Gas Ideal

      A. Pengertian Gas Ideal 

merupakan kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Partikel-partikel itu selalu bergerak secara acak ke segala arah. Pada saat partikel-partikel gas ideal itu bertumbukan antar partikel atau dengan dinding akan terjadi tumbukan lenting sempurna sehingga tidak terjadi kehilangan energi.

Berdasarkan eksperimen diketahui bahwa semua gas dalam kondisi kimia apapun, pada temperatur tinggi, dan tekanan rendah cenderung memperlihatkan suatu hubungan sederhana tertentu di antara sifat-sifat makroskopisnya, yaitu tekanan, volume dan temperatur. Hal ini menganjurkan adanya konsep tentang gas ideal yang memiliki sifat makroskopis yang sama pada kondisi yang sama. Berdasarkan sifat makroskopis suatu gas seperti kelajuan, energi kinetik, momentum, dan massa setiap molekul penyusun gas, kita dapat mendefinisikan gas ideal dengan suatu asumsi (anggapan) tetapi konsisten (sesuai) dengan definisi makroskopis.

 

Gambar 1.1 : Keadaan Gas Ideal

Syarat Gas Ideal

Gas ideal merupakan gas yang memenuhi asumsi-asumsi berikut.

1.    Suatu gas terdiri atas molekul-molekul yang disebut molekul. Setiap molekul identik (sama) sehingga tidak dapat dibedakan dengan molekul lainnya.

2.    Molekul-molekul gas ideal bergerak secara acak ke segala arah.

3.    Molekul-molekul gas ideal tersebar merata di seluruh bagian.

4.    Jarak antara molekul gas jauh lebih besar daripada ukuran molekulnya.

5.    Tidak ada gaya interaksi antarmolekul; kecuali jika antarmolekul saling bertumbukan atau terjadi tumbukan antara molekul dengan dinding.

6.    Semua tumbukan yang terjadi baik antarmolekul maupun antara molekul dengan dinding merupakan tumbukan lenting sempurna dan terjadi pada waktu yang sangat singkat (molekul dapat dipandang seperti bola keras yang licin).

Persamaan umum gas

Pernah melihat atau mendengar alat masak Preswere Cooler (Presto)? Alat tersebut digunakan untuk memasak dengan memanfaatkan tekanan gas. Tekanan gas dapat diatur dengan mengatur suhu dan volumenya. Dari penjelasan ini dapat diketahui bahwa gas memiliki besaran-besaran diantaranya adalah tekanan P, volume V dan suhu T. Hubungan ketiga besaran inilah yang dipelajari dalam bagian ini.

a. Hukum Boyle – Guy Lussac

Keadaan tekanan, volume dan suhu gas dimulai penjelasannya oleh Boyle. Boyle mengalami keadaan gas yang suhunya tetap. Pada saat gas ditekan ternyata volumenya mengecil dan saat volumenya diperbesar tekanannya kecil. Keadaan di atas menjelaskan bahwa pada suhu yang tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.

Persamaan di atas yang kemudian dikenal sebagai hukum Boyle.

              Keadaan berikutnya dijelaskan oleh Guy Lussac. Menurut Guy Lussac, pada gas yang tekanannya tetap maka volumenya akan sebanding dengan suhunya. Jika ada gas dalam ruang tertutup dengan P = tetap dipanaskan maka volumenya akan berubah.

Persamaan yang dapat menggambarkan keadaan perubahan P, V dan T (tidak ada yang tetap). Persamaan gabungan itulah yang dinamakan hukum Boyle-Guy Lussac. Persamaannya dapat kalian lihat di bawah.

         

Kalian tentu sering melihat balon yang ditiup. Meniup balon berarti menambah jumlah partikel. Pada saat itu volume benda akan bertambah. Berarti jumlah partikel sebanding dengan volumenya.

Contoh kedua adalah saat memompa ban dalam roda sepeda atau mobil. Saat dipompa berarti jumlah partikelnya bertambah. Pertambahan itu dapat memperbesar tekanan sedangkan volume dan suhu tetap. Dari penjelasan itu terlihat bahwa  sebanding dengan jumlah partikelnya. Pembandingnya dinamakan konstanta Stefan-Boltzmann, dan disimbolkan k.

Dengan :

P = tekanan gas (N/m² atau Pa)

V = volume gas (m³)

T = suhu gas (K)

N = jumlah partikel

k = 1,38 . 10^-23 J/K

untuk menentukan jumlah mol gas (n) sobat dapat menggunakan 2 alternatif rumus berikut

atau 

No    = bilangan avogadro 6,02 x 10²³

Mr    = massa molekul relatif gas

m      = masa partikel gas

Azas Ekuipartisi

Setiap gas mengandung partikel-partikel yang selalu bergerak. Mengapa selalu bergerak? Partikel-partikel itu dapat bergerak karena memiliki energi. Energinya dinamakan energi kinetik.

“Jika pada gas berlaku hukum Newton maka semua derajat kebebasan gerak partikel akan menyumbang energi kinetik sebesar 1/2 kT.”

Dengan :

=energi kinetik rata-rata partikel (joule)

T = suhu gas (K)

f = derajat kebebasan

k = ketetapan Baltzum.

a.     Energi gaya monoatomik

Partikel-partikel gas monoatomik memiliki tiga derajat kebebasan.  Berarti energi kinetik rata-rata partikelnya memenuhi persamaan berikut.

Dalam sejumlah gas dapat mengandung banyak partikel (N partikel). Setiap partikel tersebut memiliki energi, jumlah semua energi kinetik partikel-partikel itu dinamakan energi dalam gas dan disimbulkan U sesuai persamaan berikut.

b.    Kecepatan efektif

adalah nilai rata-rata kecepatan partikel kuadrat. Jika diakarkan akan mendapatkan nilai yang dinamakan road mean square velsiti (v_rms). Nilai akar rata-rata kuadrat dalam bahasa Indonesia dikenal sebagai nilai efektif. Jadi

Dengan :

v_ef = kecepatan efektif partikel

T = suhu gas (K)

m = massa partikel (kg)

k = 1,38 . 10^-23 J/K

      B. Gas Nyata

Ketika salah satu dari dua atau kedua asumsi yang diberikan di atas tidak valid, bahwa gas yang dikenal sebagai gas nyata. Kita benar-benar menemukan gas nyata dalam lingkungan alam. Sebuah gas nyata bervariasi dari kondisi ideal pada tekanan yang sangat tinggi.

Hal ini karena, ketika tekanan yang sangat tinggi diterapkan, volume di mana gas diisi menjadi sangat kecil. Kemudian dibandingkan dengan ruang kita tidak bisa mengabaikan ukuran molekul. Selain itu, gas ideal berada dalam keadaan sesungguhnya pada suhu yang sangat rendah. Pada suhu rendah, energi kinetik molekul gas sangat rendah. Oleh karena itu, mereka bergerak perlahan-lahan.

Karena itu, akan ada interaksi antar molekul antara molekul gas, yang kita tidak bisa mengabaikan. Untuk gas nyata, kita tidak bisa menggunakan persamaan gas ideal di atas karena mereka berperilaku berbeda. Ada persamaan yang lebih rumit untuk perhitungan gas nyata.

Apa perbedaan antara gas Ideal dan Gas nyata?

1.    Gas Ideal tidak memiliki gaya antarmolekul dan molekul gas dianggap sebagai partikel titik. Sebaliknya molekul gas nyata memiliki ukuran dan volume. Selanjutnya mereka memiliki gaya antarmolekul.

2.    Gas Ideal tidak dapat ditemukan dalam kenyataan. Tapi gas berperilaku dengan cara ini pada suhu dan tekanan tertentu.

3.    Gas cenderung berperilaku sebagai gas nyata dalam tekanan tinggi dan suhu rendah. Gas nyata berperilaku gas sebagai ideal pada tekanan rendah dan suhu tinggi.

4.    Gas Ideal dapat berhubungan dengan persamaan PV = nRT = NKT, sedangkan gas nyata tidak bisa. Untuk menentukan gas nyata, ada persamaan jauh lebih rumit.

GAS IDEAL DALAM ILMU KIMIA

Gas merupakan satu dari tiga wujud zat dan wujud ini merupakan bagian yang tak terpisahkan dari studi kimia, sifat fisik gas ideal bergantung pada struktur molekul gasnya dan sifat kimia gas juga bergantung pada strukturnya. Perilaku gas yang ada sebagai molekul tunggal adalah contoh yang baik kebergantungan sifat makroskopik pada struktur mikroskopik.

Maka dari itu semua jenis gas terbagi menjadi dua tipe, yaitu : gas ideal dan gas nyata. Gas ideal merupakan sebuah gas yang mematuhi persamaan gas umum dari PV = nRT  yang disampaikan secara singkat, sedangkan gas nyata adalah gas yangtidak mematuhi persamaan gas umum dan  menggunakan hukum-hukum gas hanya pada saat tekanan rendah. (Maron, Samuel Herbert : 5).

Di dalam volume gas ideal ditempati molekul mereka sendiri yang diabaikannya perbandingan dengan volume total pada semua tekanan dan tempertur, dan daya tarik antar molekul sangat kecil dalam semua kondisi. Untuk gas nyata kedua faktor tersebut cukup besar, pengukuran dari masing-masing gas tergantung pada sifat, temperature, tekanan dari gas.

Gas ideal dapat dicirikan oleh tiga variabel keadaan: tekanan mutlak (P), volume (V), dan suhu mutlak (T), dalam ilmu kimia yang termasuk gas ideal adalah sebagai berikut :

Gas	a(atm dm6 mol-2)	b(atm dm6 mol-2)
He	0,0341	0,0237
Ne	0,2107	0,0171
H2	0,244	0,0266
NH3	4,17	0,0371
N2	1,39	0,0391
C2H	4,47	0,0571
CO2	3,59	0,0427
H2O	5,46	0,0305
CO	1,49	0,0399
Hg	8,09	0,0170
O2	1,36	0,0318

 Persamaan gas ideal dalam fisika bisa digunakan dalam kimia. Dalam kimia persamaan gas ideal digunakan untuk menghitung mol yang  merupakan satuan jumlah dalam mempermudah komunikasi.

Hubungan antara mereka dapat disimpulkan dari teori kinetik dan disebut

PV = nRT = NkT

n = banyaknya mol

R = Universal gas konstan = 8,3145 J / mol K

N = jumlah molekul

k = konstanta Boltzmann = 1,38066 x 10-23 J / K = 8,617385 x 10-5 eV / K

k = R / NA

NA = Avogadro nomor = 6.0221 x 1023 / mol

FENOMENA GAS IDEAL

1.    Balon

ketika tekanan yang sangat tinggi diterapkan, volume di mana gas diisi menjadi sangat kecil. Kemudian dibandingkan dengan ruang kita tidak bisa mengabaikan ukuran molekul. Selain itu, gas ideal berada dalam keadaan sesungguhnya pada suhu yang sangat rendah. Pada suhu rendah, energi kinetik molekul gas sangat rendah. Oleh karena itu, mereka bergerak perlahan-lahan.Karena itu, akan ada interaksi antar molekul antara molekul gas, yang kita tidak bisa mengabaikan.

Balon yang ditiup dengan mulut bukan hanya berisi angin, melainkan juga karbon dioksida (CO₂₎, uap, air liur. Hal inilah yang justru lebih berat daripada udara sehingga balon tidak akan lama berada diatas dan kembali jatuh.Kalau begitu, mengapa balon yang diisi dengan gas helium dapat terbang tinggi. Itu karena massa helium lebih rendah daripada udara.

2.     Ban motor menjadi kempes jika lama tidak digunakan

Ketika anda sering menggunakan motor, motor akan mejadi panas. Bukan hanya pada mesin saja yang panas, namun juga terjadi pada body dan juga pada ban. ban motor malah sering bersentuhan dengan aspal yang tentunya panas sekali. Nah pada saat ban ini panas berarti suhu pada ban ini meningkat bukan? Ketika suhu meningkat otomatis tekanan di dalam ban juga ikut meningkat.
Ketika motor lama tidak digunakan menyebabkan suhu pada motor menjadi dingin, begitu juga dengan ban. bila anda menyimpan motor anda di rumah di lantai batu maka ban akan lebih dingin lagi. Hal ini menyebabkan suhu pada ban menurun. Ketika suhu ban ini turun otomatis tekanan di dalam ban berkurang. Hal inilah yang menyebabkan ban motor anda kempes setelah lama tidak di gunakan.

3.    Botol menjadi kempes setelah dimasuki air panas 

Pada saat anda memasukkan kopi hangat pada botol kemudian menutupnya segera dan pergi kekebun. Selama anda di perjalanan suhu pada kopi hangat anda sedikit-sedikit akan turun menyesuaikan dengan lingkungan di sekitarnya. Turunnya suhu pada kopi ini menyebabkan rumus gas ideal bekerja. Yaitu adalah ketika suhu turun menyebabkan tekanan di dalam botol menjadi turun. Nah hal itulah yang menyebabkan botol kopi anda menjadi kempes atau seperti tersedot.

Bagaimana? Logis bukan? Bila anda ingin mencoba bereksperiment sendiri untuk membuktikan dengan jelas di mata dan kepala anda secara langsung anda bisa mencoba cara sederhana yang juga pernah saya lakukan. Alat yang perlu anda persiapkan hanyalah sebuah botol aqua, terserah ukuran berapa saja. Selanjutnya masaklah nasi dengan menggunaka magicom atau ketika orang tua anda menanak nasi tunggulah hingga airnya mendidih dan mengeluarkan uap melalui cerobong uap magicom.

Ketika sudah mendidih dan uap keluar dari cerobong. Bukalah botol anda lalu arahkan mulut botol pada cerobong uap nasi tadi. Pastikan uap air masuk pada botol anda. setelah kira-kira cukup segera tutup botol anda dengan rapat. lalu diamkan beberapa saat, lihatlah perubahan pada botol anda sekarang!!! Botol kempes bukan hanya panas yang di akibatkan dari suhu uap air, tetapi juga dari hukum gas ideal ini. sekarang anda telah bisa membuktikan sendiri dengan cara sederhana mengenai gas ideal ini.

CONTOH SOAL

1.    Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!

(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

Pembahasan

Data :

V2 = 4,5 m3

V1 = 2,0 m3

P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa

Isobaris → Tekanan Tetap

W = P (ΔV)

W = P(V2 − V1)

W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule

2.    1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27 ᵒC dipanaskan secara isobarik sampai 87 ᵒC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m² , gas helium melakukan usaha luar sebesar….

Pembahasan

Data :

V1 = 1,5 m3

T1 = 27oC = 300 K

T2 = 87oC = 360 K

P = 2 x 105 N/m2

W = PΔV

Mencari V2 :

V2/T2 = V1/T1

V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3

W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

3.    2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27 ᵒC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

Pembahasan

Data :

n = 2000/693 mol

V2 = 5 L

V1 = 2,5 L

T = 27oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas :

W = nRT ln (V2 / V1)

W = (2000/693 mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L / 2,5 L )

W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule

4.    Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah….

A. 120 J

B. 124 J

C. 135 J

D. 148 J

E. 200 J

(Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Pembahasan

η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %

Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :

η = ( 1 − 400/600) = 1/3

η = ( W / Q1 )

1/3 = W/600

W = 200 J

5.    Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar….

A. 660 kJ

B. 400 kJ

C. 280 kJ  

D. 120 kJ

E. 60 kJ

Pembahasan

WAC = WAB + WBC

WAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ

6.    Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya…..%

A. 50,0

B. 52,5

C. 57,0

D. 62,5

E. 64,0

Pembahasan

Data pertama:

η = 40% = 4 / 10

Tt = 400 K

Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:

η = 1 − (Tr/Tt)

4 / 10 = 1 − (Tr/400)

(Tr/400) = 6 / 10

Tr = 240 K

Data kedua :

Tt = 640 K

Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)

η = ( 1 − Tr/Tt) x 100%

η = ( 1 − 240/640) x 100%

η = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%

7.    Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :

a) Efisiensi mesin Carnot

b) Usaha mesin Carnot

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasan

a) Efisiensi mesin Carnot

Data :

Tt = 227ᵒC = 500 K

Tr = 27ᵒC = 300 K

η = ( 1 − Tr/Tt) x 100%

η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40%

b) Usaha mesin Carnot

η = W/Q1

4/10 = W/1200

W = 480 joule

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot

Q2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 joule

Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da

ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)

bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)

cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)

da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)

8.    Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah….kilojoule. 

    

          A. 200

          B. 400

          C. 600

          D. 800

          E. 1000

         Pembahasan

        W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda

        W = ab x bc

        W = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule