Teori Kinetik Gas. C = o C K K = K 273 o C. Keterangan : P2 = tekanan gas akhir (N/m 2 atau Pa) V1 = volume gas awal (m3)

Transkripsi

1 eori Kinetik Gas Pengertian Gas Ideal Istilah gas ideal digunakan menyederhanakan permasalahan tentang gas. Karena partikel-partikel gas dapat bergerak sangat bebas dan dapat mengisi seluruh ruangan yang ditempatinya, maka menimbulkan kesulitan dalam mempelajari sifatsifat gas riil. Sifat-sifat gas ideal adalah sebagai berikut a. Gas ideal terdiri dari partikel-partikel yang disebut molekul-molekul dalam jumlah besar. Molekul ini dapat berupa atom maupun kelompok atom. b. Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran wadah. c. Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarang (acak) dengan berbagai kelajuan. d. Partikel gas terdistribusi merata pada seluruh ruangan dalam wadah. e. Gerakan partikel gas memenuhi Hukum Newton tentang gerak. f. Setiap tumbukan yang terjadi (baik tumbukan antar molekul maupun tumbukan molekul dengan dinding) dianggap tumbukan lenting sempurna dan terjadi pada waktu yang sangat singkat. Dalam pembahasan tentang keadaan gas, ada tiga besaran yang saling berhubungan yaitu tekanan (P), volume (V), dan temperatur mutlak (). Konversi satuan : ekanan (P) : Pa = N/m = 7,5 x 0 - mm Hg mm Hg = Pa atm = 0, Pa = 760 mm Hg bar = 0 5 Pa = 00 kpa Volume (V) : liter = 0 cm = 0 - m m = 0 6 cm = 0 L emperatur () : o C = o C + 7 K K = K 7 o C Hukum-hukum tentang Gas Ideal. Hukum Boyle Seorang ilmuwan yang bernama Robert Boyle (67-69) telah menyelidiki hubungan tekanan dan volume gas dalam wadah tertutup pada temperatur tetap yang kemudian dikenal sebagai Hukum Boyle. Hukum Boyle menyatakan bahwa : hasil kali tekanan dan volume gas dalam wadah tertutup pada temperatur tetap adalah konstan. Secara matematis, Hukum Boyle dituliskan : P V = konstan P V = P V Keterangan : P = tekanan gas awal (N/m Pa) V = volume gas awal (m) P = tekanan gas akhir (N/m Pa) V = volume akhir (m )

2 Hubungan tekanan dan volume pada temperatur tetap menurut Hukum Boyle dapat digambarkan dalam bentuk grafik berikut : Contoh Soal : Suatu gas dalam ruang tertutup dengan volum V dan suhu 7 o C mempunyai tekanan,5 x 0 5 Pa. Jika kemudian gas ditekan perlahan-lahan hingga volumnya menjadi ¼ V, berapakah tekanan gas sekarang? Penyelesaian : Diketahui : = (7 + 7) K = 00 K V = V V = ¼ V P =,5 x 0 5 Pa (proses isotermik ditekan perlahan-lahan) Ditanya: P =...? Karena terjadi proses isotermik, maka digunakan persamaan Hukum Boyle. P. V = P. V (, ). V = P. (¼ V) P = Pa Jadi, tekanan gas sekarang menjadi Pa. Hukum Charles Seorang ilmuwan bernama Jacques Charles (747-8), telah menyelidiki hubungan volume dan temperatur gas pada tekanan tetap yang kemudian dikenal sebagai Hukum Charles. Hukum Charles menyatakan : volume gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya, jika tekanan gas di dalam ruang tertutup dijaga konstan. Pernyataan Charles ini dikenal sebagai Hukum Charles dan dituliskan dalam bentuk persamaan : V konstan V = volume gas awal (m ) V = volume gas akhir (m ) = temperatur mutlak awal (K) = temperatur mutlak akhir (K) V V

3 Hubungan temperatur dan volume menurut Hukum Charles tersebut dapat digambarkan dalam bentuk grafik berikut. Dari grafik di atas, jika dilihat sampai temperatur rendah, grafik akan memotong sumbu temperatur di titik -7 C 0 K. Ini menunjukkan bahwa semua gas jika dapat didinginkan sampai volume -7 C, maka volumenya akan nol. Grafik ini dapat berlaku untuk semua jenis gas. Ini berarti temperatur -7 C 0 K merupakan suhu terendah yang dapat dicapai gas. Maka temperatur -7 C 0 K disebut temperatur Nol Mutlak. Nol mutlak merupakan dasar bagi skala temperatur yang dikenal sebagai skala Kelvin.. Hukum Gay Lussac Seorang ilmuwan bernama Joseph Gay Lussac, telah menyelidiki hubungan tekanan dan temperatur gas pada volume tetap yang kemudian dikenal sebagai Hukum Gay-Lussac. Hukum Gay-Lussac menyatakan : Jika volume gas pada ruang tertutup dibuat tetap, maka tekanan gas berbanding lurus dengan temperatur gas. Pernyataan tersebut disebut Hukum Gay Lussac yang dituliskan dalam bentuk persamaan berikut : P konstan P = tekanan gas awal (N/m Pa) P = tekanan gas akhir (N/m Pa) = temperatur mutlak awal (K) = temperatur mutlak akhir (K) P Persamaan tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk grafik seperti gambar berikut. P

4 4. Hukum Boyle - Gay Lussac Hukum Boyle, hukum Charles, dan hukum Gay Lussac dapat digabungkan menjadi satu persamaan yang disebut Hukum Boyle - Gay Lussac. Hukum Boyle - Gay Lussac dinyatakan dalam bentuk persamaan : PV konstan P = tekanan gas awal (N/m Pa ) P = tekanan gas akhir (N/m Pa) V = volume gas awal (m ) V = volume gas akhir (m ) = temperatur mutlak awal (K) = temperatur mutlak akhir (K) PV P V Contoh Soal : Suatu gas ideal sebanyak 4 liter memiliki tekanan,5 atmosfer dan suhu 7 C. entukan tekanan gas tersebut jika pada suhu 47 C dan volume, liter! Penyelesaian: Diketahui: V = 4 liter V =, liter P =,5 atm = 7 C = = 00 K = 47 C = = 0 K Ditanya: P =...? P. V P. V,5 x 4 P x, 00 0,5 x 4 x 0 P 00 x, = atm Persamaan Umum Gas Ideal ekanan, volume, dan temperatur pada gas yang karakteristik yang berbeda, walaupun jumlah molekulnya sama. Persamaan gas ideal dinyatakan sebagai berikut : PV Nk PV nn k N = jumlah molekul gas NA = bilangan Avogadro (6,0 x 0 molekul/mol) n = jumlah mol gas k = konstanta Boltzman (,8 x 0 - J/K) A berbeda mempunyai 4

5 Jumlah mol gas (n) merupakan perbandingan massa gas dan massa molar gas yang dinyatakan : M n M r M = massa gas (g) Mr = massa molar gas (g/mol) Pada persamaan gas ideal, nilai NA k merupakan gabungan konstanta disebut dengan konstanta gas umum (R). Jadi, persamaan gas tersebut dapat diubah menjadi : PV nr R = konstanta gas umum = 8,4 J/mol K = 0,08 L atm/mol K Contoh Soal : Satu mol gas menempati volume m dan suhu gas pada saat tersebut adalah 7 C. entukanlah tekanan gas tersebut. Penyelesaian : Diketahui: n = mol R = 8,4 J/mol K V = m = 7 C = (7 + 7) = 400 K Jawab : Dengan menggunakan persamaan gas ideal, diperoleh : p V = n R p (l m ) = ( mol) (8,4 J/kmol K) (400 K) p =,6 x 0 N/m Jadi, tekanan gas tersebut adalah p =,4 x 0 N/m. Contoh Soal : Gas oksigen sebanyak 6 gram memiliki volume 5 liter dan tekanan x 0 5 Pa. Jika R = 8, J/mol.K, berapakah suhu gas tersebut? (Mr O = ) Penyelesaian: Diketahui: m = 6 gram Mr O = P = x 0 5 Pa R = 8, J/mol.K V = 5 liter = 5 x 0 - m Ditanya: =...? Jumlah mol gas oksigen 6 gr adalah : M 6 n = 0,5 mol M r 5

6 Untuk mencari temperatur gas digunakan persamaan gas ideal : P. V = n. R. P. V n.r 5 - ( x 0 )(5 x0 ) (0,5)(8,) =,406 x 0 K eori Kinetik Gas Beberapa sifat gas umum yang dibahas dalam teori kinetik gas antara lain :. ekanan akibat gerak molekul gas,. Energi kinetik gas dan. Kecepatan molekul gas. ekanan Gas Jika gas berada di dalam ruangan tertutup, molekul-molekul yang bergerak akan menumbuk dinding ruangan dengan kecepatan tertentu sehingga menimbulkan tekanan gas. Walaupun arah kecepatan molekul tidak sama, namun besar kecepatan (kelajuan) molekul gas ke semua arah dapat dianggap sama (vx = vy = vz = / v ). ekanan gas dinyatakan dengan rumus: P Nmv V PV Nmv Jika M adalah massa total gas dan ρ adalah massa jenis gas, maka : M = N. m dan M ρ V Maka, tekanan gas dapat dinyatakan : P ρv P = tekanan gas (N/m Pa) N = jumlah molekul gas m = massa satu molekul gas (kg) v = kecepatan rata-rata molekul gas (m/s) ρ = massa jenis gas (kg/m ) Contoh soal : Jika kecepatan partikel gas menjadi dua kali kecepatan semula, tentukanlah besarnya tekanan yang dihasilkan. Hubungan tekanan (p) terhadap kelajuan (v) adalah : Nmv P V 6

7 Maka perbandingan tekanan adalah : P P v ( v) v v Jadi, tekanan gas menjadi empat kali tekanan semula. 4. Energi Kinetik Gas Molekul gas yang bergerak mempunyai energi kinetik sebesar : EK = ½ mv Persamaan gas yang berhubungan dengan kecepatan gerak sejumlah N molekul gas dinyatakan : PV Nmv Persamaan gas untuk satu molekul gas dinyatakan : PV mv Persamaan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk lain yaitu : PV ( mv Faktor mv adalah energi kinetik. Jadi, Hubungan energi kinetik rata-rata dan tekanan dinyatakan : E k PV ) P Ek V Hubungan energi kinetik rata-rata dan temperatur dinyatakan : E k k E k Contoh soal : ekanan gas O dalam suatu ruang adalah 0 kpa dan volume gas,4 l liter. Berapa energi kinetik rata-rata molekul gas? Penyelesaian : Diketahui ; P = 0 kpa = 0 x 0 Pa V =,4 liter =,4 x 0 - m Energi kinetik rata-rata gas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : E k PV - (0 x 0 = 9,6 J =,96 x 0 J )(,4 x 0 ) k 7

8 . Kecepatan Efektif Gas Ideal Molekul-molekul gas tidak seluruhnya bergerak dalam kecepatan yang sama, maka kecepatan molekul gas dianggap sebagai kecepatan akar rata-rata (root mean square = vrms) molekul yang dinyatakan : v rms k m Keterangan : vrms = kecepatan efektif gas (m/s) = suhu mutlak (K) m = massa gas (kg) Mr = massa molar gas (g/mol) k = konstanta Boltzmann ( J/K) ρ = massa jenis gas (kg/m ) R M vrms r v rms P Contoh soal : Gas Oksigen memiliki massa molar g/mol. Hitunglah kecepatan efektif Oksigen pada suhu 7 C! (Mr O = ) Penyelesaian : Diketahui : Mr O = g/mol = x 0 kg/mol, = 7 C = = 00 K, R = 8,4 J/mol K Jawab : Kecepatan rms Oksigen dapat dicari dengan menggunakan persamaan : R M (8,4)(00) - ( x 0 ) vrms r 48 m/s Penerapan eori Kinetik Gas. Gerak Brown Pada tahun 87, Robert Brown menemukan gejala gerak sembarang yang terus-menerus dari tepung sari yang tergantung di dalam air. Gerak Brown adalah gerakan terus menerus partikel-partikel zat cair gas. Gerakan terus menerus partikel-partikel semakin cepat bila temperaturnya dinaikkan. Gerakan partikel-partikel akan menghasilkan tumbukan antarpartikel dan tumbukan partikel dengan wadahnya. umbukan berlangsung dari dan ke segala arah. Karena ukuran partikel cukup kecil, maka tumbukan yang terjadi cenderung tidak seimbang dan menghasilkan resultan tumbukan yang menyebabkan perubahan gerak partikel secara zigzag (acak). Faktor-faktor yang mempengaruhi gerak Brown :. Ukuran partikel. emperatur. Gravitasi bumi 8

9 . Penguapan Jika terjadi kenaikan temperatur, molekul-molekul air akan bergerak lebih cepat yang berarti energi kinetiknya tinggi. Molekul air yang mempunyai energi kinetik tinggi mampu melawan gaya tarik molekul lain. Akibatnya, molekul dengan energi kinetik tinggi dapat terlepas dari ikatan molekul lain, dan berubah dari fase cair ke fase gas. Akan tetapi, jika molekul tidak memiliki kecepatan yang memadai untuk berubah ke fase gas, maka ia akan tertarik kembali ke permukaan air.. Kelembaban Ketika kelembaban udara ini disebabkan oleh kandungan uap air di udara. Semakin banyak uap air di suatu tempat, semakin lembab udara di tempat tersebut. Kelembaban udara ini biasanya dinyatakan dengan kelembaban relatif. tekanan parsial HO Kelembaban relatif x 00% tekanan uap jenuh H O Kelembaban relatif sebesar persen merupakan kelembaban optimum untuk kesehatan dan kenyamanan. Jika kelembaban tinggi, akan memperkecil penguapan cairan tubuh. Jika kelembaban yang rendah dapat menyebabkan efek kekeringan pada kulit dan selaput lendir. 4. Difusi pada Organisme Hidup Difusi merupakan peristiwa bergeraknya suatu zat dari konsentrasi tinggi menuju konsentrasi rendah. Difusi dapat juga terjadi dalam gas. Sebagai contoh : Jika kita mempunyai ruang tertutup yang berisi gas, maka molekul gas yang mempunyai konsentrasi tinggi akan bergerak menuju konsentrasi rendah. Gerak molekul gas akan terhenti jika konsentrasi di setiap bagian seimbang. Difusi pada organisme hidup. Difusi gas karbon dioksida (CO) pada tumbuhan. Kita tahu bahwa tumbuhan membutuhkan CO untuk proses fotosintesis. Pada hewan juga terjadi difusi, yakni pertukaran gas oksigen dan gas karbondioksida. Pada proses pernapasan manusia, oksigen dimasukan ke paru-paru. Oksigen ini berdifusi melintasi jaringan paru-paru dan pembuluh darah. Peristiwa-peristiwa yang telah dijelaskan di atas, melibatkan gerak molekul gas. Ini berarti, peristiwa tersebut dapat dijelaskan dengan teori kinetik gas. 9