49 50 o F. Temperatur pada skala Fahrenheit dan Celcius TEMPERATUR 1. Teori atom zat mendalilkan bahwa semua zat terdiri dari kesatuan kecil yang disebut atom, yang biasanya berdiameter 10-10 m.. Massa atom dan molekul dinyatakan pada skala di mana karbon biasa ( 1 C) diberi nilai 1 u (satuan massa atom).. Perbedaan antara zat padat, cair, dan gas dapat dilihat dari kekuatan gaya tarik-menarik antara atom atau molekul dan laju rata-rata mereka. 4. Temperatur merupakan ukuran seberapa panas atau dingin sebuah benda. Termometer digunakan untuk mengukur temperatur pada skala Celsius ( o C), Fahrenheit ( o F), dan Kelvin (K). Dua titik standar pada setiap skala adalah titik beku air (0 o C, o F, 7,15K) dan titik didih air (100 o C, 1 o F, 7,15K). Perubahan temperatur satu Kelvin sama dengan perubahan satu Celcius derajat atau 9/5 Fahrenheit derajat. Suatu skala temperatur dapat dibentuk dengan memilih suatu sifat termometrik dan mendefinisikan bahwa temperatur itu berubah secara linear dengan sifat itu dengan menggunakan dua titik tetap, seperti titik es dan titik uap air. Dalam skala Celsius, titik es didefinisikan senilai 0 o C dan titik uap 100 o C. Dalam skala Fahrenheit, titik es adalah 0 F dan titik uap 1 dihubungkan oleh t C 9 F 0 ( t ) 5 5. Temometer yang berbeda tidak selalu sesuai satu sama lain pada pengukuran temperatur kecuali pada titik yang tetap. Termometer gas mempunyai sifat bahwa semuanya sesuai satu sama lain dalam pengukuran temperatur berapa pun selama kerapatan gas dalam termometer sangat rendah. Temperatur gas ideal T didefinisikan oleh 7,16 T P K P dengan P adalah tekanan gas dalam termometer ketika termometer ada dalam kesetimbangan termal dengan system yang temperaturnya akan diukur, dan P adalah tekanan ketika termometer dicelupkan dalam bak aires-uap pada titik tripelnya. Skala temperatur absolut atau Kelvin sama dengan skala gas ideal dalam rentang temperatur yang memungkinkan penggunaan termometer gas. Temperatur absolut dihubungkan dengan temperatur Celcius oleh T t C + 7,15 6. Perubahan panjang, L, pada benda padat, ketika temperaturnya berubah sebesar T, berbanding lurus dengan perubahan temperatur dan panjang awalnya L o. Yaitu, α, (1) L L0 T di mana α adalah koefisen muai linier. K
51 5 7. Perubahan volume pada sebagian besar zat padat, cair, dan gas sebanding dengan perubahan temperatur dan volume awal V 0 : β.koefisien muai volume, β, V V0 T kira-kira sama dengan α untuk benda padat. 8. Air memiliki sifat yang tidak biasa karena, tidak seperti sebagian besar materi yang volumenya bertambah terhadap temperatur, volumenya berkurang sementara temperatur naik dalam kisaran 0 o C sampai 4 o C. 9. Hukum gas ideal, atau persamaan keadaan untuk gas ideal, berhubungan dengan tekanan P, volume V, dan temperatur T (dalam Kelvin) dari n mol gas dengan persamaan PV nrt, () di mana R 8,15 J/mol.K untuk semua gas. Gas riil mengikuti hukum gas ideal dengan cukup baik jika tekanannya tidak terlalu tinggi atau mendekati titik cair. 10. Satu mol zat didefinisikan sebagai jumlah gram yang secara numeric sama dengan massa atom atau molekul. 11. Bilangan Avogadro, N A 6,0 10, adalah jumlah atom atau molekul dalam 1 mol zat murni apapun. 1. Hukum gas ideal dapat dituliskan dalam jumlah molekul N pada gas sebagai RV NkT, () di mana k R/N A 1,8 10 - J/K yang merupakan konstanta Boltzann. 1. Menurut teori kinetik gas, yang didasarkan pada gagasan bahwa gas terbuat dari molekul yang bergerak dengan cepat dan acak, energi kinetik moleku sebanding dengan temperatur T: r EK kt, (4) di mana k adalah konstanta Botlzaman. Pada setia saat, ada distribusi yang luas dari laju molekul di dalam gas. Energi kinetik translasi total n mol gas yang mengandung N molekul diberikan oleh 1 K N mv NkT ( ) nrt rata rata Kelajuan rms molekul gas dihubungkan dengan temperatur absolut oleh v ( v ) rms rata rata kt m RT M dengan m adalah massa molekul dan M adalah massa molar. 14. Persamaan keadaan van der Waals menggambarkan perilaku gas nyata untuk rentang temperatur dan tekanan yang lebar : an P + V ( V bn) nrt Persamaan ini ikut memperhitungkan pula ruang yang ditempati molekul dan gas itu sendiri dan tarikan antar molekul. 15. Tekanan uap adalah tekanan dengan fase cair dan fase gas suatu bahan berada dalam kesetimbangan pada suatu temperatur tertentu. Cairan mendidih pada
5 54 temperatur itu, ketika tekanan eksternal sama dengan tekanan uap. 16. Titik tripel adalah temperatur dan tekanan tertentu dengan fase gas, cair dan padat suatu zat bisa terdapat secara serentak. Pada temperatur dan tekanan di bawah titik tripel, fase cair suatu bahan tidak mungkin ada. 17. Kelembaban relatif adalah rasio tekanan parsial uap air di udara terhadap tekanan uap pada temperatur tertentu. Contoh soal: 1. Jarak antar atom. Massa jenis tembaga adalah 8,9 10 kg/m dan setiap atom tembaga mempunyai massa 6 u. Perkirakan jarak rata-rata antara atom-atom yang bersebelahan.. Mengukur temperatur Anda. Temperatur tubuh normal adalah 98,6 o F. Berapa nilai ini pada skala Celcius?. Pemuaian jembatan. Panjang dasar baja pada sebuah jembatan gantung adalah 00 m pada 0 o C. Jika titiktitik ekstrim temperatur yang bisa dialaminya adalah 0 o C sampai + 40 o C, seberapa besar jembatan tersebut akan menyusut dan memuai? 4. Apakah lubang memuai atau menyusut? Sebuah lubang bulat dipotong pada adonan kue, seperti pada gambar. Ketika adonan kue dipanaskan di oven, apakah lubang tersebut menjadi bertambah besar atau bertambah kecil? 5. Cincin pada batang. Sebuah cincin besi pas masuk pada sebuah batang besi silindris. Pada 0 o C, diameter batang adalah 6,445 cm dan diameter dalam cincin adalah 6,40 cm. Agar batang bisa masuk, cincin tersebut harus sedikit lebih besar dari diameter batang sekitar 0,008 cm. Pada temperatur berapa cincin harus dimasukkan agar lubangnya bisa cukup untuk masuknya batang? 6. Membuka tutup botol yang rapat. Ketika tutup sebuah botol kaca tertutup rapat, memegangnya di bawah air panas sebentar seringkali akan memudahkan pembukaannya. Mengapa? 7. Tangki bensin di bawah sinar matahari. Tangki baja 70 L pada sebuah mobil diisi sampai penuh dengan bensin pada 0 o C. Mobil kemudian ditinggalkan tetap berada di bawah sinar matahari, dan tangki mencapai temperatur 40 o C (104 o F). Berapa banyak bansin yang Anda perkirakan akan meluap dari tangki? 8. Tekanan pada beton di hari yang panas. Sebuah jalan bebas hambatan akan dibuat dari balok-balok beton yang panjangnya 10 m secara bersambungan tanpa adanya ruang di antaranya untuk memungkinkan pemuaian. Jika balok-balok tersebut dipasang pada temperatur 10 o C, berapa gaya tekanan yang akan terjadi jika temperatur mencapai 40 o C? Daerah kontak antara tiap balok adalah 0, m. Apakah akan terjadi retakan?. 9. Apakah udara hangat naik ke atas? Kerapatan udara hangat lebih kecil dari udara sejuk. Dengan demikian,
55 56 karena adanya gaya apung, udara hangat seharusnya naik di atmosfir. Jika demikian, mengapa udara selalu lebih dingin di puncak gunung daripada di kakinya? 10. Volume satu mol pada STP. Tentukan volume 1 mol gas apa saja pada STP, dengan menganggap gas tersebut sama dengan gas ideal. 11. Cara yang mudah untuk menghitung massa gas. Sebuah bejana oksigen (O, massa molekul u) yang fleksibel pada STP memiliki volume 10 m. Berapa massa gas di dalamnya? 1. Balon helium. Sebuah balon pesta helium yang dianggap berbentuk bola sempurna, mempunyai radius 18 cm. Pada temperatur ruangan (0 o C), tekanan dalamnya adalah 1,05 atm. Cari jumlah mol helium pada balon dan massa helium yang diperlukan untuk meniup balon sampai nilai ini. 1. Periksa ban ketika dingin. Sebuah ban mobil diisi sampai tekanan ukur 00 kpa pada 10 o C. Setelah berkendaraan 100 km, temperatur di dalam ban naik menjadi 40 o C. Berapa tekanan di dalam ban sekarang? 14. Massa atom hydrogen. Gunakan bilangan Avogadro untuk menentukan massa atom hidrogen. 15. Berapa banyaknya molekul dalam satu kali napas? Perkirakan berapa banyak molekul yang Anda hirup dalam 1 L udara pernapasan. 16. EK Molekul. Berapa energi kinetik translasi rata-rata molekul dalam gas pada 7 o C?. 17. Laju molekul udara. Berapa laju rms molekul udara (O dan N ) pada temperatur kamar (0 o C)? 18. Kelembaban relatif. Pada hari yang sangat panas, temperatur 0 o C dan tekanan parsial uap air di udara adalah 1 torr. Berapa kelembaban relatif? 19. Difusi amonia di udara. Untuk mendapatkan gambaran mengenai waktu yang diperlukan untuk difusi, perkirakan berapa lama waktu yang diperlukan agar amonia (NH ) terdeteksi pada jarak 10 cm dari sebuah botol setelah dibuka, dengan menganggap hanya difusi yang terjadi. Latihan soal: 1. Pada temperatur berapa skala Fahrenheit dan Celcius memberikan nilai numeric yang sama?. Sebuah gelas biasa diisi sampai penuh dengan 50 ml air pada 100 o C. Jika temperatur turun sampai 0 o C, berapa banyak air yang dapat ditambahkan ke gelas tersebut?. Sebuah tong anggur dengan diameter 14,1 cm pada 0 o C akan diikat dengan sabuk besi. Sabuk tersebut mempunyai diameter dalam 14,110 cm pada 0 o C. Lebarnya 8,9 cm dan tebal (0,65 cm). (a) Sampai temperatur berapa sabuk tersebut harus dipanaskan sehingga tong bisa masuk? (a) Berapa tegangan pada sabuk ketika mendingin sampai 0 o C?
57 58 4. Sebuah tangki penyimpan berisi 1,6 kg nitrogen (N ) pada tekanan absolut,65 atm. Berapa tekanan jika nitrogen diganti dengan CO dengan massa yang sama? 5. Sebuah ban diisi udara pada 15 o C dan tekanan ukur 0 kpa. Jika ban mencapai temperatur 8 o C, berapa bagian dari udara awal yang harus dikeluarkan jika tekanan awal 0 kpa dipertahankan? 6. Perkirakan berapa banyak molekul udara pada setiap L yang Anda hirup yang juga merupakan napas Einstein untuk terakhir kalinya. [Petunjuk: anggap tinggi atmosfir 10 km dan massa jenis konstan].