10/14/2012. Gas Nyata. Faktor pemampatan (kompresi), Z. Faktor Kompresi, Z. TERMODINAMIKA KIMIA (KIMIA FISIK 1 ) Sistem Gas Nyata

Transkripsi

1 10/14/01 Jurusan Kimia - FMIA Universitas Gadjah Mada (UGM) ERMODINAMIKA KIMIA (KIMIA FISIK 1 ) Sistem Gas Nyata Gas Nyata engamatan bahwa gas-gas nyata menyimpang dari hukum gas ideal terutama sangat terlihat pada tekanan tinggi dan temperatur rendah (relatif mendekati titik kondensasi gas). rendah Ideal tinggi Ideal Drs. Iqmal ahir, M.Si. Laboratorium Kimia Fisika,, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu engetahuan Alam Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 5581 el : ; Fax : iqmal@ugm.a.id atau iqmal.tahir@yahoo.om Website : Gas Nyata Gas nyata berbeda dari gas ideal karena terdapat interaksi di antara molekul-molekulnya. Gaya tolakan ukup berpengaruh saat molekul-molekul akan saling bertumbuk khususnya pada tekanan sangat tinggi. Gas pada tekanan tinggi, gas yang kurang dapat terkompresi Gaya tarik yang akan bekerja saat jarak antar molekul yang relatif jauh (beberapa kali diameter molekul) Gas pada tekanan menengah yang lebih dapat ditekan karena gaya tarik lebih dominan. ada tekanan rendah, baik gaya tolakan maupun tarikan tidak lagi berpengaruh sehingga mendekati gas ideal. Faktor pemampatan (kompresi), Z Faktor kompresi, Z, : Rasio volume molar aktual suatu gas dibandingkan terhadap volume molar gas tersebut pada & yang sama dimana m /n Menggunakan hukum gas ideal, p m RZ atau nrz Faktor Kompresi, Z Faktor kompresi suatu gas merupakan ukuran penyimpangan dari keadaan ideal ergantung pada tekanan (pengaruh gaya tolakan atau tarik) z 1 pada tekanan rendah, berkelakuan seara ideal z < 1 pada tekanan sedang maka gaya tarikan dominan, z > 1 pada tekanan tinggi terlihat gaya tolakan dominan ersamaan virial keadaan Untuk gas karbondioksida ada temperatur tinggi (>50 C) dan volume molar tinggi ( m > 0.3 L/mol), garis isotherm terlihat mendekati gas ideal Kammerlingh-Onnes (1911) telah mengkaji pola gas nyata dengan pendekatan menggunakan ekspansi virial (persamaan deret) Lebih umum dengan berbasis n/ (1/ m ) B, C tergantung pada temperatur B, C disebut koefisien virial kedua, ketiga. Ekspansi virial ini umum digunakan pada beberapa kajian kimia fisik CO 1

2 10/14/01 ersamaan virial keadaan ersamaan virial keadaan Gambaran koefisien virial kedua untuk berbagai gas pada variasi temperatur Koefisien virial harus ditentukan seara eksperimen Nilai koefisien ketiga dan seterusnya sangat keil dibandingkan koefisien kedua : B/ m >> C/ m ersamaan virial keadaan ersamaan virial keadaan Untuk ampuran, koefisien tergantung pada fraksi mol B x 1 B 11 + x 1 x B 1 + x B Faktor kompresi, Z, adalah fungsi dari p dan Untuk gas ideal dz/dp (slope grafik) 0 x 1 x B 1 menunjukkan interaksi di antara kedua gas Untuk gas nyata, dz/dp dapat ditentukan dengan persamaan virial : Substitusikan m ( m Z m ); dan m R/p Slope dz/d B + pc +. ada saat p 0, dz/d B, Namun demikian nilai B sendiri tidak perlu 0. Oleh karena itu meskipun gas nyata Z 1 ketika p 0, maka kemiringan kurva Z terhadap p tidak mendekati nol (nilai gas sempurna) emperatur Boyle Karena koefisien virial bergantung, mungkin terdapat isoterm pada tertentu yang memiliki Z mendekati 1 dengan kemiringan nol pada tekanan rendah atau volume molar tinggi. disebut emperatur Boyle, b ada B, B 0 dan karena nilai koefisien keil maka berlaku p m R untuk gas nyata Jadi pada b b, sifat gas nyata sama dengan sifat gas sempurna sewaktu p 0 atau m engembunan ada suatu temperatur konstan, jika suatu gas nyata phases CO ditekan dengan mengikuti isoterm berawal dari A, terlihat : Di dekat A, p meningkat mengikuti hukum Boyle (kelakuan sebagai gas nyata) Mulai dari B sampai ke C mulai terjadi penyimpangan hukum Boyle, tetapi p tetap bertambah ada titik C, p berhenti tidak bertambah (untuk CO,~ 60 atm) Sifat gas ideal hilang Cairan mulai munul dan terdapat dua fasa sepanjang garis CE Gas tetap ada pada setiap titik karena kompresi diimbangi dengan pengembunan. ekanan pada kondisi garis CDE ini yakni saat airan dan uap berada pada keadaan kesetimbangan disebut tekanan uap dari airan pada temperatur eksperimen. ada titik E, seluruh gas mengembun menjadi airan engurangan volume lebih jauh akan memerlukan pengerahan tekanan yang sangat besar.

3 10/14/01 Konstanta Kritis Konstanta kritis untuk variasi gas Untuk kasus CO pada isoterm 404,19K atau 31,04 o C, terdapat keadaan istimewa pada teori keadaan materi, yang disebut temperatur kritis ( ). ada kondisi ini dua fasa air dan gas tidak berlangsung dan berimpit pada satu titik tunggal, tanda * di kurva, yang disebut sebagai titik kritis. Kondisi pada titik kritis ini dinamakan konstanta kritis meliputi : emperatur kritis ( ) ekanan kritis ( ) olume molar kritis ( ) Di atas hanya ada fase gas, jadi fase airan suatu zat tidak mungkin terbentuk. ariabel tereduksi Asas keadaan yang berkesusaian Sebagai skala relatif untuk membandingkan sifat beberapa obyek Menggunakan konstanta kritis sebagai sifat fisik suatu gas maka akan diperoleh skala baru. R R R (ekanan tereduksi) (emperatur tereduksi) (olume molar tereduksi) engamatan yang mewujudkan gas nyata pada volume dan temperatur yang sama melakukan tekanan tereduksi yang sama disebut asas keadaan yang bersesuaian. Contoh : Sampel argon dengan volume molar 17, L.mol -1 dipertahankan pada 10,0 atm dan 80 K. ada volume molar, tekanan dan temperatur berapa sampel nitrogen dalam keadaan yang berkesusaian seperti sampel argon itu? Data : Gas /atm /(m 3.mol -1 ) / K Ar N R R R ersamaan keadaan lain ersamaan virial adalah bersifat fenomenologikal dimana konstantanya tertentu untuk suatu gas dan harus ditentukan seara eksperimen. Beberapa persamaan keadaan untuk gas nyata antara lain adalah: Berthelot (1898) Lebih baik dari pada persamaan van der Waals pada tekanan yang tidak lebih dari 1 atm p + n a ( ( nb) nr A, B merupakan suatu konstanta van der Waals (1873) Dieterii (1899) p nr nb a n p Re a / Rm m b R m b a m 3

4 10/14/01 ersamaan van der Waals Koreksi untuk tolakan molekular nr n a nb Gaya tolak menolak antarmolekul, menyebabkan volume molekul gas walaupun keil tidak dapat diabaikan. Molekul gas tidak lagi bergerak bebas dalam wadah dengan volume, tetapi dalam ruangan yang lebih keil ( nb) Sehingga : p nr menjadi p ( nb) nr Koreksi untuk gaya tarikan molekular Gaya tarik menarik antarmolekul akan mengurangi gaya tumbukan pada dinding wadah yaitu sebanding dengan konsentrasi molar molekul gas (n/). Karena p tergantung pada frekuensi tumbukan dg dinding dan gaya tiap tumbukan, maka tekanan gas riil berkurang sebanding dengan (n/). Sehingga : p nr menjadi (p + an /v ) n R ersamaan van der Waals n a + p nr nb a n ( nb) nr R m b a m Koefisien van der Waals gas a /atm.l.mol - b /10 - L. mol -1 Ar CO He Xe ersamaan van der Waals Ideal vs van derwaals n 1 Ideal Gas (150K) Xe (150K) Ideal Gas (450K) Xe (450 K) Ideal Gas (89.75K) Xe (89.75K) Di atas, fiting ukup baik Di bawah, terdapat penyimpangan J.D van der Waals Johannes Diderik van der Waals ( ), seorang fisikawan dari Belanda yang memenangkan hadiah Nobel tahun 190 dalam bidang fisika karena mengkaji persamaan keadaan gas dan airan. ersamaan ini merupakan teori semiempirikal karena berbasis pada hasil pengamatan eksperimen yang dikombinasikan dengan perlakuan termodinamik (Liters) 0 ersamaan van der Waals Contoh K; n 0.5 moles Ideal Gas CO (van der Waals) nr n a nb (L) emperatus kritis CO adalah 304. K (31.05 C) Di bawah, terjadi osilasi Loop van der Waals Model yang tidak realistik karena kenaikan p dapat menyebabkan kenaikan volume. Umumnya diperbaiki dengan garis lurus pada area tersebut ( Konstruksi Maxwell) 4

5 10/14/01 Ciri-iri persamaan van der Waals 1. Isoterm gas ideal diperoleh pada >>> dan m besar R/m-b - a/ m a/ m dapat diabaikan, karena m >>> maka m-b m sehingga : R/m (GAS IDEAL). Cairan dan gas dapat berada bersama bila gaya kohesi dan efek dispersi berada dalam keadaan kesetimbangan, yaitu bila : R/m b a/ m (bentuk loop pada isoterm) Ciri-iri persamaan van der Waals 3. Konstanta kritis berhubungan dengan koefisien-koefisien van der Waals Untuk <, kurva isoterm berosilasi melalui suatu titik minimum dan diikuti oleh suatu maksimum. ada, kurva isoterm mempunyai titik infleksi dengan slope dan kelengkungannya sama dengan NOL ( + a/ m ) ( m b) R ada (,, dan ) : Slope d/dm -R/(m-b) + a/ 3 m 0 Kelengkungan d /d mr/(m-b) 3 6a/ 4 m0 Hasil enyelesaian: m. 3b a/3 m. a/7 b 8.m./3R 8a/7 R.b Z.m./R. 3/ Ciri-iri persamaan van der Waals 4.emperatur Boyle juga berkaitan dengan temperatur kritis. ersamaan van der Waals dapat diubah menjadi persamanirial R/m {1/(1-bm -1 ) - a/(r.m) } selama bm -1 < 1, maka: (1-b/m) b/m + b / m + sehingga: R/m { 1 + b/m + (b/m) + - a/rm } R/m { 1 + (b-a/r) 1/m +.. } Koefisien virial kedua: ada suhu Boyle, B0, sehingga: Sementara itu: 8a/7R.b, shg: B b a/r B a/rb B 7/8 5