Bahan Ajar Fisika Teori Kinetik Gas Iqro Nuriman, S.Si, M.Pd TEORI KINETIK GAS

Transkripsi

1 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd EORI KIEIK GS Pendahuluan Gas eupakan zat dengan sifat sifatnya yang khas diana olekul atau patikelnya begeak bebas. Banyak gajala ala yang bekaitan dengan sifat gas. eoi kinetik gas enjelaskan sifat dan peilaku gas dengan enggunakan pinsip enegi dan gaya antaa patikel patikel zat. Dala fisika dikenal ada gas nyata dan gas ideal. Gas nyata adalah gas yang bena bena ada di ala, isalnya udaa, gas dala tabung dan gas hasil eaksi. Sedangankan gas ideal secaa kenyataan tidak ada, tetapi diasusikan (dianggap) ada dengan enggunakan pendekatan bahwa gas dikatakan ideal jika tekanannya at dan suhunya 0 C. Sifat Gas Ideal eoi kinetik gas bekaitan dengan gas ideal. Dala eenuhi huku huku gas pada teoi kinetik gas, gas ideal eiliki sifat sifat sebagai beikut : ) Gas tedii dai patikel patikel dala julah yang banyak dan tidak tedapat gaya anta patikel (tidak ada gaya taik enaik ataupun gaya tolak enolak). ) Patikel patikel gas senantiasa begeak bebas ke segala aah dengan lintasan luus dan acak, akibatnya patikel gas teseba secaa eata. ) Jaak antaa patikel gas jauh lebih besa daipada ukuan patikel itu sendii, sehingga ukuan patikel dapat diabaikan. 4) Setiap tubukan yang tejadi eupakan tubukan lenting sepuna, sehingga tidak tejadi kehilangan enegi saat tubukan. ) Geak patikel gas eenuhi huku huku ewton tentang gea Pesaaan Keadaan Gas Ideal Pesaaan keadaan gas adalah suatu pesaaan yang enyatakan hubungan antaa tekanan, olue dan suhu suatu gas. da tiga iluwan yang euuskan pesaaan keadaan gas yang dinyatakan dala bentuk huku fisika. Ketiga iluwan tesebut antaa lain : Robet Boyle yang dikenal dengan huku Boyle, Jacques Chales yang dikenal dengan huku Chales dan Joseph Gay Lussac yang dikenal dengan huku Gay Lussac.. Huku Boyle pada suhu gas tetap, tekanan gas bebanding tebalik dengan oluenya Penyataan diatas dapat dinyatakan dala pesaaan : P atau P.V = konstan V Untuk gas yang beada dala dua keadaan yang bebeda pada suhu tetap dinyatakan dala pesaaan : P V P V Dengan ; P = tekanan gas dala keadaan awal ( / ). P = tekanan gas dala keadaan akhi ( / ). V = olue gas dala keadaan awal ( ). V = olue gas dala keadaan akhi ( ).

2 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd B. Huku Chales pada tekanan gas tetap, olue gas sebanding dengan suhu utlaknya V Penyataan diatas dapat dinyatakan dala pesaaan : V atau konstan Untuk gas yang beada dala dua keadaan yang bebeda pada tekanan tetap dinyatakan dala pesaaan : V V Dengan ; V = olue gas dala keadaan awal ( ). V = olue gas dala keadaan akhi ( ). = suhu gas dala keadaan awal ( K ). = suhu gas dala keadaan akhi ( K ). C. Huku Gay Lussac pada olue gas tetap, tekanan gas sebanding dengan suhu utlaknya P Penyataan diatas dapat dinyatakan dala pesaaan : P atau konstan Untuk gas yang beada dala dua keadaan yang bebeda pada olue tetap dinyatakan dala pesaaan : P P Dengan ; P = tekanan gas dala keadaan awal ( / ). P = tekanan gas dala keadaan akhi ( / ). = suhu gas dala keadaan awal ( K ). = suhu gas dala keadaan akhi ( K ) D. Huku Boyle & Gay Lussac Pesaaan keadaan gas yang lebih uu yang enghubungkan besaan tekanan, olue & suhu dala bebagai keadaan dinyatakan dengan pesaaan : P. V konstan Huku Boyle & Gay Lussac untuk dua keadaan yang bebeda dinyatakan dengan pesaaan : P V P V Dengan ; P = tekanan gas dala keadaan awal ( / ). P = tekanan gas dala keadaan akhi ( / ). V = olue gas dala keadaan awal ( ) V = olue gas dala keadaan akhi ( ) = suhu gas dala keadaan awal ( K ). = suhu gas dala keadaan akhi ( K )

3 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd Pehatikan contoh dibawah ini!. Suatu gas suhunya 7 0 C eiliki olue 600 l. Beapa suhu gas aga oluenya enjadi 900 l pada tekanan tetap. Penyelesaian : Diketahui : = 7 0 C + 7 = 00 K ; V = 600 l ; V = 900 l Ditanya ; V V K Dala suatu wadah tetutup suhu suatu gas 00 K dan tekanan 0 Pa. Beapa tekanan gas pada suhu 00 K. Penyelesaian Diketahui : = 00 K ; = 00 K ; P = 0 Pa Ditanya: P P P 0 P 0 00 P P, 0.. Pa Pada suhu 0 C sebanyak 00 l gas betekanan 0 6 Pa. Beapa tekanan haus dibeikan aga oluenya enjadi setengah seula. Penyelesaian Diketahui : = 0 C ; V = 00 l ; V = 0 l ; P = 0 6 Pa Ditanya: P P V P V 0 00 P 0 P P 0.. Pa 0 4. Sebuah popa obil beisi udaa dengan olue 00 c, tekanan 0 Pa dan suhu 00 K. Bila oluenya diubah enjadi 00 c dan suhu enjadi 400 K. Beapakah tekanan gas sekaang. Penyelesaian Diketahui : = 00 K ; = 400 K ; P = 0 Pa ; V = 00 c ; V = 00 c Ditanya: P P V P V 0 00 P P P 80.. Pa Dala pebahasan tentang pesaaan keadaan gas ideal akan dijupai bebeapa istilah kiia, sepeti assa ato elatif, assa olekul elatif, ol dan bilangan ogado. a) assa ato elatif () adalah pebandingan assa ato suatu unsu tehadap assa ato unsu lain. b) assa olekul elatif () adalah julah seluuh assa ato elatif () dai ato ato penyusun suatu senyawa.

4 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd 4 c) ol (n) adalah pebandingan assa () suatu patikel tehadap assa elatifnya. d) Bilangan ogado ( ) adalah bilangan yang enyatakan julah patikel dala satu ol diana = 6,0 0 patikel / ol. Bedasakan uaian diatas dipeoleh hubungan antaa ol (n), assa () dan julah patikel () sebagai beikut : n atau n dan atau n n injau kebali pesaaan Boyle Gay Lussac, apabila assa dan julah ol gasnya tidak tetap, aka pesaaan keadaan gas akan belaku sebagai tesebut : P V n R, sehingga pesaaannya akan enjadi : P.V = n.r...(dikenal dengan pesaaan gas ideal). n adalah ol gas dan R = 8, J/ol K atau R = 0,08 L at/ol K adalah tetapan gas ideal Bentuk pesaaan lain dai gas ideal : R n, aka PV.. R....( k, k =,8 0 - J/K adalah tetapan Boltzan). Sehingga : P.V =. assa Jenis ( ) Gas Ideal n, aka PV. R. atau P.. R....( V V adalah assa P. jenis). Sehingga assa jenis gas ideal dinyatakan dengan pesaaan : R. Pehatikan contoh dibawah ini! Suatu gas yang assanya,9 kg pada suhu 7 0 C eiliki olue 600 lite dan tekanan at entukan assa olekul elatif () gas tesebut Penyelesaian : Diketahui : =,9 kg = 90 ga ; = 7 0 C + 7 = 00 K V = 600 lite ; P = at Ditanya ; ( jika R = 0,08 L at/ol K) R. 90 0, PV. 600

5 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd ugas andii estuktu. Gas dala suatu wadah eiliki tekanan,4 at, suhu 7 0 C dan olue 8 lite. Gas diapatkan sehingga oluenya enjadi 6 lite pada suhu tetap. Beapakah tekanan gas sekaang!. Gas dala uang tetutup eiliki olue 4 lite pada suhu 7 0 C dan tekanan 6 at Gas engalai peanasan secaa isobaik sehingga oluenya enjadi 6 lite. Hitunglah besa kenaikan suhu gas.!. Sebuah tabung dengan olue 0,0 beisi gas ideal besuhu 7 0 C dan tekanan, 0 Pa. Keudian tabung tesebut dipanaskan hingga encapai suhu 7 0 C. Bila peanasan belangsung pada olue tetap. Beapakah tekanan gas sekaang? 4. Gas dala uang tetutup eiliki suhu 47 0 C, tekanan 6 at dan olue 7 lite. pabila gas dipanaskan sapai suhunya naik enjadi 87 0 C dan tekanan naik sebesa at entukanlah assa jenis akhi gas!. Sebuah ban diisi udaa pada suhu 0 C dan tekanan, 0 Pa. Jika ban encapai suhu 40 0 C. Beapa bagian dai udaa awal yang kelua jika tekanan awal tetap dipetahankan! ekanan Gas Ideal Dala Ruang etutup injau suatu gas yang engandung buah olekul didala uang tetutup yang bebentuk kubus yang oluenya V dengan usuk L. Setiap olekul yang assanya begeak dengan kecepatan, kaena tubukan besifat lenting sepuna, aka ketika olekul enubuk dinding dengan kecepatan akan tepantul dengan kecepatan yang besanya saa tetapi aahnya belawanan. Jika koponen kecepatan tehadap subu X ula ula adalah aka akan tepantul dengan kecepatan. Dengan deikian tejadi peubahan oentu sebesa : P = P P P ( ( )) P Sehingga P =. Inteal waktu untuk pejalanan tesebut : jaak L t t. Kaena kecepa tan Ipuls eupakan peubahan oentu, aka I = P ; I = F. t P. Sehingga : F. t P F F F t L L Sedangkan tekanan adalah gaya pesatuan luas bidang. Luas dinyatakan dengan L L L. aka tekanan gas ideal dala uang tetutup dapat dituunkan F dai pesaaan sebagai beikut ; L P P P. (L adalah L L olue uang), aka P Volue

6 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd 6 Bedasakan sifat gas ideal bahwa setiap olekul begeak bebas ke segala aah dengan kelajuan tetap, aka ata ata kuadat kecepatan pada subu X, Y dan Z adalah saa besa. Sehingga belaku :. Dan esultan kecepatannya : y z.. Dai pesaaan : P akan dipeoleh : P..(untuk buah Volue Volue. olekul) sehingga untuk buah olekul tekanan gas akan enjadi : P Volue Hubungan tekanan gas dengan enegi kinetik gas dinyatakan dengan pesaaan sebagai beikut : Ek.. Ek sedangkan P aka : Volue.. Ek. Ek P Volue P P. atau Ek. Volue Volue Suhu dan Enegi Kinetik Gas Ideal Sebelunya telah dipeoleh bentuk hubungan antaa tekanan gas dengan enegi. Ek kinetik gas yang dinyatakan dengan pesaaan : P. atau Volue P Volue Ek. Dai pesaaan gas ideal sebelunya dipeoleh : P.V =.. Sehingga dengan easukan nilai P.V ke dala pesaaan enegi kinetik akan dipeoleh : P Volue. Ek. Ek. Ek.. aka hubungan enegi kinetik gas dengan suhu gas dinyatakan dengan : Ek Ek. atau. k dengan k =,8 0 - J/K adalah tetapan Boltzan Kecepatan Efektif Gas Ideal Kecepatan efektif ( s ) didefinisikan sebagai aka dai ata-ata kuadat kecepatan. Ek s s. s. s y Ek s dan Ek. s. z, aka :...kaena k R

7 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd 7 aka : R s. s...kaena. R.... P. engingat bahwa assa jenis R. s. P n dan n R., aka, aka, jika = buah olekul P eoea Ekipatisi Enegi eoea yang enjelaskan bahwa untuk sejulah besa patikel yang eenuhi huku geak ewton pada suatu siste dengan suhu utlak, eiliki enegi yang tebagi eata pada setiap deajat kebebasan sebesa Deajat Kebebasan ( f ) Gas Ideal Deajat kebebasan adalah caa bebas yang dapat digunakan oleh patikel untuk enyeap enegi. Setiap olekul dengan f deajat kebebasan akan eiliki enegi ata ata sebesa E = f.( ). Pada olekul gas onoatoik, olekul hanya elakukan geak tanslasi. Untuk geak tanslasi deajat kebebasannya sebesa ( f = ). Pada olekul gas diatoik, olekul elakukan geak tanslasi (f = ), geak otasi (f = ) dan geak ibasi (f = ). Besanya deajat kebebasan pada gas diatoik ditentukan oleh besanya suhu olekul gas. a. Pada suhu endah ( 0 K), olekul hanya elakukan geak tanslasi, sehingga deajat kebebasannya sebesa ( f = ). b. Pada suhu sedang ( 00 K), olekul elakukan geak sekaligus, yakni geak tanslasi (f=) & geak otasi (f = ), sehingga deajat kebebasannya sebesa (f=). c. Pada suhu tinggi ( 000 K), olekul elakukan geak sekaligus, yakni geak tanslasi (f = ), geak otasi (f = ) dan geak ibasi (f = ), sehingga deajat kebebasannya sebesa 7 ( f = 7 ).

8 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd 8 Enegi Dala ( U ) Gas Ideal Enegi dala suatu gas ideal didefinisikan sebagai julah enegi yang diiliki oleh seluuh olekul gas dala wadah tetentu. pabila tedapat buah olekul gas dala wadah, aka enegi dala ( U ) gas ideal eupakan hasil kali dengan enegi ata ata setiap olekul yang dinyatakan dengan pesaaan : U. E U. f..,...dengan f adalah deajat kebebasan. Besanya enegi dala ( U ) bedasakan deajat kebebasannya, sebagai beikut : Gas onoatoik ( f = ) sepeti ; He, e dan, aka U =... U.. Gas diatoik, sepeti O, H dan Pada suhu endah ( 0 K) ; ( f = ). U =... U.. Pada suhu sedang ( 00 K) ; ( f = ). U =... U.. 7 Pada suhu tinggi ( 000 K) ; ( f = 7 ). U =.7.. U.. Gas poliatoik, untuk gas poliatoik dengan f deajat kebebasan, enegi dala f olekul dinyatakan dengan pesaaan : U.. Pehatikan contoh dibawah ini! ) Dala uang 0, tedapat ol gas hidogen dengan suhu 00 K. Beapakah tekanan gas. (tetapan k =,8 0 - J/K) Penyelesaian Diketahui : V = 0, ; n = ol ; = 00 K gas hidogen (gas diatoik dengan suhu sedang)...f = Ditanya : P!. Ek P....dengan Ek =E = f.( )... Ek. Volue Ek. Ek,80 00,040 P., , 4 P,77 0 / n 6,00

9 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd 9 ) Sebuah tangki dengan olue 0, engandung 4 ol gas neon pada suhu 7 0 C. entukanlah : enegi kinetik gas neon & enegi kinetik ata ata setiap olekul gas Penyelesaian Diketahui : V = 0, ; n = 4 ol ; = 7 0 C C = 00 K R = 8, J/ol K Ditanya : Ek dan Ek ata-ata! a. Enegi kinetik Bedasakan pesaaan tekanan dan pesaaan keadaan gas ideal dipeoleh :. Ek P. dan P.V = n.r. Volue EK. Ek EK PV. EK. n. R. EK. n. R. EK.48, 00 EK 498 Joule b. Enegi kinetik ata ata. EK EK EK EK n EK 468 EK 6,0 4 (6,00 ) J. ) Pada suhu tetentu kecepatan 0 olekul suatu gas adalah sebagai beikut : Julah olekul Kecepatan ( /s ) entukanlah : kecepatan ata ata gas Penyelesaian : kecepatan ata ata gas. [ 0] [0] [ 40] [ 0] [ 80] 90 9 /s 0 4) Sebuah tabung beisi 0,04 ol gas yang suhunya 400 K. Jika deajat kebebasan gas pada suhu tesebut adalah dan konstanta Boltzan k =,8 0 - J/K. entukanlah enegi dala gas tesebut! Penyelesaian : Diketahui : n = 0,04 ol ; = 400 K ; f = ; k =,8 0 - J/K Ditanya : U

10 Bahan ja Fisika eoi Kinetik Gas Iqo uian, S.Si,.Pd 0 U.. dan n n U.. U [(0,04 6,00 ) (,80 ) 400 U, J. ugas andii estuktu ) Gas gon pada suhu 7 0 C, beolue lite dan tekanan at ( at = 0 Pa ) beada dala tabung. Jika R = 8,4 J. -.K -. dan banyaknya patikel dala ol gas (o) = 6,0 0 patikel. entukanlah banyaknya patikel dala tabung tesebut! ) Suatu gas ideal pada tekanan P dan suhu 7 0 C diapatkan sapai oluenya setengah kali seula. Jika suhunya dilipatkan enjadi 4 0 C, entukan besa tekanannya!. ) Sebuah uang tetutup beisi gas ideal dengan suhu dan kecepatan patikel gas. entukanlah suhu gas tesebut jika kecepatan gas enjadi. 4) Sejulah gas ideal, dengan olue V dan suhu ditepatkan dala tabung tetutup. ekanan gas ula-ula P. -. Jika tekanan gas diubah enjadi P, aka beapakah olue akhinya. ) Suhu gas ideal dala tabung diuuskan sebagai. Ek, enyatakan K suhu utlak dan Ek enyatakan enegi kinetik ata-ata olekul gas. Bedasakan pesaaan diatas, jelaskan hubungan antaa suhu () dengan enegi kinetiknya (Ek)