i
GAS IDEAL
LAPORAN
Oleh: LESTARI ANDALURI 100308066 I
LABORATORIUM TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012
ii
GAS IDEAL
LAPORAN
Oleh: LESTARI ANDALURI 100308066 I
Laporan sebagai salah satu syarat untuk dapat mengikuti praktikum di Laboratorium Termodinamika dan Pindah Panas Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara
Medan, Juni 2012 Asisten
(Haris Sucipto, STP.)
LABORATORIUM TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan kasih karunia-Nya lah penulis dapat menyelesaikan laporan ini dengan baik dan tepat pada waktunya. Adapun judul dari laporan ini adalah “Gas Ideal”. Dengan tujuan dari pembuatan laporan ini adalah sebagai salah satu syarat agar dapat mengikuti praktikum di Laboratorium Termodinamika dan Pindah Panas Departemen Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan. Pada kesempatan kali ini penulis mengucapkan terima kasih kepada ibu Riswanty Sigalingging ,STP , M.Si selaku dosen penanggung jawab dan pengajar mata kuliah Termodinamika dan Pindah Panas. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada abang asisten yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan laporan ini. Penulis menyadari bahwa pembuatan laporan ini masih jauh dari kesempurnaan, baik dari segi pembuatan atau tata cara penulisannya. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan ini berguna bagi siapa saja yang membaca.
Medan,
Juni 2012
Penulis
i
ii
DAFTAR ISI
Hal KATA PENGANTAR .......................................................................................... i DAFTAR ISI ......................................................................................................... ii DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... iii PENDAHULUAN Latar Belakang ...................................................................................................... 1 Tujuan Praktikum .................................................................................................. 2 TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 3 BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Praktikum .............................................................................. 6 Bahan dan Alat ...................................................................................................... 6 Prosedur Kerja ....................................................................................................... 6 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil ...................................................................................................................... 8 Perhitungan ........................................................................................................... 8 Pembahasan ........................................................................................................... 11 KESIMPULAN ..................................................................................................... 14 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 16 LAMPIRAN
ii
iii
DAFTAR LAMPIRAN
Hal Lampiran 1 ............................................................................................................ 17 Lampiran 2 ............................................................................................................ 20 Lampiran 3 ............................................................................................................ 23 Lampiran 4 ............................................................................................................ 26 Lampiran 5 ............................................................................................................ 28 Lampiran 5 ............................................................................................................ 30 Lampiran 6 ............................................................................................................ 33 Lampiran 7 ............................................................................................................ 34 Lampiran 8 ............................................................................................................ 38 Lampiran 8 ............................................................................................................ 42 Lampiran 9 ............................................................................................................ 44
iii
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Gas ideal adalah gas yang memenuhi syarat atau asumsi-asumsi sebagai berikut : (1). Gas ideal terdiri dari partikel-partikel dalam jumlah yang banyak sekali. (2). Ukuran partikel gas sangat kecil dibanding dengan bejana sehingga dapat diabaikan. (3). Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarangan. (4). Partikel gas terdistribusi merata pada seluruh ruangan dalam bejana. (5). Pada partikel gas berlaku hukum Newtin tentang gerak. (6). Setiap tumbukan antar partikel dengan dinding terjadi dengan tumbukan lenting yang sempurna. Seluruh asumsi-asumsi tadi ayng sudah diberikan oleh para ahli fisika tentang gas ideal cukup banyak. Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hukum Charles disebut gas ideal. Namun didaptkan bahwa gas yang kita jumpai yakni gas nyata, tidak secara ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanann gas, semakin besar deviasinya dari prilaku ideal. Paling tidak ada dua alasan yang menjelaskan hal ini. Pertama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume gas nyata sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Selain itu, ketika jarak antar molekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi molekul akan muncul. Diasumsikan pula bahwa untuk gas yang memenuhi kriteria gas ideal ahrus berlaku hukum-hukum Newton tentang gerak baik itu hukum Newton pertama, hukun Newton kedua, dan juga hukum Newton ketiga yang biasa disebut hukum aksi reaksi.
1
2
Apabila jumlah gas dinyatakan dalam mol (n), maka suatu bentuk persamaan umum mengenai sifat-sifat gas dapat diformasikan. Sebenarnya hukum Avogadro menyatakan bahwa 1 mol gas ideal mempunyai volume yang sama apabila suhu dan tekanannya sama. Dengan menggabungkan persaman Boyle, Charles, dan Avogadro didapat sebuah persamaan umum yang dikenal sebagai persamaan gas ideal, yaitu :
atau
PV = nRT
Tujuan Praktikum
Untuk membuktikan penggunaan persamaan hukum gas ideal.
2
3
TINJAUAN PUSTAKA
Banyak sifat-sifat dari gas ideal dapat diringkas dalam hukum gas ideal terkenal : PV = nRT Dimana P adalah tekanan, V adalah volume, n adalah jumlah mol, R adalah konstanta, dan T adalah suhu dalam Kelvin. Konstanta R dalam hukum gas ideal memiliki nilai empiris R = 8,31 J/mol K. Dalam satuan SI, ketika kamu menghitung tekanan dalam N/m
2
= Pa (Pascal) dan volume dalam m
3
(Schroeder, 2000). Pada temperatur gas ideal, pengembangan dan penyusutan ga sebagai fungsi temperatur betindak sebagai sifat termometrik. Perbandingan tekanan yang berkaitan dengan tingkat keadaan akhir, jika volumenya dipertahankan konstan, akan sama dengan perbandingan volume yang berkaitan dengan tingkat keadaan akhir jika tekanannya dipertahankan konstan :
Dengan demikian, suatu skala temperatur dapat ditetapkan yang pada skala ini perbandingan antara sembarang dua temperatur, diperlihatkan oleh perbandingan tekanan atau volume gas ideal tersebut :
(Saad, 2000). Untuk dapat mempelajari hukum-hukum dasar dari termodinamika diperlukan pendalaman prinsip dasar dan pengertian gas ideal. Secara teori
3
4
kinetis, gas ideal adalah suatu sistem titik-titik bermassa, yang sama sekali tidak mempunyai volume. Secara ilmiah persamaan gas-gas dapat diuraikan berdasarkan teori energi kinetis. Dari hasil temuan Boyle terbukti bahwa hasil perkalian tekanan dan volume jenis gas pada suhu yang konstan adalah konstan. Persamaan Boyle Mariotte dapat diformasikan sebagai berikut : perbandingan tekanan gas pada suhu konstan berbanding terbalik dengan volumenya (Mustafa, 2004). Untuk perubahan entropi pada gas ideal dapat dilihat pada bejana yang didalamnya terdapat gas ideal yang berada dalam keadaan A yang terpisah oleh kompartemen pertama, kemudian kompartemennya dibuka sehingga gas ideal mengalir ke kompartemen kedua dan keadaan berubah menjadi ke keadaan B sebagaimana bahwa telah diketahui bahwa perubahan entropi dari ekadaan A ke keadaan B dapat ditulis sebagai : S B-SA = nR ln V2 /V1. Bila N = jumlah dari molekul, dimana N = N A n, maka :
(Rusli, 2008). Esensi ketiga hukum tentang gas ideal dirangkumkan di bawah ini. Menurut tiga hukum ini hubungan antara temperatur T, tekanan P, dan volume V sejumlah n mol gas dengan terlihat. Tiga hukum gas : 1. Hukum Boyle : V = a/P (pada T, n tetap). 2. Hukum Charles : V = b.T (pada P, n tetap). 3. Hukum Avogadro : V = c.n (pada T, P tetap). (Takeuchi, 2008).
4
5
Gas ideal didefinisikan sebagai bahan yang hubungan-hubungan tekanan, volume, dan temperatur. Sifat-sifat seluruh uap yang mendekati hubungan ini pada tekanan yang relatif dan temperatur yang jauh di atas titik kritis. Fluida kerja nyata untuk banyak “gas”, siklus yang padanya tidak terjadi perubahan fase, akan mengikuti apa yang dinyatakan “hukum gas” ini dengan cukup teliti utnuk dapat membenarkan pemakain hukum pada analisis tahap pertama (Wood, 1988). Udara adalah gas. Sebagai gas maka hukum-hukum fisika tentang gas sangat berperan peting. Dibahas tentang hukum-hukum gas terutama tentang hukum gas ideal untuk udara kering dan uap air (oleh karena udara menunujukkan sifat-sifat mendekati gas ideal) (http://rollespalilingan.tripod.com, 2012). Para ahli kimia menemukan bahwa tetapan (konstan) itu sebanding dengan jumlah mol (nR). R selanjutnya disebut konstanta gas umum yang nilainya 8,315 J/mol.K. Jika n = N/Na, maka persamaan gas ideal dapat ditulis :
Jika R/Na = k, maka persamaan menjadi : PV = NkT Dengan k merupakan tetapan Boltzman yang nilainya 1,38.10
-23
J/K. Jika n = m/M
dengan n merupakan jumlah mol, m merupakan massa total gas, dan M merupakan massa molekul gas, maka persamaan gas ideal menjadi :
(Nurachmandani, 2009).
5
6
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat
Praktikum ini dilaksanakan pada hari Sabtu tanggal 31 Maret 2012 pukul 10.00 WIB di Laboratorium Termodinamika dan Pindah Panas Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara. Bahan dan Alat
Adapun bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah soal-soal yang digunakan sebagai objek dan akan dijawab pada praktikum. Adapun alat yang digunakan dalam praktikum ini adalah alat tulis yang akan digunakan untuk menulis data, kertas sebagai wadah untuk mencatat data, kalkulator untuk menghitung perhitungan data, dan tabel konversi untuk mengetahui satuan-satuan yang ada. Prosedur Kerja
1.
Dipersiapkan alat tulis dan kertas untuk mencatat data
2.
Dicatat dan dijawab data berikut -
Pada tekanan atmosfer 1 atm = 1,013.10
5
2
N/m , suhu karbondioksida
o
20 C = 293K dan volumenya 2L. Apabila tekanan diubah menjadi 201 o
KPa dan suhu dinaikkan menjadi 40 C. Hitung volume akhir gas karbondioksida tersebut! -
Tentukan volume 2mol gas pada STP!
-
Volume gas oksigen pada STP 20m . Berapa massa gas oksigen!
-
Sebuah tangki berisi 4L gas oksigen, suhu O 2 tersebut 20 C. Tekanan
3
o
5
2
20x10 N/m . Tentukan massa O 2 tersebut!
6
7
-
a. 7 lb/inch
= … cmHg
b. 2,8 bar
= … cmHg
c. 2 HP
= … Watt
d. 128 BTU = … Kal
7
8
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perhitungan
1.
Dik :
o
T1 = 20 C = 293K
P2 = 201KPa
3
-3
3
o
V1 = 2L = 2dm = 2.10 m
T2 = 40 C = 313K
P1 = 1atm Dit :
V2 = … ? 5
2
Jawab : P 2 = 201KPa = 201.000Pa = 1,98atm = 2,009.10 N/m 1 atm = 101.325Pa
=
= =
3
2,026.10-3m (313K) = 2,009 V2 (293K) 3
634,138.10-3m = 588,637V2
3
V2 = 1,07.10-3m = 1,07L 2.
Dik : 2mol gas Dit : Volume pada STP Jawab : Volume 1 mol gas pada STP 2 mol gas pada STP
3
-3
3
3
-3
3
= 22,4L = 22,4dm = 22,4.10 m = 2 x 22,4L = 44,8L = 44,8dm = 44,8.10 m
8
9
3.
Dik : VO2 = 20m
3
Dit : massa O 2 = … ? 3
3
3
3
Jawab : Volume = 20m = 20.10 dm = 20.10 L 3
Maka 20.10 LO2
mol = 892,8 mol
1 mol = 32gr Massa O2 = 892,8 x 32 = 28571,42gr = 28,57142kg 4.
-3
3
Dik : VO2 = 4L = 4.10 m
Mr = 32
o
T = 20 C = 293K 5
2
P = 20.10 N/m Dit : massa O 2 = … ? Jawab :
PV = nRT 2
20.105 N/m . 4.10-3m3 =
2
8,315 J/molK . 293K
80.10 = 76,13 (massa) maka massa = 105,08gr 5.
a. 7lb/inch = … cmHg 2
7lb/ft = 335,16Pa 335,16Pa = 0,048Psi 0,048Psi = 0,098inchHg 0,098inchHg = 0,251cmHg b. 2,8 bar = … cmHg 1bar = 750,1mmHg = 75,01cmHg 2,8bar = 2,8.75,01 = 210,028cmHg c. 2HP = … Watt 1HP = 746 Watt 2HP = 2 x 746 = 1492 Watt
9
10
d. 128BTU = … Kal 1BTU = 0,252Kkal = 252Kal 128BTU = 128 x 252 Kal = 32256 Kal
10
11
Pembahasan
Gas ideal adalah gas yang memenuhi syarat atau asumsi-asumsi sebagai berikut : (1). Gas ideal terdiri dari partikel-partikel dalam jumlah yang banyak sekali. (2). Ukuran partikel gas sangat kecil dibanding dengan bejana sehingga dapat diabaikan. (3). Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarangan. (4). Partikel gas terdistribusi merata pada seluruh ruangan dalam bejana. (5). Pada partikel gas berlaku hukum Newton tentang gerak. (6). Setiap tumbukan antar partikel dengan dinding terjadi dengan tumbukan lenting yang sempurna. Persamaan gas ideal dibagi atas 3 hukum gas ideal. Pertama oleh Boyle, hasil perkalian tekanan dan volume jenis gas pada suhu yang konstan adalah konstan ; PV = konstan, kemudian dipergunakan untuk perubahan keadaan gas yang tekanan dan volume jenis berubah, tetapi suhu gas tetap, maka diperoleh
1 atau
. Menurut Gay Lussac berlaku
, tekanan gas dan
suhu pada volume tetap berbanding terbalik. Menurut Charles berlaku rumus
, volume jenis berbanding terbalik dengan suhu gas ji ka tekanan gas tetap. Pada soal nomor 1 V 2 < V 1 hal ini disebabkan karena suhu pada V 2 < V1,
yaitu pada V1 sebesar 20C atau 293K dan suhu pada V2 sebesar 40C atau 313K. Semakin tinggi temperatur maka volume akan semakin besar. Begitu juga sebaliknya (T >, maka V >) dengan kata lain suhu naik maka volume naik. -3
3
Pada soal nomor 2 didapat hasil 2 mol gas pada STP sebesar 44,8.10 m , -3
3
1mol gas pada STP = 22,4L atau 22,4.10 m , maka jika 2 mol gas STP adalah -3
3
2 x 22,4.10 m
-3
3
= 44,8.10 m . Diketahui bahwa 1kg mol gas = 82,4dm
3
merupakan suatu tetapan. Hal ini sesuai dengan literatur Saad (2000) yang
11
12
menyatakan bahwa 1kg mol sembarang gas ideal pada tekanan atmosfer standar o
3
dan pada 0 C mencapai volume 22,41dm . 3
Pada soal nomor 3 didapat massa dari 20m O2 sebesar 28571,42gr. Hasil 3
tersebut dihitung terlebih dahulu jumlah mol 20m O2, kemudian setelah itu dihitungkan massa dari O 2. Hasil ini didapat dari rumus M = n x Mr atau
.
Hal ini sesuai dengan literatur Nurachmandani (2009) yang menyatakan bahwa
dan
.
Kemudian dari soal nomor 4 diperoleh hasil massa dari O 2 sebesar 105,083gr. Hasil ini diperoleh dengan mengoperasikan rumus PV = nRT, karena adanya hubungan antara mol, massa, tekanan, volume, temperatur dan konstanta gas. Hal ini sesuai dengan literatur Schroeder (2000) yang menyatakan bahwa sifat-sifat dari gasideal dapat diringkas dalam hukum gas ideal yaitu PV = nRT dimana P adalah tekanan, V adalah volume, n adalah jumlah mol, R adalah konstanta, dan T adalah suhu dalam Kelvin. 2
Pada soal nomor 5 bagian a 7lb/ft sama dengan 0,251cmHg kemudian bagian b ; 2,8bar sama dengan 210,028cmHg. Pada bagian c ; 2HP sama dengan 1492 Watt dan pada bagian d ; 128BTU sama dengan 32256Kal. Aplikasi gas ideal dalam kehidupan sehari-hari adalah dalam pengukuran volume suatu zat yang dapat menggunakan persamaan gas ideal. Sedangkan aplikasi dibidang pertanian misalnya dalam perancangan alat dan mesin pertanian, grading, separation, dan lain-lain. Dalam bidang pertanian kegunaan dari berat satuan dan berat jenis sangat banyak sekali. Maka untuk itu persamaan gas ideal banyak diaplikasikan dibidang pertanian misalnya jika ingin membuat suatu
12
13
rancangan alat dan mesin pertanian. Kita harus mengetahui berapa tekanan, suhu maupun volume yang bisa diaplikasikan pada alat tersebut. Persamaan PV = nRT yang menghubungkan besar tekanan, volume dan suhu menggambarkan keadaan gas. Perubahan variabel keadaan disebut proses. Proses yang suhu (T) tetap maka PV = konstan. Proses yang tekanannya selalu tetap P/T = konstan. Hasil perkalian tekanan dan volume gas pada suhu yang konstan adalah konstan. Hubungan tekanan, volume, dan suhu selalu konstan. Suatu proses merupakan laluan yang diikuti oleh suatu sistem sewaktu sistem tersebut mengalami perubahan tingkat keadaan. Selama proses ini berlangsung, terjadi perpindahan energi pada batas sistem berupa kalor atau kerja, dan perubahan sifat sistem dapat saja terjadi. Suatu proses isokorik menggunakan suatu proses yang volume sistemnya tetap konstan. Serupa dengan ini, suatu proses isobarik merupakan proses yang tekanannya tetap konstan., sementara proses isotermal merupakan proses yang temperaturnya tetap konstan. Suatu proses yang tidak melibatkan interaksi kalor disebut proses adiabatik. Boyle mengatakan bahwa dengan mengenakan tekanan dengan sejumlah voulme tertentu, volume gas yang terjebak dalam tabung gelas yang tertutup di salah satu ujungnya akan berkurang. Charles mengenai bahwa, pada tekanan tetap, volume gas akan menigkat bila temperaturnya dianikkan. Dan pada Gay Lussac kemudian memplotkan volume gas terhadap temperatur dan mendapatkan garis lurus.
13
14
KESIMPULAN
1.
Gas ideal merupakan gas yang memenuhi asumsi-asumsi berikut : suatu gas terdiri atas molekul-molekul, molekul-molekul gas ideal bergerak secara acak ke segala arah, dan tersebar merata ke seluruh bagian, jarak antar molekul gas jauh lebih besar daripada ukuran molekulnya, dan tidak ada interaksi.
2.
2
Persamaan gas ideal adalah PV = nRT, dimana P = tekanan (N/m ), volume = (L), n = jumlah mol pada gas, R = tetapan gas (8,314 N m/mol K) dan T = temperatur (K).
3.
Dari soal nomor 1 didapat hasil V 2 dari CO2 adalah 1,07L ; pada soal nomor 2 -3
3
didapat hasil volume 2mol gas STP sebesar 44,8.10 m ; pada soal nomor 3 didapat hasil bahwa massa gas O 2 sebesar 28571,42gr ; pada soal nomor 4 didapat hasil dari O2 sebesar 105,083gr ; dan pada soal nomor 5 bagian a, 2
7lb/ft sama dengan 0,251cmHg, kemudian bagian b, 2,8 bar sama dengan 210,028cmHg, bagian c, 2HP sama dengan 1492Watt, dan bagian d, 128BTU sama dengan 32,256Kal. 4.
Aplikasi gas ideal dalam kehidupan sehari-hari adalah dalam pengukuran suatu volume zat dapat menggunakan gas ideal, sedangkan dalam bidang pertanian misalnya : perancangan alat dan mesin pertanian, evaluasi kualitas, produk pertanian, grading, separation dan lain-lain.
5.
Makin tinggi temperatur gas ideal maka makin besar pula kecepatan partikelnya. Temperatur merupakan ukuran rata-rata dan energi kinetik tiap partikelnya.
14
15
6.
Hubungan tekanan, volume dan suhu adalah konstan, yaitu proses yang suhu (T) tetap maka PV = konstan dan proses tekanannya selalu tetap P/T = konstan.
7.
Pada soal nomor 1 V 2 < V 1 karena suhu pada V 2 < V1. Sebab semakin tinggi temperatur maka volume akan semakin besar begitu juga sebaliknya.
8.
Boyle mengatakan bahwa dengan mengenakan tekanan dengan sejumlah voulme tertentu, volume gas yang terjebak dalam tabung gelas yang tertutup di salah satu ujungnya akan berkurang. Charles mengenai bahwa, pada tekanan tetap, volume gas akan menigkat bila temperaturnya dianikkan. Dan pada Gay Lussac kemudian memplotkan volume gas terhadap temperatur dan mendapatkan garis lurus.
9.
Empat proses pada gas ideal : isokorik, isobarik, isotermal, dan adiabatik
15
16
DAFTAR PUSTAKA
http://rollespalilingan.tripod.com, 2012. Diakses pada tanggal 18 Maret 2012. Mustafa, B., 2004. Dasar Termodinamika Teknik. Penerbit Universitas Trisakti, Jakarta. Nurachmandani, S., 2009. http://www.scribd.com. Fisika 2 [diakses pada 2 April 2012]. Rusli, R. H., 2008. Termodinamika Proses Material. Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta. Saad, M. A., 2000. Termodinamika. PT Prenallindo, Jakarta. Schroeder, D.V., 2000. Thermal Physics. Addison Wesley Longman, USA. Takeuchi, Y., 2008. http://www.chem-is-try.org.MateriKimia/KimiaDasar/GasI/HukumGasIdeal. Diakses pada tanggal 2 April 2012. Wood, B.D., 1988. Penerapan Termodinamika. Penerbit Erlangga, Jakarta.
16