TERMOMETER GAS VOLUME KONSTAN

TERMOMETER GAS VOLUME KONSTAN
Agung Budi Prakoso1, Elsa Budi Prasetya2, Resti Rifiyantika3, Rijal Danialhaq4, Rio Riantana5, Rio Rizky Septianto6, Rizky Wulandari7, Yoga Tri Wardana8.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Sebelas Maret. Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan, Surakarta, 57126
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

[ABSTRAK]

Termometer gas volume tetap memiliki ketelitian dan keakuratan yang sangat tinggi, sehingga secara internasional dapat diterima sebagai instrumen standar untuk pengkalibrasian termometer lainnya. Termometer ini meggunakan gas sebagai senyawa termometrik (umumnya Hidrogen dan Helium), dengan memanfaatkan sifat termometrik berupa tekanan yang dihasilkan gas. Alat dan bahan yang dipakai adalah kontainer gas, water bath, termometer, pipa U, selang, penyedot, air raksa, air panas, dan millimeter blok. Prinsip kerja percobaan ini adalah menjaga volume agar selalu konstan. Ketika suhu bertambah tekanan gas juga bertambah. Dalam pipa U terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu konstan. Dari percobaan ini diperoleh nilai suhu (T) dan perubahan ketinggian permukaan air raksa ( h). Perbedaan tinggi tersebut sebagai tekanan (Pn). Untuk mencari nilai dari tekanan (Pn) digunakan persamaan P=P0+ ρgh, dengan P0 sebesar 1 atm yang setara dengan 76 cmHg. Pada percobaan ini digunakan perhitungan dengan menggunakan dua metode, yaitu metode grafik dan metode analisis kuadrat terkecil. Keduanya digunakan untuk menentukan besarnya nilai nol mutlak yang merupakan perpotongan sumbu x. Nilai nol mutlak yang diperoleh dari Metode Grafik adalah -273,50C dan Metode Kuadrat Terkecil adalah -345,950C dan -388,780C dengan literature -273,150C.

Keywords : Thermometer gas volume konstan, thermodinamika, volume konstan, least square.


PENDAHULUAN
Sewaktu memasak air menggunakan wadah atau ceret, air yang digunakan dalam kondisi awal dengan suhu ruangan atau suhu mula-mula diukur dengan menggunakan termometer, kemudian dipanaskan dengan menggunakan kompor sehingga suhu berubah dari T1 menjadi T2.Kenaikan suhu yang terjadi merupakan akibat dari pemanasan secara langsung terhadap wadah atau ceret yang berisi air sehingga molekul-molekul dan air saling berinteraksi memenuhi ruang di dalam wadah.Kondisi tersebut membuat tekanan di dalam wadah menjadi meningkat sebanding dengan kenaikan suhu yang terjadi. Volume air yang ada di dalam ceret secara pengamatan mengalami pengurangan karena peristiwa kondensasi sebagai akibat dari proses pemanasan. Kurang lebih seperti itu proses yang terjadi ketika memanaskan atau memasak air, sebagai contoh nyata perubahan wujud atau fase dari air menjadi gas kemudian menjadi air kembali yang melibatkan variabel tekanan (P), volume (V), dan suhu (T).
Sejalan dengan eksperimen mengenai analisa hubungan antara variabel termodinamika yakni, tekanan (P), volume (V), dan suhu (T) dibuktikan melalui pengamatan dari sifat dasar ketiga variabel tersebut dihubungkan dengan persamaan gas ideal PV = nRT sebagai acuan terhadap analisis perubahan tekanan dengan kenaikan suhu yang direpresentasikan dalam bentuk grafik kaitan antara keduanya dengan suhu (T) sebagai variable bebas (x) dengan tekanan (P) sebagai variabel terikat (y).

TINJAUAN PUSTAKA
Termometer gas volume tetap memiliki ketelitian dan keakuratan yang sangat tinggi, sehingga secara internasional dapat diterima sebagai instrumen standar untuk pengkalibrasian termometer lainnya. Termometer ini meggunakan gas sebagai senyawa termometrik (umumnya Hidrogen dan Helium), dengan memanfaatkan sifat termometrik berupa tekanan yang dihasilkan gas.Termometer gas digunakan sebagai standar oleh badan standar dan laboratorium di seluruh dunia. Karena termometer gas membutuhkan peralatan yang kompleks dan berukuran besar, memberikan respon yang lambat, serta prosedur pengukuran yang rumit, maka kebanyakan pengukuran temperatur digunakan termometer yang telah dikalibrasi (secara langsung maupun tak langsung) dengan termometer gas (Michael J. Moran, 2004).
Termometer yang nyaris sempurna atau ideal adalah thermometer gas volume konstan. Prinsip kerja termometer gas volume konstan adalah sebagai berikut :

Volume gas dijaga agar selalu tetap.Ketika suhu bertambah, tekanan gas juga bertambah.Dalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu kostan, dengan cara menaikkan atau menurunkan pipa 2 sehingga permukaan air raksa dalam pipa 1 selalu dalam tanda acuan. Jika suhu meningkat, tekanan gas dalam tabung juga meningkat.Karenanya pipa 2 harus diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan.Tekanan gas dapat diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2. Jika dengan cara manual, ingat saja kolom air raksa setinggi 760nm = tekanan 1 atm. Pada termometer gas volume konstan yang canggih sudah ada alat penghitung tekanan. Wadah yang berisi gas juga sudah dirancang agar gas selalu berada dalam volume yang tetap. Jadi yang diukur hanya perubahan tekanan saja. (Vienik, 1991)

Untuk mengkalibrasi termometer gas volume konstan, dapat mengukur tekanan gas pada dua suhu. Misalnya, gunakan suhu titik es dan suhu titik uap.Termometer gas volume konstan dikalibrasi pada tempat yang mempunyai tekanan udara 1 atm. Langkah melakukan kalibrasi termometer adalah sebagai berikut :
Tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi es dan air. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 harus diturunkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan. Jika menggunakan termometer gas volume konstan yang canggih, tabung yang berisi gas langsung dicelup ke dalam wadah yang berisi es dan air. Sudah ada alat pengukur tekanan. Catat tekanan gas tersebut (anggap saja ini tekanan 1 atau P1)
Tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 dinaikkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan gas (anggap saja ini tekanan 2 atau P2)
Dibuat grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan suhu. Lihat contoh di bawah.
Grafik Hubungan antara Tekanan dan Suhu

P1 adalah tekanan gas pada suhu titik es (0 oC) dan P2 adalah tekanan gas pada suhu titik uap (100 oC).Gambarkan sebuah garis yang menghubungkan titik temu P1 dengan 0 oC dan titik temu P2 dengan 100 oC.Dengan berpedoman pada grafik, walaupun hanya mengetahui besar tekanan gas, besar suhu juga dapat diketahui dengan mudah bahkan dapat diramalkan.
Jika garis miring pada grafik di atas digambarkan hingga memotong sumbu T oC, maka ketika tekanan gas = 0, suhu gas = -273,15oC. Mungkin berpikir bahwa suhu gas pada tekanan 0 berbeda-beda, bergantung pada jenis gas yang berada di dalam tabung termometer gas volume konstan. Berdasarkan percobaan, walaupun jenis gas berbeda, ketika tekanan gas menjadi nol, suhu selalu bernilai -273,15oC. Dengan demikian, dapat menggunakan suhu ini sebagai standar skala suhu (disebut juga sebagai suhu nol mutlak). Suhu nol mutlak ini dikenal dengan julukan skala mutlak alias skala Kelvin. Kelvin adalah nama almahrum Lord Kelvin (1824-1907), mantan fisikawan Inggris.
Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K), bukan derajat Kelvin (oK). Selang antara derajat sama seperti pada skala Celcius, tetapi harga nol digeser hingga 0 K. Jadi 0 K = -273,15oC dan 273,15 K = 0 oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15. Demikian juga suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15.
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) – 273,15 (Holman, 2006).

Metode kuadrat terkecil (least square method) linier adalah suatu metode yang digunakan untuk menentukan hubungan linier dari suatu data agar dapat diprediksi nilai-nilainya yang mana nilai tersebut tidak terdapat pada data-data yang dimiliki, terkadang proses yang melibatkan metode kuadrat terkecil untuk menentukan hubungan dua variabel data berupa fungsi linier disebut sebagai regresi linier.
Metode kuadrat terkecil ditemukan oleh Carl F. Gauss (matematikawan dan fisikawan ternama asal Jerman, abad ke-17) ketika ia masih berumur 18 tahun, dan karyanya ini masih dipakai sampai saat ini sebagai metode yang paling baik untuk menentukan hubungan linier dari dua variabel data. Dengan metode kuadrat terkecil, dapat menyajikan data dengan lebih berguna.
Secara umum persamaan garis linier adalah:
y=a+bx
dimana, y adalah variabel yang dicari trendnya dan x adalah variabel waktu. Sedangkan untuk mencari nilai konstanta a dan parameter b adalah:
a= yn-b xn
dan

b= nxy-(x) (y)nx2-(x)2

(Cromer, 2006)
Dalam matematika, ekstrapolasi adalah proses memperkirakan nilai suatu variabel melampaui interval pengamatan aslinya berdasarkan hubungannya dengan variabel lainnya. Ekstrapolasi itu mirip dengan interpolasi, yaitu menghasilkan perkiraan di antara hasil pengamatan yang diketahui, namun ekstrapolasi itu rentan terhadap ketakpastian yang lebih tinggi dan terhadap risiko yang lebih tinggi dalam menghasilkan hasil yang tidak bermakna.Ekstrapolasi dapat juga berarti memperluas metode, yaitu dengan mengasumsikan metode yang mirip dapat diaplikasikan.Ekstrapolasi juga dapat diterapkan pada pengalaman manusia untuk memproyeksikan atau memperluas wawasan dari pengalaman yang telah dialami ke dalam bidang yang tidak diketahui atau belum pernah dialami sebelumnya agar dapat mengetahui (biasanya bersifat dugaan) hal yang belum diketahui itu. (cth. pengemudi mengekstrapolasikan kondisi jalanan di luar batas penglihatannya). (Petrucci, 2001).

ALAT DAN BAHAN

Dalam melakukan eksperimen tentang "Termometer Gas Volume Konstan" digunakan alat dan bahan yang menunjang percobaan diantaranya kontainer gas, dalam eksperimen digunakan sebagai penampung gas dimana didalamnya terjadi proses pemuaian gas karena berlangsung di sistem yang tertutup, kemudian volume gas didalam kontainer akan bertambah seiring dengan bertambahnya suhu selama proses. Selanjutnya pipa u, digunakan sebagai objek percobaan yang menghubungkan antara kontainer gas dengan sisi terbuka yang bertindak sebagai reservoir. Selang dalam eksperimen sebagai penghubung antar komponen baik antara kontainer gas dengan pipa u maupun pipa u dengan reservoir. Thermometer digunakan sebagai penunjuk pertambahan suhu yang terjadi selama proses berlangsung. Dimana setiap perubahan suhu dari keadaan awal akan dicatat sebagai perubahan temperatur dari sistem. Air raksa sebagai indikator perubahan suhu, dimana perubahan air raksa di dalam pipa u akan menandai perubahan temperatur dari sistem dan dipilih air raksa karena air raksa memiliki titik beku yang rendah dan titik didih yang tinggi. Selain itu, air raksa juga memiliki respon penyerapan panas yang baik. Cairan dalam water bath sebagai faktor yang mempengaruhi perubahan suhu karena cairan tersebut dipanaskan terlebih dahulu kemudian dimasukkan ke dalam wadah. Selanjutnya milimeter blok digunakan untuk menandai perubahan ketinggian air raksa yang menunjukkan perubahan temperatur dalam eksperimen.

METODE EKSPERIMEN
Pada percobaan ini digunakan seperangkat alat termometer gas volume konstan dan bahan yang akan digunakan untuk mengetahui hubungan antara tekanan dan suhu di suatu gas pada volume konstan. Diantaranya adalah kontainer gas, water bath, termometer, pipa U, selang, penyedot, air raksa, air panas, dan millimeter blok. Kontainer gas berfungsi sebagai wadah untuk menampung gas dan water bath berfungsi sebagai wadah untuk menampung air yang nantinya air tersebut ditambah dengan air panas untuk memperhatikan perbandingan antara kenaikan suhu dengan kenaikan tekanan.Termometer yang dimasukkan ke dalam water bath sebagai indikator untuk mengetahui kenaikan suhu air saat ketinggian air raksa pada pipa U berubah. Pipa U digunakan untuk menampung air raksa dimana air raksa ini akan mengalami perubahan ketinggian saat terjadi perubahan suhu pada air. Perubahan ketinggian pada air raksa menunjukkan bahwa ada perubahan tekanan pada kontainer gas. Digunakan sebuah penyedot agar kesetimbangan termal antara pipa U dengan water bath terjadi, dimana ketika telah setimbang maka dapat dinyatakan tidak adanya perubahan volume (volume konstan). Millimeter blok digunakan untuk membuat grafik hubungan antara tekanan dan suhu agar diketahui perubahan ketinggian pada pipa U dan membuktikan titik nol mutlak.

PROSEDUR PERCOBAAN
Berikut adalah skema langkah kerja percobaan ini :



HASIL DAN PEMBAHASAN
Percobaan 1
T0 = 290C, P0 = 1 atm = 76 cmHg
No
T (0C)
h (cm)
P(cmHg)
1
35
0.5
76.5
2
39
0.9
76.9
3
41
1.3
77.3
4
44
1.8
77.8
5
46
2.2
78.2
6
48
2.8
78.8
7
52
3.6
79.6
8
54
3.9
79.9
9
55
4.5
80.5











Percobaan 2
T0 = 290C, P0 = 1 atm = 76 cmHg
No
T (0C)
h (cm)
P(cmHg)
1
36
0.6
76.6
2
38
0.9
76.9
3
41
1.2
77.2
4
43
1.5
77.5
5
44
1.9
77.9
6
46
2.2
78.2
7
47
2.4
78.4
8
49
2.8
78.8
9
50
3.2
79.2

Percobaan yang dilakukan adalah termometer gas volume konstan. Prinsip dasar yang digunakan dalam percobaan ini adalah memanfaatkan hubungan antara tiga variabel termodinamika, yaitu tekanan (P), volume (V), dan suhu (T). Dengan membuat salah satu variabel menjadi konstan, yaitu volume.Kemudian dapat diamati perubahan tekanan yang diakibatkan oleh adanya perubahan suhu yang diberikan pada sistem. Keduanya akan saling linear, yaitu berbanding lurus, semakin besar suhu yang diberikan maka tekanan yang dihasilkan juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan umum gas ideal, yaitu:
P=nRV T
Dalam percobaan ini digunakan satu set termometer gas volume konstan yang terdiri dari kontainer udara yang berisi gas. Volume dalam kontainer ini dijaga agar selalu konstan.Kontainer dimasukkan ke dalam water bath berisi air.Air ini digunakan sebagai pengatur suhu dalam sistem tersebut, dimana suhu itu sendiri merupakan variabel bebasnya. Kemudian selang yang berguna untuk mengalirkan udara menuju pipa U. Pipa U berisi air raksa, dan pipa U ini nantinya akan dapat diamati besarnya perubahan tinggi yang terjadi pada percobaan. Pada bagian belakang pipa U ditempel selembar millimeter blok yang berguna untuk mempermudah dalam menentukan ketinggiannya. Pipa U itu sendiri terhubung dengan tendon yang dapat dinaik turunkan untuk mengatur ketinggian air raksa.Dalam percobaan digunakan air raksa karena air raksa mempunyai warna yang mengkilat sehingga mudah diamati.Air raksa juga mudah menguap sehingga perubahan ketinggian yang terjadi pada percobaan dapat teramati lebih jelas.Air raksa merupakan unsur atau jenis larutan standar yang digunakan untuk mengukur besar satuan tekanan dalam cmHg.Dalam percobaan ini digunakan termometer untuk mengukur suhu dalam water bath, karena termometer gas volume konstan hanya dapat mengamati perubahan tekanan akibat pengaruh perubahan suhu.
Prinsip kerja percobaan ini adalah menjaga volume agar selalu konstan.Ketika suhu bertambah tekanan gas juga bertambah.Dalam pipa U terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu konstan dengan cara menaikkan atau menurunkan pipa bagian kanan, sedangkan permukaan air raksa dalam pipa bagian kiri selalu berada pada titik acuan. Jika suhu meningkat, tekanan gas dalam tabung juga bertambah. Peningkatan volume ini mengakibatkan air raksa pada sisi yang terhubung langsung dengan tabung terdorong ke bawah, sehingga terjadi penurunan air raksa pada tabung bagian kiri, sementara pada tabung lain air raksa akan naik. Prinsip kerja yang telah dijelaskan tersebut dapat dilihat seperti gambar di bawah.

Dari percobaan ini diperoleh nilai suhu (T) dan perubahan ketinggian permukaan air raksa ( h). Perbedaan tinggi tersebut sebagai tekanan (Pn). Untuk mencari nilai dari tekanan (Pn) digunakan persamaan P=P0+ ρgh, dengan P0 sebesar 1 atm yang setara dengan 76 cmHg.
Setelah diperoleh data T dan P, dapat dihubungkan sengan persamaan:
PV=nRT
P= nRV T
Dalam percobaan ini digunakan persamaan gas ideal karena untuk mempermudah dalam perhitungan.Bahwasannya gas ideal itu sangat sulit ditemukan dan yang biasa kita jumpai adalah gas real. Karena volume dibuat konstan, maka nRV juga konstan, dimana n adalah jumlah mol yaitu tetap, R adalah konstanta gas yang nilainya 8,314 J/mol K. Sehingga grafik yang diperoleh adalah grafik linear dengan T sebagai variabel bebas dan P sebagai variabel terikatnya.
Pada percobaan ini digunakan perhitungan dengan menggunakan dua metode, yaitu metode grafik dan metode analisis kuadrat terkecil. Keduanya digunakan untuk menentukan besarnya nilai nol mutlak yang merupakan perpotongan sumbu x. namun, selain menentukan nilai nol mutlak pada metode grafik juga untuk melihat keterkaitan hubungan antara T dan P.
Pada metode grafik terbukti bahwa hubungan antara T dan P berbanding lurus dengan gradien yang positif.Semakin besar suhu, maka tekanan juga semakin besar.
Kemudian dengan metode analisis kuadrat terkecil dicari besar nilai nol mutlak dari masing-masing percobaan. Dengan y = 0, maka dapat diperoleh nilai x dari persamaan:
y=bx+a
Dimana nilai x yang diperoleh dari persamaan tersebut merupakan nilai nol mutlak.Nilai nol mutlak merupakan nilai nol dari besaran Kelvin yang dilihat pada besaran Celcius.Sehingga berdasarkan literatur besar nilai nol mutlak adalah sebesar -273,150C.Suhu nol mutlak terjadi saat tekanan senilai dengan nol cmHg.Dari kedua percobaan, diperoleh nilai nol mutlak sebesar -345,950C dan -388,780C.Dari kedua hasil tersebut, percobaan pertama yang lebih mendekati dengan literatur, sehingga percobaan pertama yang dibuat grafik.
Pada grafik, garis linear ditarik hingga memotong sumbu x. Perpotongan ini merupakan nilai nol mutlak. Perpotongan tersebut terjadi pada titik y = 0 dan x = 273,50C. Sehingga nilai nol mutlak yang diperoleh dari grafik sebesar -273,50C. Hasil tersebut hamper mendekati dengan literature dibandingkan dengan menggunakan metode analisis kuadrat terkecil. Nilai y = 0 menunjukkan bahwa besar tekanan pada suhu nol mutlak (-273,50C) adalah P = 0 cmHg.
Perbedaan hasil pada kedua metode akibat adanya kesalahan yang dilakukan praktikan maupun sistem. Kesalahan tersebut antara lain karena sistem yang kurang tertutup, gas yang digunakan bukan merupakan gas ideal, kesalahan pada saat membaca skala pada termometer yang tidak lurus (paralaks). Kesalahan juga terjadi saat menambah besar suhu dengan cara menambahkan air panas yang seharusnya tidak boleh sampai mengenai kontainer gas, namun ada kalanya mengenai kontainer tersebut sehingga berpengaruh terhadap perubahan suhunya.

KESIMPULAN
Untuk mengetahui hubungan yang terjadi antara P dan T pada V konstan dapat digunakan dua metode, yaitu:
Metode grafik, pada metode ini dapat ditunjukkan bahwa suhu berbanding lurus dengan tekanan melalui persamaan,
PV=nRT
P= nRV T
Dan dapat diperoleh nilai nol mutlak pada perpotongan sumbu x saat P = 0 cmHg.
Metode analisis kuadrat terkecil,
y=bx+a
Dimana b=nxy-(x) (y)nx2-(x)2,
a= yn-b xn
Dengan menganggap P = 0, y = 0, maka nilai x = -ab. Nilai x tersebut merupakan nilai nol mutlak.
Nilai nol mutlak yang diperoleh adalah:
Metode Grafik: -273,50C.
Metode analisis kuadrat terkecil: -345,950C dan -388,780C.
Literatur: -273,150C.




DAFTAR PUSTAKA
A,I. Veinik. 1991.Thermodynamics of real processes. Minsk: Nauka i Tehnika.
Cromer. 2006. Pemanasan Benda. Bnadung: Cipta Karya.
Holman. 2006. Penerapan Ilmu Fisika. Jakarta: Tiga Serangkai.
Moran, Michael J. 2004.Termodinamika Teknik. Jakarta: Erlangga.
Petrucci. 2006. Fisika Dasar Mekanika. Jakarta: Salemba Teknik.