Teori Kinetik Gas Teori Kinetik Gas adal adalah ah kons konsep ep yang yang memp mempel elaj ajar arii sifa sifatt-si sifa fatt gas gas berdasarkan kelakuan partikel/molekul penyusun gas yang bergerak acak. Setiap benda, baik cairan, padatan, maupun gas tersusun atas atomatom, molekul-molekul, atau partikel-partikel. Oksigen, nitrogen, hidrogen, uap air, bahkan udara di sekitar kita merupakan contoh gas. Sifat-sifat gas dapat dibedakan menjadi sifat makroskopis dan sifat mikroskopis. Sifa Sifatt makr makro osko skopis pis gas gas dapa dapatt kit kita amat amatii dan dan kita kita ukur ukur,, sepe sepert rtii temperatur, temperatur, tekanan, dan volume. Sifa Sifatt mikro mikrosk skop opis is tida tidak k bisa bisa diam diamat atii dan dan diuku diukurr, sepe sepert rtii kela kelaju juan, an, massa tiap-tiap partikel penyusun inti, momentum, serta energi yang dikaitkan dengan tingkah laku partikel gas. Pengertian Gas Ideal Partikel-partikel gas dapat bergerak sangat bebas dan dapat mengisi seluru seluruh h ruangan ruangan yang yang ditempa ditempatin tinya. ya. Hal ini menimb menimbulk ulkan an kesuli kesulitan tan dalam dalam memp mempela elajar jarii sifa sifatt-si sifa fatt gas. gas. ntu ntuk k meny menyed eder erha hanak nakan an perm permas asal alaha ahan n ini diambil pengertian tentang gas ideal. !alam kehidupan nyata gas ideal tidak pernah ada. Sifat-sifat gas pada tekanan rendah dan suhu kamar mendekati sifat-sifat gas ideal, sehingga gas tersebut dapat dianggap sebagai gas ideal. Sifat-sifat gas ideal adalah sebagai berikut. a. "as ideal terdiri dari partikel-partikel yang disebut molekul-molekul dala dalam m juml jumlah ah besa besarr. #ole #oleku kull ini ini dapa dapatt beru berupa pa atom atom maup maupun un kelompok atom. b. kuran partikel partikel gas dapat dapat diabaikan diabaikan terhadap terhadap ukuran $adah. $adah. c. Setiap Setiap partikel partikel gas selalu selalu bergerak bergerak dengan dengan arah sembara sembarang ng %acak& %acak&.. 'rtinya, semua molekul bergerak ke segala arah dengan pelbagai kelajuan. d. Partikel Partikel gas terdistribusi terdistribusi merata merata pada seluruh ruangan ruangan dalam $adah. e. Partikel Partikel gas memenuhi memenuhi hukum hukum ne$ton tentang tentang gerak. gerak. f. Setiap Setiap tumbuk tumbukan an yang terjadi terjadi %baik %baik tumbukan tumbukan antar antar molekul molekul maupun maupun tumb tumbuk ukan an mole moleku kull deng dengan an dind dindin ing& g& adal adalah ah tumb tumbuk ukan an lent lentin ing g sempurna dan terjadi pada $aktu yang sangat singkat.
Persamaan Umum Gas Ideal !ala !alam m pemb pembah ahas asan an kead keadaa aan n gas, gas, ada ada tiga tiga besa besara ran n yang yang sali saling ng berhubungan. (esaran-besaran tersebut adalah tekanan %P&, volume %)&, dan temperatur mutlak %*&. Hubungan ketiga besaran ini telah dipelajari dan diteliti oleh para ilmu$an. ntuk mengetahui bagaimana hubungan ketiga variabel tersebut, mari kita pelajari beberapa hukum mengenai gas ideal.
1
1. Hukum Boyle Seorang ilmu$an yang menyelidiki hubungan volume dengan tekanan gas gas adal adalah ah Robert Boyle %+ Boyle %+ - ++&. (oyle telah menyelidiki hubungan tekanan tekanan dan volume gas dalam $adah tertutup pada temperatur temperatur tetap. (oyle menemukan bah$a 0 hasil kali tekanan dan volume gas pada temperatur tetap adalah konstan. Hukum ini kemudian dikenal sebagai Hukum Boyle. Boyle. Secara matematis, Hukum (oyle dituliskan dalam bentuk 0
P V = konstan
atau
P1 V1 = P2 V2
1eterangan 0 P+ 2 tekanan gas a$al %3/m & 4 )+ 2 volume gas a$al %m & P 2 tekanan gas akhir ) 2 volume akhir !ari persamaan Hukum (oyle tersebut, hubungan tekanan dan volume pada pada temp tempera eratu turr teta tetap p dapat dapat digam digambar barka kan n dala dalam m bent bentuk uk graf grafik ik sepe sepert rtii "ambar + berikut.
"ambar + 0 "rafik hubungan tekanan dan volume pada temperatur tetap. 2. Hukum Charles (erd (erdas asar arka kan n peny penyel elid idik ikan anny nya, a, Jacques Charles %+5 - +64& menemukan bah$a0 volume gas berbanding lurus dengan temperatur mudaknya, jika tekanan gas di dalam ruang tertutup dijaga konstan. Pernyataan 7harles ini dikenal sebagai Hukum Charles dan Charles dan dituliskan dalam bentuk persamaan 0
V kons konsttan
T
atau
V
1
T1
V 2
T2
1eterangan0 4 )+ 2 volume gas a$al %m & 4 ) 2 volume gas akhir %m & 2
*+ 2 temperatur mutlak a$al %1& * 2 temperatur mutlak akhir %1& Hubungan temperatur dan volume menurut Hukum 7harles tersebut dapat digambarkan dalam bentuk grafik, seperti gambar berikut.
"ambar . "rafik hubungan volume dan temperatur pada tekanan tetap. 8ika 8ika digamba digambarkan rkan sampai sampai temper temperatur atur rendah, rendah, grafik grafik akan akan memoto memotong ng sumbu di sekitar -4 97 atau : 1. ;ni menunjukkan bah$a semua gas jika dapat didinginkan sampai volume -4 97, maka volumenya akan nol. "rafik ini dapat berlaku untuk semua jenis gas. Semua jenis gas tidak dapat didinginkan didinginkan lagi, hingga tempteraturnya tempteraturnya kurang dari -4 97. ;ni berarti temperatur -4 97 atau : 1 merupakan suhu terendah yang dapat dicapai gas. gas. *emperat emperatur ur ini disebut disebut tempera temperatur tur nol mutlak mutlak.. 3ol mutlak mutlak merupa merupakan kan dasar bagi skala temperatur temperatur yang dikenal sebagai skala mutlak mutlak atau skala Kelin. Kelin. Pada skala ini, temperatur dinyatakan dalam 1elvin %1&. !. Hukum Gay "ussa# Seor Seorang ang ilmu$a ilmu$an n bern bernam ama a Joseph Joseph ay !ussac !ussac , telah telah menyel menyelidik idikii hubu hubunga ngan n teka tekana nan n dan dan temp temper erat atur ur gas gas pada pada volu volume me teta tetap. p. "ay "ay
P
T
konstan
atau
P
1
T1
P 2
T2
Persamaan tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk grafik seperti gambar 4 berikut ini.
3
"ambar 4. "rafik hubungan tekanan dan temperatur pada volume tetap $. Hukum Boyle % Gay "ussa# 1etiga hukum keadaa keada an gas yang telah kita pelajari, yaitu hukum (oyle, hukum 7harles, dan hukum "ay
T
T2
*ekanan, volume, dan temperatur pada gas yang berbeda mempunyai karakt karakteris eristik tik yang yang berbeda berbeda,, $alaup $alaupun un jumlah jumlah moleku molekulny lnya a sama. sama. ntuk ntuk itu diperlukan satu konstanta lagi yang dapat digunakan untuk semua jenis gas. 1onstanta tersebut adalah konstanta Bolt&man 'k(. 'k( . 8adi, dapat dituliskan dalam bentuk persamaan berikut 0
PV )kT
atau PV
n)* kT
1eterangan0 3 2 jumlah molekul gas 4 3 ' 2 bilangan 'vogadro %,: = +: molekul/mol& -4
k 2 konstanta (olt>man %+,46 = +:
8/1&
Pada persamaan tersebut, 3 ' k disebut dengan konstanta gas umum "R#. "R#. 8adi, persamaan gas tersebut dapat diubah menjadi 0
PV
n+T
1eterangan0 ? 2 konstanta gas umum = 6,4+5 8/mol 1 = :,:6 < atm/mol 1 Persamaan inilah yang disebut dengan Persamaan Gas Ideal. Ideal . 4
Contoh ,oal 1 o Suatu gas dalam ruang tertutup tertutup dengan volum ) dan suhu 7 mempunyai @ teka tekana nan n +,@ +,@ . +: Pa. 8ika 8ika kemudi kemudian an gas diteka ditekan n perlaha perlahan-la n-lahan han hingga hingga volumnya menjadi A ), berapakah tekanan gas sekarangB Penyelesaian !iketahui 0 *+ 2 % C 4&1 2 4:: 1 )+ 2 ) ) 2 A )
@
P+ 2 +,@ . +: Pa %proses isotermik ditekan perlahan-lahan& !itanya0 P 2 ...B 8a$ab0 P+ . )+ 2 P . ) @ +,@ . +: . ) 2 P . A ) @ P 2 @. +: Pa Contoh ,oal 2 Suatu gas ideal sebanyak 5 liter memiliki tekanan +,@ atmosfer dan suhu o o 7. *ent *entuka ukan n tekana tekanan n gas tersebut tersebut jika jika suhuny suhunya a 5 7 dan volumenya 4, literD Penyelesaian!iketahui0 )+ 2 5 liter ) 2 4, liter P+ 2 +,@ atm o *+ 2 7 2 C 4 2 4:: 1 !itanya0 P 2 ... B 8a$ab0 P .) +
+
P .)
*+ +,@ = 5
P = 4,
4::
4:
*
P +,@ = 5 = 4: 4:: = 4,
2 atm Contoh ,oal ! @ "as helium sebanyak + gram memiliki volume @ liter dan tekanan = +: Pa. 8ika ? 2 6,4+ 8/mol.1, berapakah suhu gas tersebutB Penyelesaian!iketahui0 m 2 + gram #r O 2 4 5
@
P 2 = +: Pa ? 2 6,4+ 8/mol.1 -4 ) 2 @ lite literr 2 @ = +: 4 m !itanya0 * 2 ... B 8a$ab0 #
n
#r + 4
:,@ mol
=
P.)2n.?.* *
P.)
n. ? % = +:@ &%@ =+:-4 & %:,@&%6,4+& %:,@&%6,4+& =
,5: = +: 1
Teori Kinetik Gas Salah satu sifat gas ideal adalah molekul-molekulnya dapat bergerak beba bebas s %aca %acak& k&.. Seka Sekara rang ng kita kita akan akan memb membah ahas as peng pengar aruh uh gera gerak k mole moleku kullmolek molekul ul gas terh terhada adap p sifa sifatt gas gas seca secara ra umum umum deng dengan an *eori eori 1ine 1ineti tik k "as. "as. (ebe (ebera rapa pa kons konsep ep yang yang dibic dibicar arak akan an dalam dalam teor teorii kine kineti tik k gas gas anta antara ra lain lain tekanan tekanan akibat gerak molekul gas, kecepatan molekul gas, dan energi kinetik gas. 1. Tekanan Gas *ekanan gas yang akan kita bahas adalah tekanan gas akibat gerak molek molekul ul.. 8ika 8ika gas gas ters terseb ebut ut bera berada da di dalam dalam ruan ruangan gan tert tertut utup up,, mole moleku kullmoleku molekulnya lnya akan akan menumb menumbuk uk dinding dinding ruangan ruangan dengan dengan kecepa kecepatan tan terten tertentu. tu. *ekanan gas di dalam sebuah ruangan tertutup sama dengan tekanan gas pada pada dind dindin ingn gnya ya akib akibat at ditu ditumb mbuk uk mole moleku kull gas. gas. "aya "aya tumb tumbuk ukan an yang yang merupakan laju momentum terhadap dinding inilah yang memberikan tekanan gas. Ealaupun arah kecepatan molekul tidak sama, namun besar kecepatan %kelajuan& molekul gas ke semua arah dapat dianggap sama %v = 2 vy 2 v>&. #aka, besar tekanan gas dinyatakan dengan rumus0
P
1 )m
! V
2
2
1 atau
PV
)m
! 6
#engingat bah$a 3m adalah massa gas %#& dan
#
F %massa jenis&, maka
)
tekanan dapat dicari dengan persamaan 0 1
PV
2
! 1eterangan0 P 2 tekanan gas %3/m & m 2 massa satu molekul gas %kg& v 2 rata-rata kuadrat kelajuan molekul %m/s& 4 ρ 2 massa jenis gas %kg/m & 2. /nergi /nergi Kinetik se0agai se0agai ungsi Temera Temeratur tur #olekul gas yang bergerak mempunyai energi kinetik. 1ita lihat kembali persamaan tekanan sebagai fungsi rata-rata kuadrat kelajuan di depan yang dinyatakan dengan persamaan 0
PV
1
)m2
! Persamaan tersebut berlaku jika gas terdiri dari 3 buah molekul. ntuk satu buah molekul, persamaan tersebut menjadi 0 1
m
PV
2
! Persamaan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk lain sebagai berikut.
PV Gaktor
1
2
' 1m
2
(
!2 m2 adalah energi kinetik. 8adi, persamaan tersebut dapat ditulis
2 dalam bentuk :
PV
2/ katau
! PV
/k
!
2
Pada pembahasan di atas, kita telah mendapatkan persamaan P) 2 3k* dan P) 2 n?*. #aka, persamaan energi kinetik translasi rata-rata molekul gas dapat dicari dengan rumus 0 /k !)kT atau /k ! n+T
2
2
1eterangan0 k 2 energi kinetik translasi rata-rata gas %8& -4 k 2 tetapan (olt>man %+,46 = +: 8/1& * 2 temperatur mudak gas %1& n 2 jumlah mol gas 7
Contoh ,oal $ o Suatu gas dalam ruang tertutup dengan suhu @ 7. (erapakah energi kinetik rata-rata molekul gas tersebutB Penyelesaian!iketahui0 n 2 + mol -4 k 2 +,46 = +: 8/1 * 2 %@ C 4& 1 2 44: 1 !itanya0 k 2 ...B 8a$ab0 !
/k
.k.T
! 2
-4 2 . +,46 = +: . 44:
2 ,+ = +:
-+
8oule
Contoh ,oal 3 Sebuah tangki yang volumenya @: liter mengandung 4 mol gas monoatomik. -+ 8ika energi kinetik rata-rata yang dimiliki setiap gas adalah 6, = +: 8, tentukan besar tekanan gas dalam tangkiB Penyelesaian!iketahui0 - 4 ) 2 @: liter 2 @ = +: m n 2 4 mol -+ k 2 6, = +: 8 !itanya0 P 2 ... B 8a$ab0
PV
1
)m
2
! P
2
2
) . /k
!
3 . k
4 ) n . 3 ' . k 4 ) %4&%,: = +:4 &%6, = +: -+& 4 @ = +: - @
2 +, = +: 3/m
Contoh ,oal 4 @ !i dalam ruang tertutup terdapat gas yang tekanannya 4, = +: 3/m . 8ika 4 massa jenis gas tersebut adalah kg/m , berapakah kecepatan efektif tiap partikel gas tersebutB Penyelesaian!iketahui0 4 @ P 2 4, = +: 3/m I F 2 kg/m 8
!itanya0 k 2 J B 8a$ab0 PV
1
2
! v
4P
F %4&%4, = +:-@ & = 400 m/s
Peneraan Teori Kinetik Gas 1. Gerak Bro5n Pada tahun +6, ?obert (ro$n menemukan gejala gerak sembaKrang yang terus-menerus dari tepung sari yang tergantung di dalam air. "erakan partikel tepung tersebut di dalam air kemudian dikenal sebagai gerak (ro$n. Sebelum ditemukan teori kinetik, gerakan ini belum dapat dijelaskan. Pada tahun +:@, 'lbert instein mengembangkan teori gerak (ro$n. 'nggapan dasar yang dikemukakan instein tentang fenomena tersebut adalah bah$a partikel-partikel yang tergantung bebas di dalam suatu fluida %cairan atau gas& bergerak karena temperatur medium %disebut gerak termal&. (erdasarkan prinsip ini, gerak (ro$n berasal dari tumbukan molekulmoleku molekull fluida. fluida. Sement Sementara ara partik partikelel-par partik tikel el yang yang tergant tergantung ung mendapa mendapatka tkan n tenaga kinetik rata-rata yang sama seperti molekul-molekul fluida tersebut. kuran partikel-partikel yang tergantung tersebut adalah sangat besar bila dibandingkan dengan molekul fluida. 'kibat adanya partikel yang cukup besar dan banyaknya molekul, maka tumbukan dengan partikel partikel dapat terjadi terjadi setiap saat. 2. Penguaan Proses penguapan dapat dijelaskan dengan dasar teori kinetik. #olekulmoleku molekull air tarik-m tarik-mena enarik rik satu satu sama sama lain. lain. "aya "aya tariktarik-men menari arik k ini membua membuatt moleku molekull air berdek berdekata atan n pada pada fase fase cair cair. 8ika 8ika terjad terjadii kenaik kenaikan an tempera temperatur tur,, molekul-molekul air akan bergerak lebih cepat yang berarti energi kinetiknya tinggi tinggi.. #oleku #olekull air yang yang mempuny mempunyai ai energi energi kineti kinetik k tinggi tinggi mampu mampu mela$an mela$an gaya tarik molekul lain. 'kibatny 'kibatnya, a, molekul molekul dengan energi kinetik tinggi dapat terlepas dari ikatan molekul lain, dan berubah ke fase gas. 'kan tetapi, jika molekul tidak memiliki kecepatan yang memadai untuk berubah ke fase gas, maka ia akan tertarik kembali ke permukaan air.
9
!. Kelem0a0an !alam kehidupan sehari-hari, kita kadang mengatakan bah$a udara di sekita sekitarr kita kita kering kering atau atau lembab lembab.. 1eadaan 1eadaan ini disebut disebut kelemb kelembaban aban udara. udara. 1etika kelembaban udara ini disebabkan oleh kandungan uap air di udara. Semakin banyak uap air di suatu tempat, semakin lembab udara di tempat tersebut. 1elembaban 1elembaban udara ini biasanya dinyatakan dinyatakan dengan kelembaban kelembaban relatif. 1elemb 1elembaban aban relati relatiff merupa merupakan kan perban perbanding dingan an tekana tekanan n parsial parsial air terhada terhadap p tekanan uap jenuh pada temperatur tertentu. Kelem0a0an relati6
tekanan arsial H27
8 199:
tekanan ua ;enuh H27
1elemb 1elembaban aban relati relatiff sebesa sebesarr 5: - @: persen persen merupa merupakan kan kelemb kelembaban aban opti optimu mum m untu untuk k kese keseha hata tan n dan dan keny kenyam aman anan an.. 8ika 8ika kita kita bera berada da di suat suatu u ruan ruangan gan yang yang memp mempun unyai yai kelem kelembab baban an ting tinggi, gi, biasa biasany nya a pada pada hari hari yang yang panas, akan memperkecil penguapan cairan tubuh. Sementara kelembaban yang yang rendah rendah dapat dapat menyeb menyebabk abkan an efek efek kekeri kekeringan ngan pada pada kulit kulit dan selaput selaput lendir.
$. at dari dari konsen konsentra trasi si tinggi menuju konsentrasi rendah. Peristi$a difusi dapat diperhatikan ketika mene menete tesk skan an >at >at pe$a pe$arn rna a ke dala dalam m gela gelas s beri berisi si air air. Lat Lat pe$a pe$arn rna a yang yang mempunyai mempunyai konsentrasi konsentrasi lebih tinggi daripada konsentrasi air, air, akan menyebar ke selu seluru ruh h air air, $ala $alaup upun un kali kalian an tida tidak k meng mengad aduk uk air air. Penc Pencam ampu pura ran n ini ini disebabkan oleh gerakan molekul yang acak. !ifu !ifusi si dapa dapatt juga juga terj terjad adii dala dalam m gas. gas. Seba Sebaga gaii cont contoh oh,, asap asap hasi hasill pembakaran akan menyebar di udara. 8ika kita mempunyai ruang tertutup yang berisi gas, maka molekul gas yang mempunyai konsentrasi tinggi akan bergerak menuju konsentrasi rendah. "erak molekul gas akan terhenti jika konsentrasi di setiap bagian seimbang. !ifusi !ifusi sangat sangat pentin penting g bagi bagi organi organisme sme hidup. hidup. #isaln #isalnya, ya, difusi difusi gas karbon karbon dioksida %7O& pada tumbuhan. 1ita tahu bah$a tumbuhan membutuhkan 7O untuk proses fotosintesis. 7O dari luar ini akan berdifusi dari luar daun ke dalam melalui stomata. Selain tumbuhan, pada he$an juga terjadi difusi, yakn yaknii pert pertuk ukar aran an gas gas oksi oksige gen n dan dan gas gas karb karbon ondi diok oksi sida da.. Pada Pada pros proses es pernapasan manusia, oksigen dimasukan ke paru-paru. Oksigen ini berdifusi melintasi jaringan paru-paru dan pembuluh darah. Perist Peristi$ai$a-per perist isti$a i$a yang yang telah telah dijelas dijelaskan kan di atas, atas, melibat melibatkan kan gerak gerak moleku molekull gas. gas. ;ni berart berarti, i, perist peristi$a i$a tersebu tersebutt dapat dapat dijelas dijelaskan kan dengan dengan teori teori kinetik gas.
10
