari eksperimen yang dilakukan oleh om-om ilmuwan, kapasitas kalor molekul gas lain juga cenderung berubah terhadap temperatur. Perubahan yang terjadi mirip seperti yang dialami oleh gas hidrogen, tapi karena struktur dalam setiap gas berbeda (jumlah dan jenis atom penyusunnya beda), maka perubahan kapasitas kalor juga terjadi pada jangkauan suhu yang berbeda…
Apa yang ditemukan ini bisa menjelaskan permasalahan kita di atas. Btw, hal ini melanggar teorema ekipartisi energi dan teori kinetik gas. Teorema ekipartisi energi mengatakan bahwa energi total harus terbagi secara merata untuk setiap derajat kebebasan. Kenyataannya, tambahan energi yang diperoleh molekul gas tidak dibagi secara merata untuk setiap derajat kebebasan, tetapi dibagi secara bertahap. Di samping itu, persamaan kapasitas kalor molekul gas yang telah kita turunkan secara teoritis berdasarkan teori kinetik gas, menyatakan bahwa kapasitas kalor molekul hanya bergantung pada R saja (1/2 R untuk setiap derajat kebebasan). Kenyataannya, kapasitas kalor molekul dipengaruhi juga oleh suhu (T)…
Akhirnya, tibalah kita pada kesimpulan yang menarik… Pertama, teorema ekipartisi energi diturunkan dari mekanika statistik klasik, yang didasarkan pada hukum-hukum mekanika Newton. Kedua, teori kinetik gas yang kita gunakan dalam menjelaskan gerakan molekul-molekul gas, juga didasarkan pada hukum-hukum mekanika newton. Nah, karena teorema ekipartisi energi dan teori kinetik gas telah dilanggar, maka kita bisa menyimpulkan bahwa hukum-hukum mekanika newton tidak mampu menjelaskan gerakan yang terjadi pada level atom atau molekul. Dengan kata lain, mekanika Newton alias mekanika klasik hanya bisa menjelaskan gerakan materi yang berukuran besar. Untuk materi yang ukurannya sangat kecil seperti atom atau molekul, mekanika Newton sudah tidak berlaku lagi… Penggantinya adalah mekanika kuantum. Tunggu tanggal mainnya
Energi Dalam gas ideal dan gas riil
Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi. Kali ini gurumuda ingin memperkenalkan kepada dirimu sebuah istilah yang aneh , yakni energi dalam (U). Terlebih dahulu kita oprek energi dalam gas ideal.
Catatan :
Gas monoatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul monoatomik. Gas diatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul diatomik. Gas poliatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul poliatomik. Molekul monoatomik (terdiri dari satu atom) hanya bisa melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul monoatomik hanya mempunyai energi kinetik translasi. Temannya molekul monoatomik adalah molekul diatomik (terdiri dari dua atom) dan molekul poliatomik (terdiri dari banyak atom). Selain melakukan gerak translasi, molekul diatomik dan molekul poliatomik juga bisa melakukan gerak rotasi dan vibrasi…
Energi dalam gas ideal monoatomik
Energi dalam gas ideal monoatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi molekul-molekul gas ideal monoatomik. Jumlah total energi kinetik translasi molekul-molekul gas ideal = hasil kali antara energi kinetik translasi rata-rata setiap molekul dengan jumlah molekul (N). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Coba oprek kedua persamaan ini, untuk membuktikan apakah kedua persamaan ini sama atau tidak (cek satuannya)
Keterangan :
U = Energi dalam gas ideal monoatomik (J)
N = Jumlah molekul
k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)
T = Suhu mutlak (K)
n = Jumlah mol (mol)
R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
Energi dalam gas ideal diatomik
Energi dalam gas ideal diatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi molekul-molekul gas ideal diatomik. Sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, energi dalam gas ideal diatomik adalah :
Energi dalam gas ideal poliatomik
Energi dalam gas ideal poliatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi molekul-molekul gas ideal poliatomik. Sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, energi dalam gas ideal poliatomik adalah :
Catatan :
Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu alias temperatur saja (bandingkan dengan persamaan energi dalam gas ideal di atas)…
Energi dalam gas riil
Sifat makroskopis vs mikroskopis gas, v rms, Distribusi laju molekul gas
Konon katanya di atmosfir planet bumi kesayangan kita ini tidak ada gas helium dan hidrogen bebas. Yang ada cuma nitrogen (78 %), Oksigen (21 %), argon (0,90 %), karbondioksida dkk… Wah, omong soal karbondioksida (CO2) jadi takut Kayanya CO2 makin bertambah saja dari hari ke hari. Bikin pinquin dan teman2nya di kutub pada stress. Stok es batu gratis di kutub mulai berkurang… Kayanya bukan Cuma pinquin dkk deh… Dirimu juga khan ? hiks2… Musim makin tidak jelas saja. Badai pun datang silih berganti. Semuanya karena ulah si CO2. Nyambung tidak ? Masa hari gini tidak tahu pemanasan global. Kalau jumlah CO2 di atmosfir bumi makin banyak, atmosfir bumi bisa berubah seperti atmosfir planet venus. Tetangga kita venus setiap hari kepanasan. Bukan cuma dekat sama matahari, tetapi karena CO2 juga. Atmosfir venus hampir seluruhnya berisi CO2. Pemanasan global di venus sudah dari dulu…Mudah2an bumi tidak menjadi venus yang berikutnya. he2… Btw, mengapa helium dan hidrogen bebas tidak ada di atmosfir kita ?
Orang bilang lain padang, lain belalang; lain planet, lain pula atmosfirnya. Atmosfir dari setiap planet yang ada di tata surya berbeda-beda. Kalau atmosfir venus banyak karbondioksida, atmosfir bumi paling senang koleksi nitrogen dan oksigen. Kalau atmosfir bumi tidak punya koleksi helium dan hidrogen bebas, atmosfir yupiter malah banyak helium dan hidrogen bebas. Lebih parah lagi satelit kesayangan bumi… si bulan tidak punya atmosfir alias kosong melompong. Hahaha… kaecian deh bulan. Aneh ya, mengapa jenis atmosfir setiap planet berbeda-beda ? Bulan malah tidak kebagian rejeki… (atmosfer = lapisan udara yang menyelimuti planet)
Catatan :
Sebelum mempelajari topik ini, sebaiknya pelajari terlebih dahulu Teori atom dan Teori kinetik, wujud-wujud zat, hukum-hukum gas dan hukum gas ideal. Tujuannya biar dirimu lebih nyambung dengan penjelasan gurumuda. Ok, tancap gas…
Besaran Yang Menyatakan Sifat Makroskopis dan Mikroskopis Gas
Pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas, gurumuda sudah menjelaskan beberapa besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas. Besaran-besaran yang dimaksud adalah suhu alias temperatur (T), volume (V), tekanan (T) dan massa (m). Ketiga besaran ini bisa diukur secara langsung. Suhu bisa kita ukur dengan termometer. Volume juga bisa diukur. Apalagi tekanan dan massa… Nah, selain besaran makroskopis, terdapat juga besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas. Besaran-besaran yang menyatakan sifat mikroskopis antara lain kecepatan atau kelajuan (v), gaya (F), momentum (P) dan energi kinetik (EK) atom-atom atau molekul-molekul penyusun gas. Berbeda dengan besaran makroskopis, besaran mikroskopis tidak bisa diukur secara langsung. Ya iyalah, atom atau molekul saja tidak kelihatan Walaupun demikian, kita bisa mengetahui sifat mikroskopis gas dengan meninjau keterkaitan antara besaran makroskopis dengan besaran mikroskopis.
Sebelum meninjau hubungan antara besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas (suhu, volume dan tekanan) dengan besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas (kecepatan, gaya, momentum dan energi kinetik), terlebih dahulu kita pahami kembali konsep teori kinetik gas dan gas ideal. Kedua konsep dasar ini sangat penting dan tentu saja berkaitan dengan pembahasan kita kali ini. Ikuti saja jalan ceritanya… Orang sabar disayang pacar
Teori Kinetik Gas
Perlu diketahui bahwa pemahaman kita mengenai sifat mikroskopis gas sebenarnya didasarkan pada teori kinetik gas. Teori kinetik gas merupakan pengembangan dari teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom atau molekul dan atom atau molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan. Dugaan teori kinetik ini cocok dengan situasi dan kondisi atom atau molekul penyusun gas. Gaya tarik antara atom-atom atau molekul-molekul penyusun gas sangat lemah, karenanya atom atau molekul bisa bergerak sesuka hatinya.
Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK) dan momentum (p). Energi kinetik : EK = ½ mv2. Sedangkan momentum : p = mv. Kayanya bukan cuma energi kinetik (EK) dan momentum (p) saja, tetapi gaya (F) juga. Atom atau molekul khan jumlahnya banyak tuh. Ketika mereka bergerak ke sana kemari, pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan. Jadi gaya muncul karena adanya perubahan momentum ketika terjadi tumbukan. Ingat lagi pembahasan mengenai impuls dan momentum. Energi kinetik, momentum dan gaya merupakan inti pembahasan kita pada materi dinamika (hukum newton, impuls dan momentum). Kita bisa mengatakan bahwa Teori kinetik gas sebenarnya menerapkan ilmu dinamika pada tingkat atom atau molekul penyusun zat gas.
Konsep Gas Ideal (berdasarkan sifat makroskopis gas)
Pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang lebar mengenai tiga besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas riil (gas riil = gas nyata. Contoh : oksigen, karbondioksida, dkk). Ketiga besaran yang dimaksud adalah Suhu (T), volume (V) dan Tekanan (P). Hubungan antara ketiga besaran makroskopis ini dinyatakan dalam Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay Lussac. Perlu diketahui bahwa ketiga hukum ini hanya berlaku untuk gas riil yang memiliki tekanan dan massa jenis (massa jenis = massa / volume) yang tidak terlalu besar. Ketiga hukum ini juga hanya berlaku untuk gas riil yang suhunya tidak mendekati titik didih.
Karena hukum om Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac tidak berlaku untuk semua kondisi gas riil, maka kita bisa membuat model gas ideal alias gas sempurna. Gas ideal tidak ada dalam kehidupan sehari-hari; yang ada dalam kehidupan sehari-hari cuma gas riil alias gas nyata. Gas ideal hanya bentuk sempurna yang sengaja dibuat untuk membantu analisis kita, mirip seperti benda tegar dan fluida ideal. Jadi kita menganggap hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac berlaku untuk semua kondisi gas ideal. Adanya model gas ideal ini juga sangat membantu kita dalam meninjau hubungan antara ketiga hukum gas di atas. Dengan kata lain, model gas ideal membantu kita meninjau hubungan antara besaran-besaran makroskopis gas. Hubungan antara besaran-besaran makroskopis gas telah dioprek dalam pembahasan mengenai Hukum-Hukum Gas dan Hukum Gas Ideal.
Hukum gas ideal dinyatakan dalam dua persamaan yang membuat diriku dan dirimu mabuk kepayang — PV = nRT (hukum gas ideal dalam jumlah mol) dan PV = NkT (hukum gas ideal dalam jumlah molekul). Kita menganggap bahwa gas ideal memenuhi kedua persamaan ini. Dengan kata lain, hukum gas ideal berlaku untuk semua kondisi gas ideal, baik ketika tekanan atau massa jenis gas ideal sangat besar maupun ketika suhu gas ideal mendekati titik didih. Sebaliknya, hukum gas ideal tidak berlaku untuk semua kondisi gas riil. Hukum gas ideal hanya berlaku ketika tekanan dan massa jenis gas riil tidak terlalu besar. Hukum gas ideal juga hanya berlaku ketika suhu gas riil tidak mendekati titik didih. Dari uraian singkat ini, kita bisa mengatakan bahwa gas riil memiliki kemiripan sifat dengan gas ideal hanya ketika massa jenis dan tekanan gas riil tidak terlalu besar + ketika suhu gas riil tidak mendekati titik didih.
Konsep gas ideal yang sudah gurumuda jelaskan panjang pendek di atas baru ditinjau berdasarkan sifat makroskopis. Walaupun gas ideal hanya merupakan model ideal saja, gas ideal tetap dianggap sebagai gas yang terdiri dari atom atau molekul yang bergerak bebas hilir mudik ke sana kemari. Karenanya, alangkah baiknya jika kita bahas juga konsep gas ideal ditinjau dari sudut pandang mikroskopis….
Konsep Gas Ideal (berdasarkan sifat mikroskopis gas)
Berikut ini beberapa uraian singkat yang menggambarkan kondisi mikroskopis gas ideal, yang didasarkan pada teori kinetik gas :
1. Gas ideal terdiri dari partikel-partikel, yang dinamakan molekul-molekul. Jumlah molekul sangat banyak. Molekul-molekul gas ideal bisa saja terdiri dari satu atom atau beberapa atom. Setiap molekul mempunyai massa (m) dan bergerak secara acak/sembarangan ke segala arah dengan laju tertentu (v).
2. Jarak antara setiap molekul lebih besar dari diameter masing-masing molekul.
3. Molekul-molekul tersebut mematuhi hukum gerak (hukum mekanika warisan eyang Newton) dan saling berinteraksi ketika terjadi tumbukan.
4. Tumbukan antara molekul dengan molekul atau antara molekul dengan dinding wadah merupakan tumbukan lenting sempurna dan setiap tumbukan terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Ingat ya, pada tumbukan lenting sempurna, berlaku hukum kekekalan energi (energi sebelum tumbukan = energi setelah tumbukan) dan hukum kekekalan momentum (momentum sebelum tumbukan = momentum setelah tumbukan).
Sampai di sini dirimu belum puyeng khan piss… Ok, kita lanjutkan perjalanan menuju pengoprekan rumus-rumus.
Hubungan antara sifat makroskopis dan sifat mikroskopis gas
Setelah puas jalan-jalan dengan gas ideal, sekarang mari kita tinjau hubungan kuantitatif antara besaran makroskopis dan besaran mikrokopis gas. Besaran-besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas adalah suhu (T), volume (V) dan tekanan (P). Sedangkan besaran-besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas adalah kecepatan aatau kelajuan (v), momentum (p), gaya (F) dan energi kinetik (EK) atom atau molekul penyusun gas. Dari pada kelamaan, nanti rumusnya bisa basi… Jadi lebih baik langsung kita oprek saja dalam tempo yang sesingkat-singkatnya….
Untuk membantu menurunkan hubungan ini, kita tinjau sejumlah molekul gas dalam sebuah wadah tertutup. Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…. Atom atau molekulnya suangat banyak, tapi kalau gambar semua nanti tanganku pegal-pegal. he2… Anggap saja satu butir ini mewakili teman-temannya yang lain. Oya, ukuran atom atau molekul sangat kecil sehingga tidak bisa dilihat. Warnanya juga belum tentu hitam Gambar di bawah diperbesar. Btw, Ini cuma ilustrasi saja…
Panjang sisi kotak = l dan luas penampangnya = A.
Ingat ya, si molekul juga punya massa (m). Ketika hilir mudik ke sana ke mari, molekul bergerak dengan laju tertentu (v). Karena wadah tertutup maka pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan antara molekul dengan dinding wadah yang mempunyai luas permukaan A.
Untuk mempermudah analisis, kita cukup meninjau tumbukan yang terjadi pada dinding sebelah kiri (dinding yang sejajar dengan sumbu z). Terlebih dahulu kita tinjau tumbukan yang dialami oleh satu molekul. Sebut saja molekul 1. Massa molekul 1 = m1 dan laju gerakannya = v1. Arah gerakan ke kiri ditetapkan bernilai negatif, sedangkan arah gerakan ke kanan ditetapkan bernilai positif.
Kita bisa mengandaikan bahwa sebelum menumbuk dinding wadah, gerakan molekul sejajar sumbu x dan arah gerakannya ke kiri. Karenanya terdapat komponen kecepatan pada sumbu x yang bernilai negatif (-v1x). Karena punya massa (m1) dan kecepatan (-v1x), maka si molekul tentu saja punya momentum (p1 = -m1v1x). Ini adalah momentum awal. Ketika menumbuk dinding, molekul memberikan gaya aksi pada dinding. Karena terdapat gaya aksi, maka dinding memberikan gaya reaksi. Adanya gaya reaksi dari dinding membuat si molekul bergerak kembali ke kanan. Istilah gaulnya, si molekul dipantulkan kembali. Karena arah gerakannya ke kanan maka komponen kecepatan molekul bernilai positif (v1x). Momentum molekul setelah tumbukan adalah : p2 = m1v1x. Ini adalah momentum akhir. Besarnya perubahan momentum akibat adanya tumbukan adalah :
Momentum total = momentum akhir – momentum awal
ptotal = p2 – p1
ptotal = m1v1x - (-m1v1x)
ptotal = 2m1v1x
2m1v1x = momentum total untuk satu kali tumbukan. Karena tumbukan molekul merupakan tumbukan lenting sempurna, maka tumbukan yang terjadi tidak hanya sekali tetapi berulang kali. Ingat ya, pada tumbukan lenting sempurna berlaku hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum. Energi dan momentum sebelum tumbukan = energi dan momentum setelah tumbukan. Karenanya si molekul tidak akan pernah berhenti bergerak (energi kekal). Kecepatan molekul juga tidak pernah berkurang (momentum kekal)…
Setelah bertumbukan dengan dinding sebelah kiri, molekul bergerak ke kanan hingga menumbuk dinding sebelah kanan. Setelah menumbuk dinding sebelah kanan, molekul bergerak kembali ke kiri untuk menumbuk dinding sebelah kiri lagi. Karena panjang sisi kotak = l, maka setelah menumbuk dinding sebelah kiri untuk pertama kalinya, molekul akan menempuh jarak sejauh 2l sebelum menumbuk dinding sebelah kiri untuk kedua kalinya (2l = jarak pergi pulang). Sambil lihat gambar, biar tidak bingung… Ketika bergerak sejauh 2l, molekul pasti memerlukan selang waktu tertentu (sebut saja delta t). Besarnya selang waktu (delta t) yang diperlukan molekul untuk bergerak sejauh 2l, secara matematis ditulis seperti ini :
Bisa dikatakan bahwa Delta t adalah selang waktu antara setiap tumbukan. Ketika menumbuk dinding, molekul memberikan gaya aksi pada dinding. Karena mendapat gaya aksi maka dinding memberikan gaya reaksi. Adanya gaya reaksi tersebut membuat molekul bergerak lagi ke kanan. Dalam hal ini arah gerakan molekul berubah. Mula-mula molekul bergerak ke kiri (-v1x), setelah menumbuk dinding, molekul bergerak ke kanan (v1x). Perubahan arah gerakan menyebabkan terjadinya perubahan momentum (momentum akhir – momentum awal = m1v1x – (-m1v1x) = 2m1v1x). Kita bisa mengatakan bahwa perubahan momentum terjadi karena adanya gaya total yang diberikan oleh dinding. Ingat lagi hukum II Newton dalam bentuk momentum. Besarnya gaya total yang diberikan oleh dinding, secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Pada kotak di atas hanya digambarkan satu butir molekul. Ini tidak berarti bahwa molekul gas yang ada dalam kotak cuma satu. Satu butir molekul tersebut Cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya terdapat banyak sekali molekul gas… Besarnya gaya total untuk semua molekul gas yang ada dalam kotak, secara matematis bisa ditulis seperti ini :
F = F1 + F2 + F3 +….. + Fn
F1 = gaya total untuk molekul 1
F2 = gaya total untuk molekul 2
F3 = gaya total untuk molekul 3
…… = dan seterusnya
Fn = gaya total untuk molekul 4
Jumlah molekul sangat banyak, sehingga kita cukup menulis simbol n. Simbol n = molekul yang terakhir. Lebih simpel dan tidak bikin pusink
m1 = massa molekul 1, m2 = massa molekul 2, m3 = massa molekul 3, mn = massa molekul terakhir. m1 + m2 + m3 + ….. + mn = m (massa gas yang ada dalam kotak). l = panjang sisi kotak. Semua molekul pasti menempuh l yang sama… Kita oprek lagi persamaan di atas :
v12x = kecepatan molekul 1, v22x = kecepatan molekul 2, v33x = kecepatan molekul 3, vn2x = kecepatan molekul terakhir. Kecepatan setiap molekul berbeda-beda, karenanya kita perlu menghitung kecepatan rata-rata semua molekul. Untuk menghitung kecepatan rata-rata molekul, kita bisa membagi kecepatan semua molekul dengan jumlah molekul. Dalam teori kinetik gas, jumlah molekul biasanya diberi simbol N. Secara matematis, kecepatan rata-rata semua molekul ditulis seperti ini :
Kita gabungkan persamaan 2 dengan persamaan 1 :
Pada penjelasan sebelumnya, gurumuda membuat pengandaian bahwa gerakan molekul sejajar dengan sumbu x. Pengandaian ini dibuat untuk mempermudah analisis saja. Dalam kenyataannya, semua molekul gas dalam kotak bergerak ke segala arah secara acak alias sembarangan. Karena gerakannya terjadi secara acak, maka selain mempunyai komponen kecepatan rata-rata pada sumbu x, molekul juga mempunyai komponen kecepatan rata-rata pada sumbu y atau sumbu z. Dengan demikian, kecepatan rata-rata molekul gas = jumlah total komponen kecepatan rata-rata pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z. Secara matematis ditulis seperti ini :
Karena molekul bergerak secara acak, maka komponen kecepatan pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z memiliki besar yang sama. Secara matematis ditulis seperti ini :
Kita gabungkan persamaan b dengan persamaan a :
Kita masukkan persamaan c ke dalam persamaan 3 (tuh di atas) :
F = besarnya gaya yang diberikan oleh molekul-molekul gas pada dinding wadah yang mempunyai luas permukaan A. Istirahat dulu dunk, masa gak capek
Hubungan antara Tekanan (P) dengan Besaran Mikroskopis
Tekanan (P) merupakan salah satu besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas. Pada kesempatan ini kita mencoba meninjau Tekanan berdasarkan sifat mikroskopis gas.
Besarnya Tekanan yang diberikan oleh molekul gas pada dinding yang memiliki luas penampang A adalah :
Ini dia persamaan yang dicari.
Keterangan :
Hubungan antara Suhu alias Temperatur (T) dengan Besaran Mikroskopis
Selain tekanan, salah satu besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas adalah suhu (T). Sebelumnya kita sudah mengoprek Tekanan. Kali ini giliran si suhu alias temperatur. Sekarang tataplah persamaan Tekanan di atas dengan penuh kelembutan…
Apabila kita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan V, maka persamaan Tekanan gas di atas berubah bentuk menjadi seperti ini :
Sekarang kita bongkar pasang ruas kanan persamaan ini :
Dirimu masih ingat persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul ? Kalo lupa, neh persamaannya :
Sekarang perhatikan persamaan a dan persamaan b. Mirip tapi tak sama ya…. Ruas kirinya sama, sedangkan ruas kanannya hampir sama. Karena ruas kirinya sama, maka kedua persamaan tersebut bisa kita gabungkan….
Jika kita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan 3/2 maka persamaan ini akan berubah bentuk menjadi seperti ini :
Keterangan :
Tataplah persamaan Suhu mutlak vs Energi Kinetik translasi di atas. Tampak bahwa suhu alias temperatur (T) berbanding lurus dengan Energi Kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas. Semakin besar suhu, semakin besar energi kinetik tranlasi rata-rata; sebaliknya semakin kecil suhu, semakin kecil energi kinetik translasi rata-rata. Kita bisa menyimpulkan bahwa suhu merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul.
Persamaan suhu mutlak vs Energi Kinetik translasi 2 bisa dioprek ke dalam bentuk yang berbeda :
Keterangan :
n = jumlah mol (mol)
R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = Suhu mutlak (K = Kelvin)
EK rata2 Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas (Kgm2/s2 = Joule)
Keterangan rumus :
Ayo kita lakukan pembuktian rumus :
Catatan :
Pertama, energi kinetik translasi tuh energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau molekul yang melakukan gerak translasi. gerak translasi bisa berupa gerak lurus, gerak miring atau gerak parabola. Temannya energi kinetik translasi adalah energi kinetik rotasi. Energi kinetik rotasi = energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau molekul yang melakukan gerak rotasi…
Kedua, energi kinetik translasi rata-rata pada persamaan di atas hanya berlaku untuk gas monoatomik saja. Gas monoatomik tuh seperti He (helium), Ar (Argon) dkk… Selain gas monoatomik, ada juga yang namanya gas diatomik. Contoh gas diatomik adalah O2 (oksigen), N2 (nitrogen), CO (karbon monooksida) dkk. Ada juga yang namanya gas poliatomik. Contohnya CO2 (karbondioksida) dkk…. Monoatomik = satu atom, diatomik = dua atom, poliatomik = banyak atom. Jadi gas monoatomik terdiri dari satu atom saja, gas diatomik terdiri dari dua atom dan gas poliatomik terdiri dari banyak atom… Energi kinetik translasi rata-rata untuk gas diatomik dan poliatomik akan kita oprek pada episode berikutnya (Pada pembahasan mengenai Teorema Ekipartisi Energi)
Ketiga, suhu mutlak harus dinyatakan dalam skala Klevin (K). Kalau suhu masih dalam skala Celcius (oC), oprek terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin (K).
Keempat, persamaan 1 dan persamaan 2 di atas tidak hanya berlaku pada zat gas saja, tetapi juga berlaku pada zat cair dan zat gas….
Contoh soal :
Berapakah energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul dalam gas pada suhu 40 oC ?
Panduan jawaban :
k = 1,38 x 10-23 J/K
T = 40 oC + 273 = 313 K
Kecepatan Akar Kuadrat Rata-rata (vrms)
Kecepatan akar kuadrat rata-rata = root mean square = vrms. Kita bisa menurunkan persamaan vrms dengan mengobok-obok persamaan Suhu vs Energi Kinetik translasi di atas.
Keterangan :
v rms = kecepatan atau laju akar kuadrat rata-rata (m/s)
k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)
T = Suhu mutlak (K = Kelvin)
m = massa (kg)
Persamaan v rms di atas bisa diobok2 ke dalam bentuk lain :
Keterangan :
v rms = kecepatan atau laju akar kuadrat rata-rata (m/s)
R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
NA = Jumlah molekul per mol = Bilangan avogadro (NA = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol)
T = suhu (K)
M = massa molekul = massa molar (kg/kmol atau gram/mol)
Disribusi Kelajuan Molekul
Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, setiap molekul dalam gas tidak mempunyai laju yang sama. vrms yang telah diturunkan di atas merrupakan laju rata-rata dari molekul-molekul dalam gas. Ada molekul yang lajunya lebih besar dari vrms, ada juga molekul yang lajunya lebih kecil dari vrms.
Pada tahun 1859, om James Clerk Maxwell (1831-1879) berhasil menemukan distribusi laju molekul-molekul dalam gas secara teoritis (tidak pake percobaan, tapi pake hitung-hitungan). Distribusi laju molekul temuan Om maxwell ini diperoleh berdasarkan teori kinetik, karenanya lebih tepat untuk molekul-molekul gas ideal. Distribusi laju molekul om Maxwell tampak seperti grafik di bawah…. Btw, dirimu ngerti distribusi tidak ? distribusi tuh apa ya…. bingung juga nyari bahasa sederhananya. Distribusi tuh penyebaran atau sebaran….
Pada tahun 1920, beberapa om ilmuwan melakukan percobaan untuk menyelidiki distribusi laju molekul-molekul gas riil alias gas nyata. Ternyata distribusi laju molekul gas riil yang ditemukan melalui percobaan persis seperti temuan om Maxwell. Hebat juga ya si om Maxwell… Kayanya rambutnya dah pada rontok tuh
Catatan :
Ketika kerapatan alias massa jenis gas cukup tinggi, distribusi laju molekul gas riil yang diperoleh melalui eksperimen ternyata tidak cocok dengan distribusi laju molekul gas yang diturunkan oleh om maxwell secara teori. Dengan demikian, distribusi maxwell yang didasarkan pada teori kinetik gas “klasik” (menggunakan mekanika Newton) bersifat terbatas. Distribusi laju molekul gas pada kerapatan yang tinggi bisa dijelaskan dengan prinsip-prinsip kuantum. Mengenai hal ini akan dibahas pada episode yang akan datang (fisika kuantum etc).
Distribusi laju molekul gas riil yang diperoleh melalui percobaan tampak seperti gambar di bawah…
Gambar ini menunjukkan distribusi laju molekul gas riil untuk dua suhu yang berbeda. Grafik distribusi laju molekul yang diperoleh melalui percobaan ini cocok dengan persamaan v rms yang telah kita oprek di atas (v rms berbanding lurus dengan suhu). Karena v rms berbanding lurus dengan suhu maka ketika suhu semakin meningkat (T2), kurva distribusi laju molekul semakin bergeser ke kanan (v rms makin besar).
EA (energi aktivasi) merupakan energi kinetik minimum yang diperlukan untuk terjadinya reaksi kimia. Dari grafik di atas, tampak bahwa semakin tinggi suhu, jumlah molekul yang memiliki energi kinetik lebih besar dari energi aktivasi (EA) semakin banyak. Ini yang menjadi alasan, mengapa semakin tinggi suhu, semakin cepat terjadinya reaksi kimia. Semakin tinggi suhu, energi kinetik molekul juga semakin besar. Karena energi kinetik molekul besar, maka ketika terjadi tumbukan, molekul-molekul tersebut bisa saling menempel… Jadi tidak perlu pake heran kalau semakin tinggi suhu, semakin cepat terjadi reaksi kimia. Pernah praktikum kimia ? Kalau pernah, dirimu lebih nyambung dengan penjelasan ini. Kalau belum, nanti pas mau praktikum, buka lagi blog gurumuda ya
Uda dulu ya… neh dah 20 halaman lho di ms word… Oya, sebelum pamitan, mari kita obok-obok laju rms beberapa gas berikut ini. Nanti kita akan membuat perbandingan antara v rms gas dengan kelajuan lepas (kelajuan lepas tuh kelajuan minimum yang diperlukan untuk kabur dari permukaan bumi. Melancong ke luar angkasa). Makin besar v rms gas, makin besar kemungkinan si gas bertamasya ke luar angkasa…
Contoh soal 1 :
Tentukan vrms dari molekul Nitrogen (N2) dalam udara yang bersuhu 20 oC… (massa molekul Nitrogen = 28 gram/mol = 28 kg/kmol)
Panduan jawaban :
k = 1,38 x 10-23 J/K = 1,38 x 10-23 (kg m2/s2)/K
T = 20 oC + 273 = 293 K
Massa molar/Massa molekul N2 (M) = 2 x 14 u = 2 x14 gram/mol = 28 gram/mol = 28 kg/kmol (massa atom N = 14 u. lihat tabel periodik unsur)
Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (NA) = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol
Massa Nitrogen (m) = ?
Laju rms Nitrogen (v rms) = ?
Contoh soal 2 :
Tentukan vrms dari Helium (He) dalam udara yang bersuhu 20 oC…. (massa molekul Helium = 4 gram/mol = 4 kg/kmol)
Panduan jawaban :
k = 1,38 x 10-23 J/K
T = 20 oC + 273 = 293 K
Massa molar/Massa molekul He (M) = 4 u = 4 gram/mol = 4 kg/kmol (massa atom He = 4 u. lihat tabel periodik unsur)
Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (NA) = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol
Massa He (m) = ?
Laju rms He (v rms) = ?
Contoh soal 3 :
Tentukan vrms dari Hidrogen (H2) dalam udara yang bersuhu 20 oC…. (massa molekul Hidrogen = 2 gram/mol = 4 kg/kmol)
Panduan jawaban :
k = 1,38 x 10-23 J/K
T = 20 oC + 273 = 293 K
Massa molar/Massa molekul Hidrogen (M) = 2 x 1 u = 2 u = 2 gram/mol = 2 kg/kmol (massa atom H = 1 u. lihat tabel periodik unsur)
Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (NA) = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol
Massa H2 (m) = ?
Laju rms H2 (v rms) = ?
Contoh soal 4 :
Tentukan laju rms dari molekul oksigen (O2) dalam udara yang bersuhu 20 oC… (massa molekul O2 = 32 gram/mol = 44 kg/kmol)
Panduan jawaban :
k = 1,38 x 10-23 J/K
T = 20 oC + 273 = 293 K
Massa molar/Massa molekul Oksigen (M) = 2 x 16 u = 32 u = 32 gram/mol = 32 kg/kmol (massa atom O = 16 u. lihat tabel periodik unsur)
Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (NA) = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol
Massa O2 (m) = ?
Laju rms H2 (v rms) = ?
Contoh soal 5 :
Tentukan laju rms dari molekul karbondioksida (CO2) dalam udara yang bersuhu 20 oC… (massa molekul CO2 = 44 gram/mol = 44 kg/kmol)
Panduan jawaban :
k = 1,38 x 10-23 J/K = 1,38 x 10-23 (kg m2/s2)/K
T = 30 oC + 273 = 293 K
Massa molar/Massa molekul CO2 (M) = 12 u + (2 x 16 u) = 12 u + 32 u = 44 u = 44 gram/mol = 44 kg/kmol (massa atom C = 12 u, massa atom O = 16 u. Lihat tabel periodik unsur)
Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (NA) = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol
Massa CO2 (m) = ?
Laju rms CO2 (v rms) = ?
Sekarang mari kita bandingkan vrms beberapa jenis gas… Gurumuda tulis lagi hasil pengoprekan soal di atas :
vrms Hidrogen (H2) = 1917 m/s = 1,92 km/s (pada suhu 20 oC)
vrms Helium (He) = 1355,7 m/s = 1,36 km/s (pada suhu 20 oC)
vrms Nitrogen (N2) = 510,75 m/s = 0,51 km/s (pada suhu 20 oC)
vrms Oksigen (O2) = 478,4 m/s = 0,48 km/s (pada suhu 20 oC)
vrms karbondioksida (CO2) = 407,6 m/s = 0,41 km/s (pada suhu 20 oC)
Gas yang memiliki laju rms terbesar adalah Hidrogen dan yang terkecil adalah Karbondioksida.
Sekarang coba bandingkan dengan kelajuan lepas di permukaan bumi (kelajuan lepas = 11,2 km/s). Kelajuan lepas tuh kelajuan minimum yang diperlukan untuk kabur dari planet bumi (keluar dari medan gravitasi bumi). Ingat lagi materi hukum kakek Newton tentang gravitasi….
Apabila v rms molekul gas hanya 1/6 kali kelajuan lepas (1/6 x 11,2 km/s = 1,86 km/s), maka cukup banyak molekul gas yang kelajuannya lebih besar dari kelajuan lepas (ingat distribusi laju molekul yang sudah dioprek di atas). Pada suhu 20 oC, v rms gas Hidrogen = 1,92 km/s (> 1,86 km/s). Sedangkan v rms gas helium pada suhu 20 oC = 1,36 km/jam (mendekati 1,86 km/s). Neh baru pada suhu 20 oC. Semakin besar suhu, semakin besar v rms. Semakin besar v rms, peluang untuk jalan-jalan ke luar angkasa semakin besar. Karenanya dirimu jangan pake heran kalau Helium dan Hidrogen bebas tuh tidak ada di atmosfir kita… Mereka sedang tamasya di luar angkasa. Sebaliknya, v rms oksigen dkk cukup kecil sehingga mereka dilarang bertamsya ke luar angkasa. Kalau Oksigen juga kabur, nanti dirimu dan diriku bisa lemas tak berdaya. Mau bernapas pake apa ? Jangan tanya gurumuda mengapa helium dan hidrogen bebas dibiarkan jalan-jalan ke luar angkasa, sedangkan oksigen, nitrogen dkk dikurung di permukaan bumi. Anggap saja ini takdir…
Seandainya diameter bumi makin kecil dan pemanasan global juga bikin udara makin panas, maka gas oksigen dkk pun ikut2an kabur.. huft… Matilah kita
Besarnya kelajuan lepas planet dan laju rms molekul gas menentukan jenis atmosfir yang dimiliki oleh planet atau satelit. Kelajuan lepas planet venus = 10,3 km/s. Katanya atmosfir planet venus penuh dengan gas CO2… v rms CO2 sangat kecil jadi agak sulit kabur. si venus senang mengoleksi gas CO2. Cocok untuk pemanasan global di venus. Kalau Yupiter mau beda sendiri. Kelajuan lepas yupiter = 60 km/s. Cukup besar karena diameter si yupiter khan lumayan besar. Hidrogen tidak bisa kabur dari atmosfir yupiter… Apalagi helium dkk.
Persamaan Keadaan van der Walls
Wah, apalagi ini… Baru baca judulnya langsung mumet kali ini topiknya agak garing jadi kita serius dulu ya, kawan ya… jangan langsung kabur gitu dunk. Persamaan keadaan = persamaan yang menyatakan keadaan alias kondisi gas, seperti suhu, tekanan, volume dan massa gas. Van der walls bukan sejenis stom walls tapi nama seorang fisikawan Belanda, J. D. van der Waals (1837-1923). Persamaan keadaan van der Waals sebenarnya merupakan persamaan keadaan gas, mirip seperti persamaan keadaan gas ideal. Bedanya, persamaan gas ideal tidak bisa memberikan hasil yang akurat apabila tekanan dan massa jenis alias kerapatan gas riil cukup besar. Sedangkan persamaan keadaan van der Waals bisa memberikan hasil yang lebih akurat.
Adanya persamaan ini berawal dari keprihatinan om Waals akan keterbatasan persamaan keadaan gas ideal. Karena pingin mengabadikan namanya dalam ilmu fisika maka om waals memodifikasi persamaan keadaan gas ideal, dengan menambahkan beberapa faktor yang turut mempengaruhi kondisi gas riil, ketika tekanan dan massa jenis gas riil cukup besar.
Catatan :
Tekanan gas biasanya berbanding terbalik dengan volume. Apabila tekanan gas bertambah, maka volume gas berkurang. Atau sebaliknya, jika volume gas berkurang maka tekanan gas bertambah. Ketika volume gas berkurang, kerapatan gas biasanya bertambah (kerapatan = massa jenis = massa/Volume). Bisa dikatakan bahwa tekanan berbanding lurus dengan kerapatan. Kalau tekanan gas besar, maka kerapatan gas juga besar. Sebaliknya, kalau tekanan gas kecil, maka kerapatan gas juga kecil. Tekanan gas juga berbanding lurus dengan suhu. Ingat lagi pembahasan mengenai hukum-hukum gas. Jika tekanan gas bertambah, suhu gas meningkat. Kita bisa menyimpulkan bahwa apabila tekanan gas bertambah, maka suhu dan kerapatan gas ikut2an bertambah, sedangkan volume gas berkurang.
Ketika volume gas berkurang, jarak antara molekul menjadi lebih dekat. Untuk memudahkan pemahamanmu, perhatikan gambar di bawah. Titik hitam mewakili molekul. Gambar ini disederhanakan menjadi dua dimensi. Anggap saja ini gambar 3 dimensi… volume kotak = panjang x lebar x tinggi. Volume kotak bisa dianggap sebagai volume gas. Btw, ini cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya, molekul-molekul gas tidak diam seperti titik dalam kotak di bawah. Molekul-molekul gas selalu bergerak…
Jarak antara molekul dalam kotak bervolume besar cukup jauh (gambar kiri). Sebaliknya jarak antara molekul dalam kotak bervolume kecil (gambar kanan) cukup dekat. Pada saat jarak antara molekul menjadi lebih dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Mirip seperti ketika dirimu mendekatkan sepotong besi pada magnet. Kalau jarak antara magnet dan besi cukup jauh, magnet tidak bisa menarik besi. Tapi kalau jarak antara magnet dan besi dekat, si besi langsung ditarik semakin dekat. Ini cuma ilustrasi saja… dirimu jangan membayangkan molekul seperti magnet dan besi. Kalau magnet dan besi saling nempel, molekul tidak saling nempel Kasusnya beda… Ketika molekul-molekul hendak berciuman, elektron-elektron yang berada pada bagian luar molekul saling tolak menolak (gaya tolak elektris). Akibatnya, molekul-molekul tidak bisa saling nempel… Dari uraian singkat ini, bisa dikatakan gaya tarik menarik antara molekul turut mempengaruhi kondisi gas. Karenanya gaya tarik menarik antara molekul perlu diperhitungkan juga…
Di samping itu, pada saat tekanan gas cukup besar sehingga volume gas menjadi kecil, jarak antara molekul-molekul menjadi lebih dekat. Dalam hal ini, molekul-molekul memenuhi hampir seluruh volume gas. Karena molekul-molekul juga mempunyai ukuran (diameter atom = 10-10 m) maka kita juga perlu memperhitungkan volume molekul-molekul tersebut…
Karena merasa prihatin dengan keterbatasan persamaan keadaan gas ideal (PV = nRT), om van der Waals menurunkan sebuah persamaan keadaan, dengan memperhitungkan volume molekul dan interaksi yang terjadi antara molekul-molekul. Persamaan yang diturunkan oleh om van der Waals merupakan hasil modifikasi persamaan keadaan gas ideal PV = nRT.
Keterangan :
P = Tekanan gas (N/m2 = Pa)
V = Volume gas (m3)
R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = Suhu alias temperatur (K)
a = Konstanta empiris (nilainya bergantung pada gaya tarik menarik antara molekul gas)
b = konstanta empiris (mewakili volume satu mol molekul gas)
n = Jumlah mol (mol)
bn = Volume total dari molekul-molekul gas
Konstanta a dan b diperoleh melalui eksperimen. Nilai konstanta a dan b bergantung pada jenis gas.
n2/V2 = perbandingan kuadrat jumlah mol (n) dengan kuadrat volume gas (V). Nilai n2/V2 bergantung pada tekanan dan kerapatan gas. Apabila tekanan gas (P) besar, maka volume gas (V) menjadi kecil. Semakin kecil V, semakin besar n2/V2… Ketika volume gas kecil (n2/V2 besar) maka jarak antara molekul menjadi lebih dekat…. Semakin dekat jarak antara molekul, semakin besar kemungkinan terjadi interaksi antara molekul-molekul tersebut (bertumbukan, saling tarik menarik). Karenanya n2/V2 berbanding lurus dengan konstanta a (bandingkan dengan persamaan van der Waals di atas – ruas kiri). Semakin besar nilai n2/V2, semakin besar juga gaya tarik antara molekul-molekul (a). Sebaliknya, apabila tekanan gas (P) kecil, maka volume gas (V) menjadi besar. Semakin besar V, semakin kecil n2/V2. Semakin kecil n2/V2, gaya tarik antara molekul juga semakin kecil. Karenanya ketika tekanan gas kecil/tidak terlalu besar, an2/V2 bisa diabaikan…
(V – bn) = Selisih antara volume gas dengan volume total molekul-molekul gas. Konstanta b menyatakan besarnya volume satu mol molekul gas. n = jumlah mol. Hasil kali antara b dan n (bn) = jumlah volume total molekul-molekul gas. Jika tekanan gas (P) semakin besar maka volume gas (V) semakin kecil. Semakin kecil V, semakin kecil (V – bn). Ini berarti jarak antara molekul bertambah dekat dan tentu saja gaya tarik antara molekul-molekul semakin besar. Sebaliknya, jika tekanan gas semakin kecil, maka volume gas semakin besar. Semakin besar volume gas, semakin besar (V – bn). Semakin besar (V – bn), semakin kecil gaya tarik antara molekul-molekul gas. Dengan demikian, ketika tekanan gas tidak terlalu besar, (V – bn) bisa diabaikan….
Kita bisa mengatakan bahwa persamaan keadaan van der Waals menggambarkan keadaan gas riil secara lebih teliti dibandingkan dengan persamaan gas ideal. Ketika tekanan dan kerapatan gas cukup besar maka persamaan van der Waals memberikan hasil yang lebih akurat. Btw, apabila tekanan gas tidak terlalu besar, maka (an2/V2) dan (V – bn) bisa diabaikan, sehingga persamaan keadaan van der Waals akan berubah menjadi persamaan keadaan gas ideal (Hukum gas ideal). Sekian dan sampai jumpa lagi di episode berikutnya… semoga dirimu tidak pusink2 setelah bergulat dengan om waals.
Hukum gas ideal (persamaan keadaan gas ideal)
Pada pembahasan sebelumnya (hukum-hukum gas – persamaan keadaan) gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai hukum om Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac. Ketiga hukum gas ini baru menjelaskan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Hukum om obet Boyle hanya menjelaskan hubungan antara Tekanan dan volume gas. Hukum om Charles hanya menjelaskan hubungan antara volume dan suhu gas. Hukum om Gay-Lussac hanya menjelaskan hubungan antara suhu dan tekanan gas. Perlu diketahui bahwa ketiga hukum ini hanya berlaku untuk gas yang memiliki tekanan dan massa jenis yang tidak terlalu besar. Ketiga hukum ini juga hanya berlaku untuk gas yang suhunya tidak mendekati titik didih. Oya, yang dimaksudkan dengan gas di sini adalah gas yang ada dalam kehidupan kita sehari-hari. Istilah kerennya gas riil alias gas nyata… misalnya oksigen, nitrogen dkk…
Karena hukum om obet Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac tidak berlaku untuk semua kondisi gas maka analisis kita akan menjadi lebih sulit. Untuk mengatasi hal ini (maksudnya untuk mempermudah analisis), kita bisa membuat suatu model gas ideal alias gas sempurna. Gas ideal tidak ada dalam kehidupan sehari-hari; yang ada dalam kehidupan sehari-hari cuma gas riil alias gas nyata. Gas ideal cuma bentuk sempurna yang sengaja kita buat untuk mempermudah analisis, mirip seperti konsep benda tegar atau fluida ideal. Ilmu fisika tuh aneh-aneh…. dari pada bikin ribet dan pusink sendiri lebih baik cari saja pendekatan yang lebih mudah Kita bisa menganggap hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lusac berlaku pada semua kondisi gas ideal, baik ketika tekanan dan massa jenis gas sangat tinggi atau suhu gas mendekati titik didih. Adanya konsep gas ideal ini juga sangat membantu kita dalam meninjau hubungan antara ketiga hukum gas tersebut.
Biar dirimu lebih nyambung, gurumuda tulis kembali penyataan hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac.
Hukum Boyle
Berdasarkan percobaan yang dilakukannya, om Robert Boyle menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas semakin berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas semakin bertambah. Istilah kerennya tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Boyle. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
Keterangan :
Hukum Charles
Seratus tahun setelah om Obet Boyle menemukan hubungan antara volume dan tekanan, seorang ilmuwan berkebangsaan Perancis yang bernama om Jacques Charles (1746-1823) menyelidiki hubungan antara suhu dan volume gas. Berdasarkan hasil percobaannya, om Cale menemukan bahwa apabila tekanan gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika suhu mutlak gas bertambah, volume gas pun ikt2an bertambah, sebaliknya ketika suhu mutlak gas berkurang, volume gas juga ikut2an berkurang. Hubungan ini dikenal dengan julukan hukum Charles. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
Hukum Gay-Lussac
Setelah om obet Boyle dan om Charles mengabadikan namanya dalam ilmu fisika, om Joseph Gay-Lussac pun tak mau ketinggalan. Berdasarkan percobaan yang dilakukannya, om Jose menemukan bahwa apabila volume gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, suhu mutlak gas pun ikut2an bertambah. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, suhu mutlak gas pun ikut2an berkurang. Istilah kerennya, pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Gay-Lussac. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
Hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas
Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac baru menurunkan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Bagaimanapun ketiga besaran ini memiliki keterkaitan erat dan saling mempengaruhi. Karenanya, dengan berpedoman pada ketiga hukum gas di atas, kita bisa menurunkan hubungan yang lebih umum antara suhu, volume dan tekanan gas. Gurumuda tulis lagi ketiga perbandingan di atas biar dirimu lebih nyambung :
Jika perbandingan 1, perbandingan 2 dan perbandingan 3 digabung menjadi satu, maka akan tampak seperti ini :
Persamaan ini menyatakan bahwa tekanan (P) dan volume (V) sebanding dengan suhu mutlak (T). Sebaliknya, volume (V) berbanding terbalik dengan tekanan (P).
Perbandingan 4 bisa dioprek menjadi persamaan :
Keterangan :
P1 = tekanan awal (Pa atau N/m2)
P2 = tekanan akhir (Pa atau N/m2)
V1 = volume awal (m3)
V2 = volume akhir (m3)
T1 = suhu awal (K)
T2 = suhu akhir (K)
(Pa = pascal, N = Newton, m2 = meter kuadrat, m3 = meter kubik, K = Kelvin)
Contoh soal ada di bagian akhir tulisan ini… Tuh di bawah
Hubungan antara massa gas (m) dengan volume (V)
Sejauh ini kita baru meninjau hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas. Massa gas masih diabaikan… Kok gas punya massa ya ? yupz… Setiap zat alias materi, termasuk zat gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul. Karena atom atau molekul mempunyai massa maka tentu saja gas juga mempunyai massa. Kalau dirimu bingung, silahkan pelajari lagi materi Teori atom dan Teori kinetik.
Pernah meniup balon ? ketika dirimu meniup balon, semakin banyak udara yang dimasukkan, semakin kembung balon tersebut. Dengan kata lain, semakin besar massa gas, semakin besar volume balon. Kita bisa mengatakan bahwa massa gas (m) sebanding alias berbanding lurus dengan volume gas (V). Secara matematis ditulis seperti ini :
Jika perbandingan 4 digabung dengan perbandingan 5 maka akan tampak seperti ini :
Jumlah mol (n)
Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita bahas konsep mol. Dari pada kelamaan, kita langsung ke sasaran saja… 1 mol = besarnya massa suatu zat yang setara dengan massa molekul zat tersebut. Massa dan massa molekul tuh beda. Biar paham, amati contoh di bawah…
Contoh 1, massa molekul gas Oksigen (O2) = 16 u + 16 u = 32 u (setiap molekul oksigen berisi 2 atom Oksigen, di mana masing-masing atom Oksigen mempunyai massa 16 u). Dengan demikian, 1 mol O2 mempunyai massa 32 gram. Atau massa molekul O2 = 32 gram/mol = 32 kg/kmol
Contoh 2, massa molekul gas karbon monooksida (CO) = 12 u + 16 u = 28 u (setiap molekul karbon monooksida berisi 1 atom karbon (C) dan 1 atom oksigen (O). Massa 1 atom karbon = 12 u dan massa 1 atom Oksigen = 16 u. 12 u + 16 u = 28 u). Dengan demikian, 1 mol CO mempunyai massa 28 gram. Atau massa molekul CO = 28 gram/mol = 28 kg/kmol
Contoh 3, massa molekul gas karbon dioksida (CO2) = [12 u + (2 x 16 u)] = [12 u + 32 u] = 44 u (setiap molekul karbon dioksida berisi 1 atom karbon (C) dan 2 atom oksigen (O). Massa 1 atom Carbon = 12 u dan massa 1 atom oksigen = 16 u). Dengan demikian, 1 mol CO2 mempunyai massa 44 gram. Atau massa molekul CO2 = 44 gram/mol = 44 kg/kmol.
Sebelumnya kita baru membahas definisi satu mol. Sekarang giliran jumlah mol (n). Pada umumnya, jumlah mol (n) suatu zat = perbandingan massa zat tersebut dengan massa molekulnya. Secara matematis ditulis seperti ini :
Contoh 1 : hitung jumlah mol pada 64 gram O2
Massa O2 = 64 gram
Massa molekul O2 = 32 gram/mol
Contoh 2 : hitung jumlah mol pada 280 gram CO
Massa CO = 280 gram
Massa molekul CO = 28 gram/mol
Contoh 3 : hitung jumlah mol pada 176 gram CO2
Massa CO2 = 176 gram
Massa molekul CO2 = 44 gram/mol
Konstanta gas universal (R)
Perbandingan yang sudah diturunkan di atas (perbandingan 6) bisa diubah menjadi persamaan dengan menambahkan konstanta perbandingan. Btw, berdasarkan penelitian yang dilakukan om-om ilmuwan, ditemukan bahwa apabila kita menggunakan jumlah mol (n) untuk menyatakan ukuran suatu zat maka konstanta perbandingan untuk setiap gas memiliki besar yang sama. Konstanta perbandingan yang dimaksud adalah konstanta gas universal (R). Universal = umum, jangan pake bingung…
R = 8,315 J/mol.K
= 8315 kJ/kmol.K
= 0,0821 (L.atm) / (mol.K)
= 1,99 kal / mol. K
(J = Joule, K = Kelvin, L = liter, atm = atmosfir, kal = kalori)
HUKUM GAS IDEAL (dalam jumlah mol)
Setelah terseok-seok, akhirnya kita tiba di penghujung acara pengoprekan rumus. Perbandingan 6 (tuh di atas) bisa kita tulis menjadi persamaan, dengan memasukan jumlah mol (n) dan konstanta gas universal (R)…
PV = nRT
Persamaan ini dikenal dengan julukan hukum gas ideal alias persamaan keadaan gas ideal.
Keterangan :
P = tekanan gas (N/m2)
V = volume gas (m3)
n = jumlah mol (mol)
R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K)
T = suhu mutlak gas (K)
CATATAN :
Pertama, dalam penyelesaian soal, dirimu akan menemukan istilah STP. STP tuh singkatan dari Standard Temperature and Pressure. Bahasanya orang bule… Kalau diterjemahkan ke dalam bahasa orang Indonesia, STP artinya Temperatur dan Tekanan Standar. Temperatur = suhu.
Temperatur standar (T) = 0 oC = 273 K
Tekanan standar (P) = 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 102 kPa = 101 kPa
Kedua, dalam menyelesaikan soal-soal hukum gas, suhu alias temperatur harus dinyatakan dalam skala Kelvin (K)
Ketiga, apabila tekanan gas masih berupa tekanan ukur, ubah terlebih dahulu menjadi tekanan absolut. Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan ukur (tekanan atmosfir = tekanan udara luar)
Keempat, jika yang diketahui adalah tekanan atmosfir (tidak ada tekanan ukur), langsung oprek saja tuh soal.
Contoh soal 1 :
Pada tekanan atmosfir (101 kPa), suhu gas karbon dioksida = 20 oC dan volumenya = 2 liter. Apabila tekanan diubah menjadi 201 kPa dan suhu dinaikkan menjadi 40 oC, hitung volume akhir gas karbon dioksida tersebut…
Panduan jawaban :
P1 = 101 kPa
P2 = 201 kPa
T1 = 20 oC + 273 K = 293 K
T2 = 40 oC + 273 K = 313 K
V1 = 2 liter
V2 = ?
Tumbangkan soal :
Volume akhir gas karbon dioksida = 1,06 liter
Contoh soal 2 :
Tentukan volume 2 mol gas pada STP (anggap saja gas ini adalah gas ideal)
Panduan jawaban :
Volume 2 mol gas pada STP (temperatur dan tekanan stadard) adalah 44,8 liter. Berapa volume 1 mol gas pada STP ? itung sendiri….
Contoh soal 3 :
Volume gas oksigen pada STP = 20 m3. Berapa massa gas oksigen ?
Panduan jawaban :
Volume 1 mol gas pada STP = 22,4 liter = 22,4 dm3 = 22,4 x 10-3 m3 (22,4 x 10-3 m3/mol)
Volume gas oksigen pada STP = 20 m3
Massa molekul oksigen = 32 gram/mol (massa 1 mol oksigen = 32 gram). Dengan demikian, massa gas oksigen adalah :
Catatan :
Kadang massa molekul disebut sebagai massa molar. Jangan pake bingung, maksudnya sama saja… Massa molar = massa molekul
Contoh soal 4 :
Sebuah tangki berisi 4 liter gas oksigen (O2). Suhu gas oksigen tersebut = 20 oC dan tekanan terukurnya = 20 x 105 N/m2. Tentukan massa gas oksigen tersebut (massa molekul oksigen = 32 kg/kmol = 32 gram/mol)
Panduan jawaban :
P = Patm + Pukur = (1 x 105 N/m2) + (20 x 105 N/m2) = 21 x 105 N/m2
T = 20 oC + 273 = 293 K
V = 4 liter = 4 dm3 = 4 x 10-3 m3
R = 8,315 J/mol.K = 8,315 Nm/mol.K
Massa molekul O2 = 32 gram/mol = 32 kg/kmol
Massa O2 = ?
Massa gas oksigen = 110 gram = 0,11 kg
Guampang sekali khan ? hiks2…. Sering2 latihan, biar mahir
HUKUM GAS IDEAL (Dalam jumlah molekul)
Kalau sebelumnya Hukum gas ideal dinyatakan dalam jumlah mol (n), maka kali ini hukum gas ideal dinyatakan dalam jumlah molekul (N). Sebelum menurunkan persamaannya, terlebih dahulu baca pesan-pesan berikut ini…
Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, apabila kita menyatakan ukuran zat tidak dalam bentuk massa (m), tapi dalam jumlah mol (n), maka konstanta gas universal (R) berlaku untuk semua gas. Hal ini pertama kali ditemukan oleh alhamrum Amedeo Avogadro (1776-1856), mantan ilmuwan Italia. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka… Almahrum Avogadro mengatakan bahwa ketika volume, tekanan dan suhu setiap gas sama, maka setiap gas tersebut memiliki jumlah molekul yang sama. Kalimat yang dicetak tebal ini dikenal dengan julukan hipotesa Avogadro (hipotesa = ramalan atau dugaan). Hipotesa almahrum Avogadro ini sesuai dengan kenyataan bahwa konstanta R sama untuk semua gas. Berikut ini beberapa pembuktiannya :
Pertama, jika kita menyelesaikan soal menggunakan persamaan hukum gas ideal (PV = nRT), kita akan menemukan bahwa ketika jumlah mol (n) sama, tekanan dan suhu juga sama, maka volume semua gas akan bernilai sama, apabila kita menggunakan konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K). Karenanya dirimu jangan pake heran kalau pada STP, setiap gas yang memiliki jumlah mol (n) yang sama akan memiliki volume yang sama. Volume 1 mol gas pada STP = 22,4 liter. Volume 2 mol gas = 44,8 liter. Volume 3 mol gas = 67,2 liter. Dan seterusnya… ini berlaku untuk semua gas.
Kedua, jumlah molekul dalam 1 mol sama untuk semua gas. Jumlah molekul dalam 1 mol = jumlah molekul per mol = bilangan avogadro (NA). Jadi bilangan Avogadro bernilai sama untuk semua gas. Besarnya bilangan Avogadro diperoleh melalui pengukuran :
NA = 6,02 x 1023 molekul/mol = 6,02 x 1023 /mol
= 6,02 x 1026 molekul/kmol = 6,02 x 1026 /kmol
Untuk memperoleh jumlah total molekul (N), maka kita bisa mengalikan jumlah molekul per mol (NA) dengan jumlah mol (n).
Kita oprek lagi persamaan Hukum Gas Ideal :
Ini adalah persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul.
Keterangan :
P = Tekanan
V = Volume
N = Jumlah total molekul
k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-13 J/K)
T = Suhu
Punya soal ?
Masukan saja melalui komentar, nanti gurumuda oprek… Soalnya jangan banyak2…
Berikut ini seperangkat peralatan perang dan amunisi yang mungkin dibutuhkan :
Volume
1 liter (L) = 1000 mililiter (mL) = 1000 centimeter kubik (cm3)
1 liter (L) = 1 desimeter kubik (dm3) = 1 x 10-3 m3
Tekanan
1 N/m2 = 1 Pa
1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 102 kPa = 101,3 kPa (biasanya dipakai 101 kPa)
Pa = pascal
atm = atmosfir
Hukum-hukum gas (Persamaan keadaan)
Dirimu pernah mendaki gunung kah ? kalau belum, mungkin pernah jalan-jalan ke puncak ? Biasanya udara di puncak lebih dingin. Siang hari saja sudah dingin apalagi malam hari… Kalau tidur tidak ditemani selimut, dirimu akan kedinginan sepanjang malam. Katanya di puncak gunung Jayawijaya (di Papua) atau puncak mount everest, suhu udara sangat dingin sehingga semuanya pada membeku. Kalau pingin es batu gratis, silahkan mendaki kedua gunung tersebut. Biasanya hanya orang-orang tangguh saja yang bisa sampai di puncak… Apalagi mount everest. Ada dua kemungkinan kalau orang mendaki mount everest : pulang dengan selamat atau “pergi” dengan tenang. Kemungkinan besar “pergi” dengan tenang
Aneh ya, mengapa udara di puncak lebih dingin ? Seharusnya udara di puncak lebih panas karena puncak khan lebih dekat dengan matahari. Tapi kenyataannya tidak seperti itu… Semakin tinggi suatu tempat diukur dari permukaan laut, semakin rendah suhu udara di tempat tersebut. Mengapa bisa demikian ?
Mengapa pokok bahasan ini disebut Teori kinetik gas ?
Pada pembahasan mengenai wujud-wujud zat (Ditinjau dari sifat mikroskopis), gurumuda telah mengulas perbedaan antara zat padat, zat cair dan zat gas berdasarkan sifat dan perilaku atom atau molekul penyusunnya. Gaya tarik (gaya elektromagnetik) antara atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat padat sangat kuat sehingga mereka selalu bergetar pada posisi yang sama dan tetap berada dalam satu kesatuan. Istilah kerennya, mereka tidak tercerai berai alias tetap ngumpul. Lebih asyik ngumpul katanya… makan gak makan asal ngumpul Ini yang menjadi alasan mengapa bentuk batu, besi, timah, emas dkk tampak padat. Semua bagian zat padat seolah-olah saling menempel.
Berbeda dengan zat padat, gaya tarik antara atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat cair kurang kuat. Akibatnya, atom atau molekul penyusun zat cair bisa bergerak lebih bebas dan tumpang tindih dengan teman-temannya. Jadi tidak perlu heran mengapa air, minyak tanah, bensin dkk kelihatan cair dan bentuknya pun bisa berubah-ubah sesuai dengan wadah yang ditempatinya. Btw, walaupun bentuk zat cair bisa berubah-ubah, volume zat cair biasanya tetap. Hal ini dikarenakan gaya tarik antara atom atau molekul penyusun zat cair masih mampu menahan mereka untuk tetap ngumpul alias tidak tercerai berai.
Zat gas mau beda sendiri. Gaya tarik antara atom atau molekul penyusun zat gas sangat lemah. Akibatnya atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat gas bisa bergerak sesuka hatinya dan dengan seenaknya mengucapkan selamat tinggal kepada temannya. Ketika mereka berpapasan pun paling cuma ciuman sebentar, setelah itu pisah lagi. Malas ngumpul katanya… lebih enak hidup sendiri… Gaya tarik yang sangat lemah ini yang membuat atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat gas tercerai berai sehingga lenyap dari penglihatan kita. Sampai di sini dirimu mual-mual atau pusink-pusink tidak ? hiks2… piss…
Karena atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat gas bisa bergerak sesuka hatinya, maka pembahasan kita selanjutnya lebih difokuskan pada zat gas. Situasi untuk zat padat dan zat cair lebih beribet dan analisis kita pun akan menjadi lebih sulit. Jadi dirimu tidak perlu heran mengapa bagian ini disebut teori kinetik gas. Teori kinetik gas sebenarnya merupakan pengembangan dari teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul dan atom-atom atau molekul-molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan. Dugaan teori kinetik ini cocok untuk situasi dan kondisi atom atau molekul penyusun zat gas.
Ketika bergerak, atom atau molekul penyusun zat gas pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK) dan momentum (p). Energi kinetik : EK = ½ mv2. Sedangkan momentum : p = mv. Kayanya bukan cuma energi kinetik (EK) dan momentum (p) saja, tetapi gaya (F) juga. Atom atau molekul khan jumlahnya banyak tuh. Ketika mereka bergerak ke sana kemari, pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan. Jadi gaya muncul karena adanya perubahan momentum ketika terjadi tumbukan. Ingat lagi pembahasan mengenai impuls dan momentum.
Kita bisa mengatakan bahwa teori kinetik gas sebenarnya didasarkan pada energi kinetik, momentum dan gaya. Ketiga hal ini yang kita pelajari pada pokok bahasan dinamika gerak (hukum newton, impuls dan momentum). Bedanya, dalam teori kinetik gas kita menerapkan ilmu dinamika pada tingkat atom atau molekul penyusun zat gas.
Sifat makroskopis dan mikroskopis zat gas
Dirimu masih ingat materi suhu dan kalor tidak ? Kalau lupa, saran terbaik dari gurumuda adalah segera meluncur ke TKP dan pelajari kembali. Pokok bahasan suhu dan kalor + Teori kinetik gas tuh saling berkaitan. Bedanya, dalam pokok bahasan suhu dan kalor kita menganalisis keadaan suatu benda (termasuk gas) berdasarkan ukuran besar alias sifat makroskopisnya. Sedangkan dalam pokok bahasan teori kinetik gas, kita menganalisis keadaan suatu benda (terutama gas) berdasarkan ukuran kecil alias sifat mikroskopisnya. Kalau bingung dengan istilah makroskopis dan mikroskopis, pahami penjelasan gurumuda berikut ini…..
Misalnya udara… Ketika kita mengatakan : udara panas sekali (suhu udara tinggi), apa yang kita katakan mungkin hanya didasarkan pada hasil pengukuran (kita mengukur suhu udara menggunakan termometer) atau apa yang dirasakan tubuh. Kita tidak tahu apa yang terjadi dengan atom-atom atau molekul-molekul penyusun udara, sehingga udara bisa panas. Jadi ketika kita mengatakan udara panas sekali (suhu udara tinggi), sebenarnya kita hanya meninjau udara berdasarkan sifat makroskopis saja. Apabila yang kita analisis adalah massa, kecepatan, energi kinetik dan momentum atom-atom atau molekul-molekul penyusun udara, maka kita dikatakan meninjau udara berdasarkan sifat mikroskopis. Sampai di sini du yu andersten ?
Nah, sifat makroskopis zat gas bisa diukur secara langsung, sedangkan sifat mikroskopis tidak bisa diukur secara langsung. Besaran-besaran yang menyatakan sifat makroskopis zat gas adalah suhu alias temperatur, volume, tekanan. Suhu udara bisa kita ukur menggunakan termometer. Volume udara juga bisa kita ukur. Kalau dirimu niup balon, biasanya semakin banyak udara yang masuk ke dalam balon, balon semakin mengembung. Dalam hal ini volume balon bertambah akibat adanya peningkatan volume udara dalam balon. Demikian juga ketika dirimu menambah angin pada ban mobil atau ban sepeda motor. Setelah mendapat sumbangan angin, ban yang pada mulanya kempis menjadi gemuk (volume ban bertambah). Selain suhu dan volume, tekanan udara juga bisa diukur. Masih ingat materi fluida statis ? Pada pokok bahasan Tekanan pada fluida, gurumuda sudah menjelaskan panjang lebar mengenai tekanan udara dan bagaimana mengukur tekanan udara.
Pada kesempatan ini, terlebih dahulu kita bahas besaran-besaran yang menyatakan sifat makroskopis zat gas, seperti suhu, volume, tekanan dan bagaimana hubungan antara besaran-besaran tersebut. Hubungan antara sifat makroskopis (suhu, volume, tekanan zat gas) dan sifat mikroskopis (kecepatan, energi kinetik, momentum atom/molekul penyusun zat gas) akan kita oprek pada episode berikutnya…
Hubungan antara Suhu (T) dan Volume (V)
Dalam pokok bahasan suhu dan kalor, kita mengenal besaran suhu alias temperatur (T). Suhu alias temperatur merupakan ukuran panas atau dinginnya suatu benda… Selain suhu, kita juga mengenal besaran volume (V). Suhu udara dan volume udara memiliki keterkaitan. Volume udara bisa berubah apabila suhu udara berubah. Jika suhu udara meningkat, maka volume udara bertambah (udara memuai)… Sebaliknya kalau suhu udara menurun, maka volume udara akan berkurang (udara menyusut). Ingat lagi pokok bahasan pemuaian (materi suhu dan kalor). Kita bisa mengatakan bahwa suhu udara berbanding lurus alias sebanding dengan volume udara. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Hubungan antara Tekanan (P) dan Suhu (T)
Selain suhu dan volume, ada juga besaran tekanan (P). Masih ingat pokok bahasan fluida statis ? Dalam fluida statis, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai tekanan (P), khususnya tekanan udara. Ingat ya, tekanan fluida (zat cair atau gas) selalu bertambah terhadap kedalaman atau semakin berkurang terhadap ketinggian. Misalnya air yang berada di dasar wadah memiliki tekanan yang lebih besar daripada air yang berada di permukaan wadah. Jadi tekanan air di dasar lebih besar daripada di permukaan. Demikian juga dengan udara… “Dasar udara” tuh ada di permukaan laut atau dekat tepi pantai. Semakin ke atas, tekanan udara semakin kecil… Apalagi di puncak gunung…
Biasanya udara di puncak gunung lebih dingin (suhu udara lebih rendah). Demikian juga tempat-tempat yang letaknya di dataran tinggi (Bandung dkk). Sebaliknya tempat-tempat yang lebih dekat dengan permukaan laut (jakarta, surabaya, semarang, makasar, yogya) lebih panas. Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa menyimpulkan bahwa suhu (T) dan tekanan (P) memiliki hubungan. Semakin besar tekanan udara, semakin tinggi suhu udara tersebut (udara makin panas). Sebaliknya, semakin kecil tekanan udara, semakin rendah suhu udara tersebut (udara makin dingin). Dengan kata lain, tekanan udara berbanding lurus alias sebanding dengan suhu udara. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Hubungan antara Tekanan (P) dan Volume (V)
Untuk membantu meninjau hubungan antara tekanan (P) dan volume (V), gurumuda ingin mengajakmu berimajinasi sejenak. Amati gambar di bawah… Permukaan wadah yang berwarna biru bisa digerakkan naik turun. Di dalam wadah ada udara. Volume udara dalam wadah 1 (volume 1) lebih besar dari volume udara dalam wadah 2 (volume 2). Volume udara dalam wadah 2 (volume 2) lebih besar dari volume udara dalam wadah 3 (volume 3). Jadi volume 1 > volume 2 > volume 3.
Catatan :
Gambar ini disederhanakan menjadi 2 dimensi. Btw, anggap saja ini gambar 3 dimensi (volume = panjang x lebar x tinggi).
Mula-mula permukaan wadah yang berwarna biru diam alias tidak bergerak (gambar 1). Ketika permukaan wadah yang berwarna biru didorong ke bawah dengan gaya F1, volume udara dalam wadah menjadi lebih kecil (gambar 2). Didorong lagi ke bawah dengan gaya F2, volume udara menjadi semakin kecil (volume 3). Ingat ya, untuk membuat volume udara menjadi lebih kecil tentu saja diperlukan gaya dorong yang lebih besar. Jadi gaya F2 tentu saja lebih besar dari F1.
Sekarang tataplah persamaan di bawah :
Luas permukaan wadah sama, karenanya besar Tekanan (P) hanya dipengaruhi oleh gaya (F) saja. Berdasarkan persamaan di atas, tampak bahwa Tekanan berbanding lurus dengan Gaya. Semakin besar Gaya, semakin besar Tekanan. Karena gaya F2 lebih besar dari gaya F1 , maka Tekanan udara pada wadah 3 (gambar 3) tentu saja lebih besar dari Tekanan udara pada wadah 2 (gambar 2). Jadi P3 > P2. Sebaliknya, volume udara pada wadah 3 (gambar 3) malah lebih kecil daripada volume udara pada wadah 2 (gambar 2). Bahasa gaulnya V3 <>2. Kita bisa mengatakan bahwa Tekanan udara (P) berbanding terbalik dengan volume udara (V). Semakin besar tekanan udara, semakin kecil volume udara tersebut. Sebaliknya semakin kecil tekanan udara, semakin besar volume udara tersebut. Secara matematis ditulis seperti ini :
Sejauh ini kita masih meninjau hubungan antara suhu, volume dan tekanan secara terpisah. Pertama kita hanya meninjau hubungan antara Suhu (T) dan volume (V) saja. Setelah itu kita meninjau hubungan antara Tekanan (P) dan Suhu (T). Terakhir kita meninjau hubungan antara Tekanan (P) dan Volume (V). Perlu diketahui bahwa suhu, volume dan tekanan gas memiliki keterkaitan erat. Ketiga besaran ini saling mempengaruhi. Apabila salah satu besaran berubah, kedua besaran lain akan berubah. Misalnya ketika suhu gas mengalami perubahan, volume dan tekanan gas ikut2an berubah. Apabila tekanan gas berubah, maka suhu dan volume zat gas juga ikut2an berubah. Masalahnya sekarang kita tidak tahu secara pasti seberapa besar perubahan yang terjadi. Kalau suhu gas bertambah 3oC, misalnya, besarnya perubahan yang dialami oleh volume dan tekanan tuh berapa ? Minimal harus bisa dihitung… Berdasarkan kenyataan ini, alangkah baiknya jika tinjau hubungan kuantitatif antara suhu, volume dan tekanan.
Catatan :
Hubungan kuantitatif = hubungan yang bisa dinyatakan dengan persamaan. Melalui persamaan tersebut kita bisa menghitung dan meramalkan besarnya perubahan yang terjadi.
HUKUM-HUKUM GAS (persamaan keadaan)
Setiap zat alias materi, termasuk zat gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul. Karena atom atau molekul mempunyai massa maka tentu saja zat gas juga mempunyai massa. Hubungan antara massa, suhu, volume dan tekanan zat gas dikenal dengan julukan persamaan keadaan. Jadi persamaan keadaan sebenarnya merupakan persamaan yang menggambarkan kondisi makroskopis zat gas.
Salah satu teknik yang sering dipakai dalam ilmu fisika untuk membantu menurunkan hubungan antara beberapa besaran adalah menjaga agar salah satu besaran selalu konstan (konstan = tetap = tidak berubah). Misalnya begini… Kalau kita ingin mengetahui hubungan antara suhu dan tekanan gas, maka volume gas dijaga agar selalu konstan. Kalau kita ingin mengetahui hubungan antara suhu dan volume gas maka tekanan gas dijaga agar selalu konstan. Demikian juga kalau kita ingin mengetahui hubungan antara tekanan dan volume gas maka suhu gas dijaga agar selalu konstan. Ingat ya, ketiga besaran ini saling mempengaruhi. Ketika salah satu besaran berubah, maka besaran yang lain akan berubah. Karenanya jika kita tidak menggunakan teknik ini, maka kita tidak akan bisa mengetahui secara pasti bagaimana hubungan kuantitatif antara satu besaran dengan besaran lain. Btw, dirimu dan diriku tidak perlu melakukan eskperimen lagi…. Om-om ilmuwan sudah melakukannya untuk kita. Tapi kalau dirimu ingin melakukan eksperimen lagi juga silahkan….
Hubungan antara volume dan tekanan gas (suhu gas konstan)
Almahrum Robert Boyle (1627-1691) melakukan eksperimen alias percobaan untuk menyelidiki hubungan kuantitaif antara tekanan dan volume gas. Percobaan ini dilakukan dengan memasukan sejumlah gas tertentu ke dalam sebuah wadah tertutup. Sampai pendekatan yang cukup baik, om obet menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas semakin berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas semakin bertambah. Istilah kerennya tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Boyle. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
Hukum Boyle juga bisa ditulis seperti ini :
Arti dari persamaan 1 adalah : pada suhu (T) konstan, apabila tekanan (P) gas berubah maka volume (V) gas juga berubah sehingga hasil kali antara tekanan dan volume selalu konstan. Dengan kata lain, apabila tekanan gas bertambah, maka volume gas berkurang atau sebaliknya jika tekanan gas berkurang maka volume gas bertambah, sehingga hasil kali antara tekanan dan volume selalu konstan.
Grafik yang menyatakan hubungan antara volume dan tekanan tampak seperti pada gambar di bawah.
Catatan :
Pertama, berdasarkan hasil percobaannya, om obet menemukan bahwa volume gas tidak mengalami perubahan secara teratur. Kadang cepat kadang lambat… Karenanya dirimu tidak perlu bingung mengapa garis pada grafik di atas kelihatan melengkung. Seandainya volume gas berubah secara teratur maka garis akan tampak lurus. Tapi kenyataannya tidak seperti itu. Waktu masih sekolah gurumuda bingung juga dengan persoalan ini. Kalau volume gas berbanding terbalik dengan tekanan, mengapa garisnya tidak lurus saja, kok harus pake melengkung segala. Baru tahu jawabannya di kemudian hari
Kedua, tekanan yang dimaksudkan di sini adalah tekanan absolut, bukan tekanan ukur. Kalau bingung, baca lagi pembahasan mengenai Tekanan Dalam Fluida (materi fluida statis)
Hubungan antara suhu dan volume gas (tekanan gas bernilai tetap)
Seratus tahun setelah om Obet Boyle menemukan hubungan antara volume dan tekanan, seorang ilmuwan berkebangsaan Perancis yang bernama om Jacques Charles (1746-1823) menyelidiki hubungan antara suhu dan volume gas. Berdasarkan hasil percobaannya, om Cale menemukan bahwa apabila tekanan gas selalu konstan, maka ketika suhu gas bertambah, volume gas pun ikut2an bertambah. Sebaliknya ketika suhu gas berkurang, volume gas pun ikut2an berkurang.
Hubungan antara suhu dan volume dinyatakan melalui grafik di bawah…
Perubahan volume gas akibat adanya perubahan suhu, terjadi secara teratur. Karenanya dirimu tidak perlu heran mengapa garis pada grafik ini tampak lurus (garisnya memang miring tapi bentuknya lurus alias tidak melengkung). Apabila garis pada grafik digambarkan sampai suhu yang lebih rendah maka garis akan memotong sumbu di sekitar -273 oC. Berdasarkan banyak percobaan yang pernah dilakukan, ditemukan bahwa walaupun besarnya perubahan volume setiap gas berbeda-beda, tetapi ketika garis pada grafik V-T digambarkan sampai suhu yang lebih rendah maka garis selalu memotong sumbu di sekitar -273 oC. Jadi semua gas bernasib sama… Kita bisa mengatakan bahwa seandainya gas didinginkan sampai -273 oC maka volume gas = 0. Apabila gas didinginkan lagi hingga suhunya berada di bawah -273 oC maka volume gas akan bernilai negatif. Aneh khan kalau volume sampai bernilai negatif…. volume gas = 0 saja diriku sudah sulit membayangkannya apalagi volume gas bernilai negatif. Tentu saja tidak mungkin… Cukup logis kalau kita mengatakan bahwa -273 oC merupakan suhu terendah yang bisa dicapai. Karena garis memotong sumbu di sekitar -273 oC maka sesuai dengan kesepakatan bersama, di tetapkan bahwa suhu terendah yang bisa dicapai adalah -273,15 oC.
-273,15 oC dikenal dengan julukan suhu nol mutlak dan dijadikan acuan skala mutlak alias skala Kelvin. Kelvin adalah nama almahrum Lord Kelvin (1824-1907), mantan fisikawan Inggris. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K), bukan derajat Kelvin (OK). Jarak antara derajat sama seperti pada skala celcius. 0 K = -273,15 oC dan 273,15 K = 0 oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis, bisa ditulis sebagai berikut :
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) – 273,15
Keterangan :
T = Temperatur alias suhu
K = Kelvin
C = Celcius
Jika suhu dinyatakan dalam skala Kelvin maka grafik di atas akan tampak seperti gambar di bawah…
Grafik hubungan antara volume dan suhu ini mirip seperti grafik sebelumnya. Yang diubah hanya skala suhu saja. Perubahan volume gas tetap berbanding lurus dengan perubahan suhu gas, yang ditandai dengan garis lurus yang melalui titik asal (0). Berdasarkan grafik ini, bisa disimpulkan bahwa pada tekanan tetap, volume gas selalu berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Apabila suhu mutlak gas bertambah maka volume gas juga bertambah, sebaliknya apabila suhu mutlak gas berkurang maka volume gas juga berkurang. Hubungan ini dikenal dengan julukan hukum Charles. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
Hukum Charles juga bisa ditulis seperti ini :
Arti dari persamaan 1 adalah : pada tekanan (P) konstan, apabila suhu mutlak (T) gas berubah maka volume (V) gas juga berubah sehingga hasil perbandingan antara suhu mutlak dan volume selalu konstan. Dengan kata lain, jika suhu mutlak gas bertambah, maka volume gas juga bertambah atau sebaliknya jika suhu mutlak gas berkurang maka volume gas juga berkurang, sehingga hasil perbandingan antara suhu dan volume selalu konstan.
Catatan :
Yang dimaksudkan dengan suhu mutlak gas adalah suhu gas yang dinyatakan dalam skala Kelvin. Apabila suhu masih dalam skala Celcius, maka ubah terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin.
Hubungan antara Tekanan gas dan Suhu gas (volume gas bernilai tetap)
Setelah om Obet dan om Cale mengabadikan namanya dalam ilmu fisika, om Joseph Gay-Lussac (1778-1850) pun tidak mau ketinggalan. Berdasarkan percobaan yang dilakukannya, om Jose menemukan bahwa apabila volume gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, suhu mutlak gas pun ikut2an bertambah. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, suhu mutlak gas pun ikut2an berkurang. Istilah kerennya, pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Gay-Lussac. Secara matematis ditulis sebagai berikut :
Hukum Gay-Lussac juga bisa ditulis seperti ini :
Arti dari persamaan 1 adalah : pada volume (V) konstan, apabila tekanan (P) gas berubah maka suhu mutlak (T) gas juga berubah sehingga hasil perbandingan antara tekanan dan suhu mutlak selalu konstan. Dengan kata lain, jika tekanan gas bertambah, maka suhu mutlak gas juga bertambah atau sebaliknya jika tekanan gas berkurang maka suhu mutlak gas juga berkurang, sehingga hasil perbandingan antara tekanan dan suhu selalu konstan.
Catatan :
Yang dimaksudkan dengan suhu mutlak gas adalah suhu gas yang dinyatakan dalam skala Kelvin. Apabila suhu masih dalam skala Celcius, maka ubah terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin.
Perlu diketahui bahwa hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac memberikan hasil yang akurat apabila tekanan dan massa jenis gas tidak terlalu besar. Di samping itu, ketiga hukum tersebut juga hanya berlaku untuk gas yang suhunya tidak mendekati titik didih. Berdasarkan kenyataan ini, bisa disimpulkan bahwa hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac tidak bisa diterapkan untuk semua kondisi gas. Oya, yang dimaksudkan dengan gas di sini adalah zat gas yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Istilah kerennya gas riil alias gas nyata… misalnya oksigen, nitrogen dkk…
Karena hukum Boyle, Hukum Charles dan hukum Gurumuda… eh hukum Gay-Lussac tidak bisa berlaku untuk semua kondisi gas riil, maka kita memerlukan sebuah pendekatan baru. Pada episode berikutnya, dirimu akan berkenalan dengan konsep Gas Ideal alias gas sempurna. Gas ideal ini tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Gas ideal hanya sebuah model ideal saja, mirip seperti konsep benda tegar dan fluida ideal. Jadi kita menganggap ketiga hukum gas di atas berlaku dalam semua kondisi gas ideal.
Catatan :
Pertama, dalam menyelesaikan soal-soal hukum gas, suhu alias temperatur harus dinyatakan dalam skala Kelvin
Kedua, apabila tekanan gas masih berupa tekanan ukur, ubah terlebih dahulu menjadi tekanan absolut. Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan ukur
Contoh soal 1 : Hukum Boyle (hubungan volume vs tekanan pada suhu konstan)
Pada suhu 20 oC, gas karbon dioksida memiliki volume = 20 liter dan tekanan ukur = 4 x 105 N/m2. Berapakah volume gas jika tekanan ukurnya diturunkan menjadi 2 x 105 N/m2 ?
Panduan jawaban :
1 N/m2 = 1 Pa (satu pascal)
Tekanan atmosfir (Patm) = 1,01 x 105 Pa = 1,01 x 102 kPa = 101 kPa (kPa = kilo pascal)
Tekanan ukur 1 = 4 x 105 N/m2 = 400 kPa
Tekanan ukur 2 = 2 x 105 N/m2 = 200 kPa
Yang diketahui adalah tekanan ukur. Oprek dulu menjadi tekanan absolut. Tekanan absolut = Tekanan atm + Tekanan ukur
P1 = Patm + Pukur 1 = 101 kPa + 400 kPa = 501 kPa
P2 = Patm + Pukur 2 = 101 kPa + 200 kPa = 301 kPa
V1 = 20 liter
V2 = ?
Sekarang kita tumbangkan soal
Jika tekanan diturunkan, maka volume gas bertambah menjadi 33,3 liter
33,3 L = 33,3 x 103 mL = 33,3 x 103 cm3
33,3 L = 33,3 dm3 = 33,3 x 10-3 m3
Keterangan :
L = liter
mL = mili liter
cm3 = centimeter kubik
dm3 = desimeter kubik
m3 = meter kubik
Contoh soal 2 : Hukum Charles (hubungan volume vs suhu pada tekanan konstan)
Pada tekanan 101 kPa, suhu sejumlah gas oksigen = 20 oC dan volumenya = 20 liter. Berapakah volume gas oksigen jika suhunya dinaikan menjadi 40 oC ?
Panduan jawaban :
T1 = 20 oC + 273 = 293 K
T2 = 40 oC + 273 = 313 K
V1 = 20 L
V2 = ?
Jika suhu gas oksigen dinaikkan maka volumenya juga bertambah menjadi 21,4 Liter. Besarnya pertambahan volume gas adalah : 21,4 liter – 20 liter = 1,4 liter
Contoh soal 3 : Hukum Gay-Lussac (hubungan tekanan vs suhu pada volume konstan)
Pada suhu 20 oC, tekanan ukur ban mobil = 300 kPa. Setelah mobil melaju dengan kecepatan tinggi, suhu di dalam ban naik menjadi 40 oC. Berapa tekanan di dalam ban sekarang ?
Panduan jawaban :
T1 = 20 oC + 273 = 293 K
T2 = 40 oC + 273 = 313 K
P1 = Patm + Pukur 1 = 101 kPa + 300 kPa = 401 kPa
P2 = ?
Kurangi dulu dengan tekanan atmosfir
P2 = 428,4 kPa – 101 kPa = 327,4 kPa
Setelah suhu di dalam ban meningkat menjadi 40 oC, tekanan dalam ban bertambah menjadi 327,4 kPa. Ini adalah tekanan ukur. Besarnya pertambahan tekanan adalah : 327,4 kPa – 300 kPa = 27,4 kPa
Kalau dihitung dalam persentase :
Kenaikan tekanan di dalam ban sebesar 0,09 %
Berikut ini seperangkat peralatan perang dan amunisi yang mungkin dibutuhkan :
Volume
1 liter (L) = 1000 mililiter (mL) = 1000 centimeter kubik (cm3)
1 liter (L) = 1 desimeter kubik (dm3) = 1 x 10-3 m3
Tekanan
1 N/m2 = 1 Pa
1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 102 kPa = 101,3 kPa (biasanya dipakai 101 kPa)
Pa = pascal
atm = atmosfir
Wujud-wujud zat (Berdasarkan sifat mikroskopis)
Tadi pagi waktu mau mandi, gurumuda berpikir seperti ini… seandainya air bentuknya padat seperti batu, waduh kepalaku pasti benjol-benjol. Tiap hari harus ganti gayung mandi, soalnya gayung pada pecah semua… Waktu mau minum air, gurumuda membayangkan seandainya bentuk air padat seperti batu, wah tiap hari harus bolak balik ke rumah sakit. Mulut bisa robek, apalagi usus… sebaliknya kalau bentuk batu seperti air, semua bangunan pada mencair… Semua bagunan berubah menjadi kolam renang. he2… Aneh ya, mengapa batu bentuknya padat, air bentuknya cair. Lebih aneh lagi udara… niup sana, niup sini bikin daun berjingkrak-jingkrak, atap rumah pada kabur semua tapi udaranya sendiri tidak kelihatan. Dirimu pernah melihat udara-kah ? pasti belum. Sama dunk, gurumuda juga belum pernah lihat. Dalam mimpi pun tidak pernah lihat yang namanya udara. Kehadirannya hanya bisa dirasakan… mirip2 cinta, hanya bisa dirasakan. Ihh, omong soal cinta langsung semangat. Kalau di sekolah ada mata pelajaran Cinta, pasti semuanya dapat nilai hitam Sudah hitam, tebal-tebal lagi. hiks2… Btw, mengapa udara tidak bisa kita lihat ?
Wujud-wujud zat berdasarkan sifat makroskopis
Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menjumpai tiga wujud zat yang berbeda. Ada zat padat (misalnya batu, besi dkk), zat cair (air, bensin dkk) dan zat gas (udara dkk). Ketiga wujud zat tersebut bisa dibedakan berdasarkan kemampuannya dalam mempertahankan bentuk dan ukurannya (yang dimaksudkan dengan ukuran di sini adalah volume).
Zat padat biasanya mempertahankan bentuk dan volume yang tetap. Zat cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap, tetapi menyesuaikan bentuknya dengan wadah yang ditempati. Misalnya air kalau kita masukkan ke dalam gelas, bentuknya berubah seperti gelas. Kalau air dimasukan ke dalam bak mandi, bentuknya berubah seperti bak mandi. Kalau dimasukan ke dalam plastik yang bocor, tumpah dong airnya… he2… Btw, volume zat cair biasanya selalu tetap. Segelas air kalau dimasukan ke dalam bak mandi ya volume air tetap segelas. Bentuk air boleh berubah, tetapi volumenya tidak pernah berubah. Perlu diketahui bahwa volume zat padat dan zat cair bisa berubah hanya jika diberikan gaya yang sangat besar.
Bagaimanakah dengan gas ? Zat gas tidak mempunyai bentuk dan volume yang tetap. Bentuk dan volume gas selalu disesuaikan dengan bentuk dan volume wadah yang ditempatinya. Misalnya kalau kita masukkan gas ke dalam ban dalam mobil, bentuk gas berubah seperti ban dalam mobil. Demikian juga dengan volumenya. Ketika berada dalam ban, gas menyebar memenuhi seluruh volume ban. Dalam hal ini volume gas berubah seperti volume ban. Kalau kita meniup balon (kita memasukkan udara ke dalam balon), bentuk dan volume udara akan berubah seperti bentuk dan volume balon.
Selain zat padat, zat cair dan zat gas, ada juga wujud keempat zat/materi, namanya plasma. Plasma tidak diulas kali ini. Tunggu tanggal mainnya Ok, kembali ke laptop.
Sejauh ini kita baru membedakan ketiga wujud zat berdasarkan sifat makroskopisnya saja (sifat makroksopis = bentuk dan ukuran zat). Tentu saja hal ini didasarkan pada hasil pengukuran dan pengamatan kita setiap hari. Pada kesempatan ini kita akan melihat perbedaan ketiga wujud zat berdasarkan sifat mikroskopisnya. Ingat ya, setiap zat terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul. Ketika kita mengatakan bentuk batu padat, kita tidak pernah tahu apa yang terjadi dengan atom atau molekul yang bergentayangan di dalam batu sehingga batu menjadi padat. Demikian juga dengan air atau udara. Ada apa gerangan dengan atom atau molekul penyusun air sehingga bentuk air kok cair, udara malah tidak kelihatan.
Btw, dengan melihat perbedaan ketiga wujud zat (padat, cair dan gas) berdasarkan sifat makroskopisnya, kita bisa mengatakan bahwa sifat/perilaku atom atau molekul penyusunnya pasti berbeda. Seperti apakah perbedaannya, mari kita oprek satu persatu…
Wujud-wujud zat berdasarkan sifat mikroskopis
Sebelum membahas perbedaan zat padat, zat cair dan zat gas berdasarkan sifat mikroskopisnya, terlebih dahulu kita bahas sebuah keanehan berikut ini.
Mari kita tinjau sebuah benda. Misalnya batu… Kalau kita perhatikan batu secara saksama, kita akan melihat bahwa setiap bagian batu tersebut saling menempel. Walaupun ditendang dan dilempar, bentuk dan ukurannya tidak pernah berubah (kecuali dikenai gaya yang sangat besar). Biasanya, semua bagian batu selalu berada dalam satu kesatuan. Mengapa bisa demikian ya ? Ayo berpikir sejenak…..
Ingat ya, di dalam batu tersebut bergentayangan atom-atom atau molekul-molekul. Sekarang coba dirimu berimajinasi… Bayangkanlah sebuah batu. Terserah batu besar atau kecil tidak masalah… Coba bayangkan batu tersebut tersusun dari potongan-potongan yang kecil. Bagi lagi potongan batu itu menjadi lebih kecil dan lebih kecil… sampai pada ukuran atom atau molekul. Bayangkan atom seperti sebuah bola yang ukurannya sangat kecil. Sedangkan molekul tuh beberapa bola yang saling menempel. Biar paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.
Jadi dalam batu itu terdapat buanyak sekali molekul atau atom yang ukurannya sangat kecil. Sudah bisa membayangkan atom-atom yang ada dalam batu ? Kalau belum bisa, coba lagi… Ayo latih imajinasimu… Untuk pintar fisika, selain butuh logika, imajinasi juga harus kuat.
Diameter satu atom khan 10-10 m. Kalau dirimu membayangkan atom seperti sebuah bola, maka diameter bola itu = 10-10 meter. Sangat kecil dan tidak bisa dilihat dengan mata… Hanya bisa dibayangkan. Molekul merupakan atom-atom yang saling menempel, sehingga ukuran molekul lebih besar daripada atom. Btw, molekul juga tidak bisa dilihat dengan mata…
Aneh ya, atom-atom atau molekul-molekul yang kecil-kecil itu kok bisa berada dalam satu kesatuan… Kalau atom-atom atau molekul-molekul tidak berada dalam satu kesatuan tentu saja setiap bagian batu tidak saling menempel. Kenyataannya khan setiap bagian batu saling menempel sehingga bentuk batu menjadi padat. Mengapa bisa demikian ya ? Mengapa atom-atom atau molekul-molekul tidak berpisah ?
Pasti atom-atom atau molekul-molekul itu saling tarik menarik. Kalau atom-atom atau molekul-molekul tidak saling tarik menarik, tentu saja mereka sudah terbang ke mana-mana. Setiap atom atau molekul akan mengucapkan selamat tinggal kepada temannya. Dengan demikian, serpihan-serpihan batu akan tercecer di mana-mana. Serpihan-serpihan batu pun akan tercerai berai dan akhirnya tidak bisa kita lihat. Khan serpihan batu juga tersusun dari atom atau molekul. Ukuran atom kecil sekali, jadi kalau mereka berpisah, tentu saja kita tidak bisa melihat mereka… Tapi kenyataannya tidak seperti itu. Batu khan kelihatan padat, setiap bagian batu tersebut tetap saling menempel. Dengan demikian kita bisa menyimpulkan bahwa atom-atom atau molekul-molekul penyusun benda padat pasti saling tarik menarik.
Nah, gaya tarik menarik antara atom atau molekul sebenarnya merupakan gaya elektromagnetik. Mengenai hal ini akan kita oprek dalam pokok bahasan tersendiri. Adanya gaya tarik membuat atom-atom atau molekul-molekul saling mendekati. Ketika hendak berciuman, elektron-elektron yang berada pada bagian terluar dari atom atau molekul saling tolak menolak (gaya tolak elektris). Adanya gaya tolak membuat atom-atom dan molekul-molekul bergerak mundur. Meskipun atom-atom atau molekul-molekul tersebut mundur, tetapi karena ada gaya tarik maka mereka saling mendekati lagi. Demikian seterusnya… istilah kerennya, atom-atom atau molekul-molekul tersebut bergerak maju mundur (mereka bergetar), sambil mempertahankan jarak minimum antara mereka. Ingin ciuman tidak bisa, ingin kabur juga tidak bisa. Hubungan tanpa status mending putus saja… hiks2…
Catatan :
Dalam atom ada elektron (bermuatan negatif) dan inti atom. Inti atom terdiri dari proton (bermuatan positif) dan neutron (tidak bermuatan alias netral). Elektron bergerak mengelilingi inti atom. Mirip seperti planet-planet yang bergerak mengelilingi matahari. Jadi elektron tuh seperti planet dan inti atom tuh seperti matahari. Nah, posisi elektron-elektron ada di sebelah luar, sedangkan inti ada di bagian tengah alias pusat atom. Ok, kembali ke laptop…
Perbedaan zat padat, cair dan gas berdasarkan sifat mikroskopis sebenarnya terletak pada kuat dan lemahnya gaya tarik antara atom atau molekul penyusun ketiga zat tersebut.
Zat padat
Pada zat padat, gaya tarik antara atom atau molekul sangat kuat sehingga atom atau molekul penyusun zat padat selalu berada pada posisi yang tetap. Atom atau molekul pada zat padat bergerak maju mundur (bergetar), tetapi mereka selalu bergetar pada posisi yang sama.
Kuatnya gaya tarik antara atom atau molekul penyusun zat padat ini yang menjadi alasan, mengapa bentuk dan volume zat padat selalu tetap. Walaupun dirimu melempar batu atau besi, misalnya, bentuk batu atau besi sulit berubah karena gaya tarik antara atom atau molekul sangat kuat. Ketika dirimu memasukan batu atau besi ke dalam ember atau ke dalam bak mandi, volume batu atau besi tidak pernah berubah. Jadi gaya tarik yang kuat antara atom atau molekul penyusun zat padat ini yang membuat mereka tetap berada dalam satu kesatuan (tetap ngumpul) dan bentuknya kelihatan padat.
Secara garis besar, posisi atom atau molekul penyusun zat padat kira-kira seperti gambar di bawah (dikenal juga dengan julukan kisi kristal). Gambar ini diperbesar. Atom atau molekul tuh sangat kecil…
Zat cair
Pada zat cair, gaya tarik antara atom-atom atau molekul-molekul kurang kuat sehingga mereka cukup bebas bergerak ke sana ke mari, saling tumpang tindih satu dengan yang lain. Atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat cair memang bisa bergerak sesuka hatinya, tetapi mereka tidak bisa mengucapkan selamat tinggal kepada teman-temannya. Besarnya gaya tarik masih bisa menahan mereka untuk tidak kabur dan tercerai berai.
Ini yang menjadi alasan, mengapa bentuk zat cair bisa berubah-ubah tetapi volumenya selalu tetap. Ketika kita memasukan air ke dalam sebuah gelas, gaya tarik antara atom atau molekul penyusunnya kurang kuat sehingga mereka bisa berguling ria sesuka hatinya. Akibatnya, bentuk air pun berubah seperti bentuk gelas. Ketika kita memasukan segelas air ke dalam bak mandi, gaya tarik yang kurang kuat antara atom atau molekul membuat air bisa menyesuikan bentuknya dengan bentuk bak mandi. Btw, volume zat cair selalu tetap karena gaya tarik antara atom atau molekul masih mampu menahan mereka untuk tetap ngumpul. Segelas air kalau dimasukan ke dalam bak mandi, volume air tetap segelas. Atom-atom atau molekul-molekul penyusun air tidak tercerai berai sehingga volumenya selalu tetap.
Posisi atom atau molekul penyusun zat cair kira-kira seperti gambar di bawah (tanda panah menunjukka arah gerak).
Zat gas
Pada zat gas, gaya tarik antara atom atau molekul sangat-sangat lemah sehingga atom atau molekul tidak bisa berada dalam satu kesatuan. Mereka bergerak sesuka hati dan semau gue, karena tidak ada ikatan di antara mereka. Gaya tarik yang sangat lemah membuat atom-atom atau molekul-molekul penyusun zat gas tercerai berai atau tercecer di mana-mana. Atom-atom penyusun zat gas lebih bebas dari pada teman-temannya yang membentuk zat padat atau zat cair.
Posisi atom atau molekul penyusun zat gas kira-kira seperti gambar di bawah
Gaya tarik yang sangat lemah merupakan alasan mengapa bentuk dan volume zat gas bisa berubah-ubah dan mengapa udara tidak bisa dilihat dengan mata. Ukuran atom atau molekul sangat kecil sehingga jika mereka tercerai berai atau tercecer di mana-mana, maka kita tidak bisa melihat mereka. Mirip kaya pasir atau gula pasir… butir-butir pasir atau gula kalau dibiarkan tercecer di mana-mana (jarak antara setiap butir pasir jauh), maka kita sulit melihat mereka. Ukuran pasir atau gula jauh lebih besar daripada atom atau molekul sehingga walaupun tercecer, butir-butir pasir masih bisa dilihat dengan mata walaupun agak sulit. Nah, kalau atom atau molekul tuh sangat-sangat kecil. Karenanya, kalau mereka tercecer di mana-mana maka tentu saja kita tidak akan pernah melihat mereka.
Zat padat atau zat cair bisa dilihat, karena atom-atom atau molekul penyusunnya tidak tercerai berai. Besar gaya tarik pada zat padat dan zat gas masih mampu menahan mereka untuk tetap berkumpul. Gaya tarik pada zat gas sangat lemah sehingga tidak mampu menahan atom-atom atau molekul untuk tetap ngumpul. Kecilnya gaya tarik ini juga yang menjadi alasan mengapa zat gas (dan zat cair) bisa mengalir.
Teori atom dan Teori kinetik
Teori atom dan teori kinetik. Istilah apa lagi ini, bikin pusink saja. Teori atom dan teori kinetik tuh semacam kue, enak sekali… terasa lezat dan nikmat di otak… hiks2… Omong soal atom, pasti langsung ingat bom atom. Hirosima dan nagasaki langsung hancur lebur dalam sekejap, bikin orang jepang pada stress. Amerika dan kroni2nya senang, Indonesia pun ikut2an senang, lumayan mempercepat kemerdekaan. Si Dai Nippon ini sudah keterlaluan jadi sekali-sekali dihajar saja biar kapok. Untung ada fisika ya…. Btw, sebenarnya atom tuh apa sich ? sejenis roti bakar-kah
Sebelum kita membahas teori kinetik gas dkk, terlebih dahulu kita pelajari teori atom dan teori kinetik. Bagaimanapun ini merupakan pengetahuan dasar yang perlu dipahami dengan baik. Seperti biasa, dari balik blog gurumuda mengucapkan selamat bertempur, semoga dirimu tidak lari terbirit-birit… he2…. piss….
Teori atom
Sejak ribuan tahun lalu, orang yunani kuno percaya bahwa setiap zat murni (misalnya emas murni, besi murni , tembaga dll) terdiri dari atom-atom. Orang yunani sok tahu saja. Menurut mereka, kalau sebuah zat murni dipotong menjadi kecil, lalu potongan kecil tersebut dipotong lagi, lalu di potong lagi… demikian seterusnya, maka akan ada potongan terkecil yang tidak bisa dipotong lagi. Potongan terkecil yang tidak bisa dipotong lagi itu diberi julukan “atom”. Atom artinya “tidak dapat dibagi” (bahasa orang yunani)
(Pada waktu itu memang atom dianggap tidak bisa dibagi lagi. Tapi di kemudian hari beberapa om jenius menemukan elektron dan inti atom (proton dan neutron) sehingga anggapan bahwa atom tidak bisa dibagi lagi telah ditendang. Jadi atom tuh terdiri dari elektron (bermuatan negatif) dan inti atom. Elektron-elektron berjingkrak-jingkrak mengitari inti atom. Di dalam inti atom terdapat proton (bermuatan positif) dan neutron (netral alias tidak bermuatan). Bukan cuma ini, masih ada lagi… pernah dengar quark dkk ? nanti baru kita oprek dalam pokok bahasan tersendiri… Ok, kembali ke laptop)
Perlu diketahui bahwa teori atom juga punya saingan. Kalau dalam dunia perpolitikan, istilahnya oposisi. Kalau dalam dunia pertemanan, istilahnya lawan alias musuh bebuyutan. hehe… Ada sebuah teori lain, namanya teori kontinu (kontinu = berkelanjutan). Teori ini mengatakan bahwa zat murni tuh bisa dibagi lagi sampai tak berhingga. Menurut teori ini tidak ada yang namanya potongan terkecil. Potongan terkecil masih bisa dipotong-potong dan diulek-ulek lagi menjadi lebih kecil. Dipotong lagi dan diulek lagi… demikian seterusnya menjadi tak berhingga.
Dari kedua teori ini, mana yang benar ? Teori atom yang benar atau teori kontinu ? Mene ketehe… Dalam ilmu fisika, setiap teori akan diakui secara ilmiah kalau teori tersebut bisa dibuktikan dalam eksperimen alias percobaan. Nah, pada abad 18, 19 dan 20, melalui eksperimen yang dilakukan oleh om-om ilmuwan yang kurang kerjaan, teori atom ternyata terbukti benar (kebanyakan dibuktikan dari analisis reaksi kimia). Masa sich ? yawdah kalo dirimu tidak percaya…
Sebelum membahas pembuktian teori atom, terlebih dahulu baca pesan-pesan berikut ini :
Unsur, senyawa, molekul dan atom
Dirimu sudah dapat pelajaran kimia tentang unsur dan senyawa ? mudah2an belum Gurumuda ulas lagi ya, biar dirimu lebih nyambung dengan penjelasan selanjutnya…
Unsur merupakan zat murni yang tidak dapat dibagi lagi menjadi zat lain secara kimia, misalnya emas (Au), besi (Fe), tembaga (Cu), seng (Zn), Natrium (Na), Calsium (Ca), klor (Cl), Nitrogen (N), oksigen (O), hidrogen (H) dkk. Selain unsur, ada juga yang namanya senyawa. Senyawa terdiri dari unsur-unsur. Karena terdiri dari unsur-unsur, maka senyawa masih bisa dibagi lagi menjadi unsur-unsur. Contoh senyawa adalah air. Bagian terkecil dari unsur adalah atom, sedangkan bagian terkecil dari senyawa adalah molekul. Molekul terdiri dari atom-atom yang saling nempel.
Biar dirimu lebih paham, gurumuda pakai penjelasan panjang lebar saja. Pernah lihat emas murni (emas 24 karat) ? emas murni merupakan salah satu contoh unsur. Emas murni sebenarnya terdiri dari atom-atom emas (Au). Atau contoh lain…. Pernah lihat potongan besi ? Potongan besi juga merupakan salah satu contoh unsur. Besi terdiri dari atom-atom besi (Fe). Intinya, yang namanya unsur tuh zat murni yang terdiri dari atom-atom sejenis. Kalau atom emas ya atom emas semua, kalau atom besi ya atom besi semua. Tidak pake campur. Unsur sudah. Sekarang giliran senyawa. Dirimu pernah lihat air khan ? Air yang sering dirimu lihat, pegang dan minum tuh terdiri dari molekul-molekul air (rumus kimianya H2O). Molekul air terdiri dari dua atom Hidrogen (H) dan satu atom oksigen (O). Lanjut ya….
Berikut ini beberapa pembuktian teori atom :
Pertama, hukum perbandingan tetap.
Hukum perbandingan tetap mengatakan bahwa apabila unsur-unsur bergabung menjadi senyawa, maka senyawa yang terbentuk memiliki perbandingan massa yang sama. Contohnya garam… Ingat ya, garam yang kita lihat merupakan suatu senyawa yang terdiri dari molekul-molekul garam (rumua kimianya NaCl). Secara alami, molekul garam selalu terbentuk dari 23 bagian natrium (Na) dan 35 bagian klor (Cl). Musuh bebuyutan teori atom tidak bisa menjelaskan hal ini, tetapi teori atom bisa menjelaskannya. Menurut teori atom, atom merupakan bagian terkecil dari unsur. Karenanya atom tentu punya massa. Nah, perbandingan massa unsur-unsur yang membentuk suatu senyawa pasti berkaitan dengan massa relatif atom-atom pembentuk unsur tersebut. Berdasarkan jumlah setiap unsur yang membentuk senyawa, om-om ilmuwan menentukan massa relatif atom. Dikatakan relatif karena massa relatif atom suatu unsur dibandingkan dengan massa relatif atom unsur lain…
Hidrogen merupakan atom yang paling ringan, karenanya digunakan sebagai patokan. Massa relatif atom hidrogen (H) diberi nilai 1. Dengan menggunakan massa relatif atom hidrogen sebagai patokan, maka massa relatif atom karbon (C) diberi nilai 12, massa relatif atom oksigen (O) diberi nilai 16 dst… (lihat saja tabel periodik unsur). Massa relatif atom karbon = 12 itu artinya massa satu atom karbon 12 kali lebih besar dari massa satu atom hidrogen (H). Massa relatif atom oksigen = 16 itu artinya massa satu atom oksigen 16 kali lebih besar dari massa satu atom Hidrogen (H). Yang gurumuda ulas ini baru massa relatif atom, bukan massa atom.
Dalam Sistem Internasional (SI) kita mempunyai standar massa, yakni sebuah platina iridium yang disimpan di lembaga berat dan ukuran internasional (Perancis). Berdasarkan perjanjian internasional, massa platina iridium tersebut adalah 1 kg. Ini merupakan kilogram standar. Nah, dalam skala atomik, kita juga mempunyai standar massa kedua, yakni atom karbon 12C. Berdasarkan perjanjian internasional, massa 1 atom karbon 12C adalah 12,0000 satuan massa atom terpadu (unified atomic mass units, disingkat u).
1 u = 1,66 x 10-27 kg.
Massa 1 atom Karbon (C) = 12,0000 u, massa 1 atom Hidrogen (H) = 1,0078 u, massa 1 atom Oksigen (O) = 15,9994 u, massa 1 atom Natrium = 22,9897 u dst… Mengenai massa atom, selengkapnya bisa dilihat di tabel periodik unsur.
Selain massa atom, ada juga yang namanya massa molekul. Massa molekul merupakan jumlah total massa atom-atom yang membentuk suatu molekul. Contoh… massa molekul garam (NaCl) = massa satu atom Natrium (Na) + massa satu atom Klor (Cl). Massa molekul air (H2O) = massa 2 atom hidrogen (H) + massa satu atom oksigen (O).
Kedua, gerak brown
Bukan brondong tapi brown. he2… Kisahnya begini… Pada jaman dahulu kala, hiduplah seorang ahli biologi berkebangsaan Inggris yang bernama om Robert Brown. Katanya Om obet waktu itu sedang meneliti serbuk sari yang dimasukkan ke dalam air (Tahun 1827). Air dan serbuk sari dilihat pake mikroskop. Om obet kaget bukan main-main karena merasa aneh setelah melihat si serbuk sari bergerak sendiri. Aneh karena air khan lagi diam, masa serbuk sari bergerak. Arah gerakan serbuk sari sembarang saja tapi berkelanjutan alias kontinu. Biar paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.
Waktu itu om obet menduga bahwa gerakan tersebut merupakan suatu bentuk kehidupan. Maksudnya si serbuk sari hidup, sehingga bisa jalan-jalan (serbuk sari termasuk zat organik. Zat organik = zat hidup, sedangkan zat tak organik = zat yang tak hidup alias benda mati). Tapi dugaannya keliru besar karena partikel tak organik yang berukuran kecil seperti serbuk sari juga bergerak ketika dimasukkan dalam air. Gerakan seperti ini dinamakan gerak brown, pake nama om obet brown.
Penemuan om obet ini belum bisa dijelaskan sampai dikembangkannya teori kinetik. Pending sebentar… Ikuti terus kisahnya ya, makin asyik saja neh….
Teori kinetik
Kinetik artinya bergerak (bahasa orang yunani). Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul dan atom-atom atau molekul-molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan.
Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK) dan momentum (p). Energi kinetik : EK = ½ mv2. Sedangkan momentum : p = mv. Kayanya bukan cuma energi kinetik (EK) dan momentum (p) saja, tetapi gaya (F) juga. Atom atau molekul khan jumlahnya banyak tuh. Ketika mereka bergerak ke sana kemari, pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan. Jadi gaya muncul karena adanya perubahan momentum ketika terjadi tumbukan. Ingat lagi pembahasan mengenai impuls dan momentum. Kalau sudah lupa, segera meluncur ke TKP…
Kita bisa mengatakan bahwa teori kinetik sebenarnya didasarkan pada energi kinetik, momentum dan gaya. Ketiga hal ini yang kita pelajari pada pokok bahasan dinamika gerak (hukum newton, impuls dan momentum). Bedanya, dalam teori kinetik kita menerapkan ilmu dinamika pada tingkat atom atau molekul. Teori kinetik dikembangkan oleh om obet Boyle (1627-1691), om Daniel Bernoulli (1700-1782), om Jimi Joule (1818-1889), om Kronig (1822-1879), om Rudolph Clausius (1822-1888) dan om Clerk Maxwell (1831-1879).
Adanya teori kinetik ini bisa menjelaskan penemuan om brown di atas. Menurut teori kinetik, serbuk sari bergerak karena didorong oleh molekul-molekul air yang bergerak dengan cepat. Jumlah molekul air sangat banyak, karenanya serbuk sari ditendang dari berbagai arah.
Berdasarkan hukum perbandingan tetap dan adanya penemuan gerak brown, teori atom semakin diyakini oleh para ilmuwan. Btw, teori atom khan mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom-atom. Dalam hal ini, atom merupakan potongan terkecil dari setiap zat. Dengan demikian atom tentu saja punya ukuran. Nah, masalahnya sekarang, ukuran atom tuh berapa ? panjangnya berapa, lebarnya berapa, tingginya berapa… Minimal harus ada eksperimen atau perhitungan matematis yang bisa mendeteksi ukuran atom.
Pada tahun 1905, eyang Einstein ambil alih… Waktu itu eyang Einstein menyelidiki ukuran atom secara teoritis. Berdasarkan teori atom, teori kinetik dan data yang diperoleh melalui eksperimen, eyang menemukan bahwa diameter atom adalah sekitar 10-10 m. Jadi diameter atom diperoleh melalui perhitungan. Cara menghitungnya bagaimana ? sabar ya, neh baru pokok bahasan awal. Tunggu semua materi teori kinetik gas dimuat dulu, biar dirimu lebih nyambung dengan penalaran yang dibuat eyang Einstein sebelum menghitung ukuran atom. Karena ukuran atom telah ditemukan, maka teori atom dinyatakan sah. Teori kinetik pun ikut2an sah.
Dalam buku autobiografinya, eyang menulis demikian : “Tujuan utama saya adalah menemukan berbagai kenyataan yang membenarkan bahwa atom mempunyai ukuran tertentu. Ketika dalam proses penyelidikan, saya menemukan bahwa sesuai dengan teori atomistik, seharusnya ada gerakan-gerakan partikel mikroskopik yang bisa diamati secara terbuka, tanpa mengetahui bahwa gerak brown telah lama dikenal“. Oya, buku Autobiografi tuh buku yang ditulis oleh seseorang mengenai kisah hidupnya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar