Halaman
Setelah mempelajari materi "Teori Kinetik Gas" diharapkan Anda dapat memahamipengertian gas ideal, mendeskripsikan persamaan umum gas ideal serta mampu me-nerapkan persamaan umum gas ideal pada proses isotermik, isokhorik, dan isobarik.TEORI KINETIK GASTEORI KINETIK GASTEORIKINETIK GASPENGERTIANGAS IDEALPENGARUH SUHUDAN TEKANAN GASkecepatan rata ratapartikel gastekanangasenergi dalamgaspersamaan proses pemuaian gasderajadkebebesanpartikel gas8
A. PENGERTIAN GAS IDEALBerdasar teori partikel zat, dinyatakan bahwa zat terdiri atas partikel-partikelyang bergetar pada kedudukan setimbangnya. Partikel-partikel tersebut dapatberupa atom atau molekul. Pada zat gas, partikel-partikelnya bergerak bebaskarena hampir tidak ada gaya tarik-menarik antarpartikel. Jadi, kadang terjadibenturan antarpartikel dan sering berbenturan dengan tempatnya.Menurut teori partikel, adanya tekanan gas di dalam ruangan tertutup dise-babkan oleh benturan-benturan partikel gas pada dinding atau dengan kata laintekanan gas pada ruang tertutup ditimbulkan oleh gerak partikel gas tersebut.Untuk menyederhanakan perhitungan matematika, maka yang dimaksuddengan gas dalam teori kinetik adalah gas ideal dengan beberapa anggapan-anggapan dasar. Melalui sifat-sifat yang dimiliki oleh gas ideal diharapkanorang dapat menaksir sifa-sifat gas yang ada sebenarnya (gas sejati) dalambatas-batas tertentu.Dari segi pandangan mikroskopi didefinisikan suatu gas ideal denganmembuat anggapan-anggapan sebagai berikut:a) gas ideal terdiri atas partikel-partikel yang jumlahnya banyak sekali;b) partikel-partikel tersebut tersebar merata ke seluruh ruangan;c) partikel-partikel tersebut senantiasa bergerak yang arahnya sembarang;d) jarak antara partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel sehingga ukuranpartikel diabaikan;e) tidak ada gaya antara partikel satu dengan yang lain kecuali bila tumbukanf) tumbukan partikel dengan dinding tempat atau dengan partikel laindianggap lenting sempurna; sertag) mengikuti hukum newton tentang gerak.B. TEKANAN GASSebelumnya telah dijelaskan bahwa tekanan gas di dalam ruang tertutupdisebabkan oleh benturan-benturan partikel gas pada dinding tempat gasberada.Karena terkait dengan gerak partikel gas, faktor-faktor apa saja yang dapatmempengaruhi besar tekanan gas tersebut?Perhatikan gambar di bawah ini.Gambar 8.1. BalonGambar 8.1 (a): sebuah balon sebelum ditiup Gambar 8.1 (b): sebuah balon setelah ditiup.(a)(b)Teori Kinetik Gas182
Ternyata setelah balon ditiup menjadi besar dan mengeras. Semakin balonditiup, keadaan balon semakin mengeras, yang berarti semakin banyakpartikel gas (udara) yang berada di ruang tertutup semakin besar tekananyang diberikan.Jika balon yang sudah mengeras itu kita panaskan ternyata balon dapatmeletus. Hal tersebut ada keterkaitannya antara tekanan gas dalam ruang ter-tutup dengan suhu.Untuk lebih jelasnya lakukan percobaan di bawah ini.Percobaan: Tekanan gas dalam ruangan tertutupRakitlah alat-alat seperti tampakpada gambar dan masukkan mimis kecilke dalam tabung model kinetik gassebanyak 10 butir. Hubungkan tabungmodel kinetik gas pada power supplydengan tegangan 6 volt. Setelah mimis-mimis kecil yang berada dalam tabungmodel kinetik gas bergerak dan memben-tur tutup penghisap yang bebas bergerak, amati tinggi tutup pengisap tersebut (h1).Cabut hubungan tabung model kinetik gas dengan power supply.Hubungkan lagi tabung model kinetik gas dengan power supply dengan tegangan12 volt dan amati lagi tinggi tutup pengisap (h2). Lebih tinggi manakah antara h1danh2? Cabut hubungan tabung model kinetik gas dengan power supply.Tambahkan jumlah mimis kecil yang ada dalam tabung model kinetik gas menjadi 15butir dan hubungkan lagi tabung model kinetik gas dengan power supply dengan tegangan12 volt dan amati tinggi tutup pengisap (h3). Lebih tinggi manakah antara h3dan h2?Dari hasil pengamatan kegiatan di atas, tuliskan kesimpulan yang Anda dapatkan!Secara matematik bagaimanakah tekanan gas dalam ruang tertutup dapatditurunkan?Perhatikan ulasan di bawah ini. Gambar 8.2 melukiskan sebuah kubus dengansisi L yang berisi N partikel gas.Karena tiap partikel gas bergerak dengan arahsembarang dengan kecepatan yang tidak sama,maka dalam pembahasan kita ambil satu partikelgas dahulu yang bergerak dengan kecepatan v.Kecepatan ini kita uraikan menjadi tiga komponenmasing-masing vx, vydan vz. Gambar 8.2 Kubus berisi partikelVyVxVzYXZLLLTabung modelKinetik gasMimis kecil(gotri)SumberPower SupplyFisika SMA/MA Kelas XI183
Secara vektor v2= vx2+ vy2+ vz2Dalam hal ini kita bahas gerak partikel gas dalam arah sumbu x. Partikeltersebut akan menumbuk dinding kanan kedua kalinya dengan selang waktu:sehingga tiap satuan waktu partikel menumbuk dinding kanansebanyakkali.Sebuah partikel yang massanya mo, setiap kali menumbuk dinding kananberubah momentumnya sebesar 2mo.vx.Dengan demikian dalam tiap satuan waktu momentum partikel gasberubah sebesar:Gaya yang diberikan partikel gas tiap satuan waktu pada saat menumbukdinding sebesar perubahan momentum.Dengan penalaran yang sama, diperoleh persamaan tekanan pada dindingyang tegak lurus sumbu y dan sumbu z sebagai berikut:Berdasarkan hukum Pascal diperoleh: Px= Py= Pz= P yang berarti:vx2= vy2= vz2.Karena kecepatan tiap partikel tidak sama, maka diambil rata-ratanyasehingga diperoleh:rrrrr r rrrrrvvvvv v vvvvvxyzxyzxx22222222222313===++==PmvvPmvVyoyzoz==..22 dan TekananGayaLuasPmvALPmvVxoxxox==→=...22 A.L = volum ruangΔΔPvLmPmvLxxoxox==222(). . vxvLx2tLvx=2Teori Kinetik Gas184
sehingga: Jika di dalam kubus terdapat N partikel gas, maka tekanan gas dalamruang tertutup dinyatakan dengan: P = tekanan gasN = jumlah partikel gasmo= massa tiap partikel gas= kuadrat rata-rata kecepatan partikel gasV = volume gas (volume ruang tempat gas)Karena massa tiap-tiap partikel gas sama, maka:sehingga didapat persamaan:= energi kinetik rata-rata partikel gasDari persamaan, di mana: N.mo menyatakan massa total dari gas tersebut, sehinggadiperoleh persamaan:Contoh Soal 8.11. Suatu gas dalam ruang tertutup dengan volum V dan suhu 27oC mem-punyai tekanan 1,5 . 105Pa. Jika kemudian gas ditekan perlahan-lahanhingga volumnya menjadi 1⁄4V, berapakah tekanan gas sekarang?Diketahui : T1= (27 + 273)K = 300 K V1 = V V2= 1⁄4VP1= 1,5 . 105Pa (proses isotermik ditekan perlahan-lahan)Pv=132ρrNmVmassao.(=ρ jenis gas)PNm vVo=132..rTekanan gas bergantung pada energi kinetik rata-rata partikel gas tersebut.rEkPNEkV=23.rmvmv Ekoo.(.)rrr222122==rv2PNm vVo=132..rPmvVo=132.rFisika SMA/MA Kelas XI185
Ditanya: P2Jawab: P1. V1= P2. V21,5 . 105.V = P2. 1⁄4VP2= 5. 105Pa2. Suatu gas dalam ruang tertutup dengan suhu 57oC. Berapakah energikinetik rata-rata gas tersebut?Diketahui: T = (57 + 273)K = 330 KDitanya: EkJawab: Uji Pemahaman 8.1Kerjakan soal berikut!1. Suatu gas H2volumnya 0,6 m3, tekanan 105Pa dan bermassa 20 gr.Berapakah kecepatan efektif partikel gas tersebut?2. Dalam suatu kotak 0,8 m3terdapat 1018partikel gas. Jika tekanan 104Paberapakah energi kinetik rata-rata partikelnya?C. SUHU DAN ENERGI KINETIK RATA-RATA PARTIKEL GASDari hasil kegiatan dengan tabung model kinetik gas ternyata tekanan gasdipengaruhi oleh suhu gas dan volum gas juga dipengaruhi oleh suhu gas.Berdasarkan hukum Gay-Lussac diperoleh:1. Pemanasan gas pada tekanan tetap (Isobarik)Volume gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas:2. Pemanasan gas pada volum tetap (isokhorik) tekanan gas berbanding lurusdengan suhu mutlak gasPTkonstan=VTkonstan=Ek K T==32321 38 1330..,. . 0 Ek = 6,831 . 10 joule-23-21Teori Kinetik Gas186
Fisika SMA/MA Kelas XI187Berdasarkan hukum Boyle pada proses gas dengan suhu tetap diperolehtekanan gas berbanding terbalik dengan volum gasDari persamaan hukum Boyle dan Gay Lussac diperoleh:Pada dasarnya persamaanmerupakan persamaan darigas ideal yaitu: atau P = tekanan (N/m2)T = suhu mutlak gas (kelvin)V = volume gas (m3)R = konstanta gasn = jumlah mol gasR = 8,31 J/mol.KPersamaandapat juga dinyatakan dengan:atau N = jumlah partikel gasK = konstanta BoltzmanK = 1,38.10-23J/KJumlah mol gas dapat dihitung dengan persamaan:n = jumlah mol gasm = massa gasM = massa relatif partikel gasN = jumlah partikel gasNo= bilangan AvogadroNo= 6,02 . 1023partikel/molDari persamaan tekanan gasdiperoleh:rEKTK=23.rEPVNNKTNK==32...32PNEVK=23.rnNNo==mMP . V = N. K. TP . VT=NK.P . VTkonstan=PV = nRTP . VTn=.RP . VTkonstan=P . VTkonstan=P . V = konstan
Dari persamaan tersebut ternyata energi kinetik rata-rata partikel seban-ding dengan suhu mutlak gas.Kecepatan rata-rata partikel gas sebanding dengan akar dari suhu mutlak gas.Akar dari kuadrat persamaan rata-rata disebut laju akar perata kuadrat(root mean square) ataudisebut juga kecepatan efektif, sehingga:Dari persamaan gas ideal dan persamaan tekanan gas maka diperoleh:KegiatanDiskusikan dengan kelompok belajar Anda!Buktikan bahwa:D. DERAJAT KEBEBASAN SUATU PARTIKELDari persamaanmaka jika terdapat N partikel gas, energikinetik totalnya adalah:Karena hampir tidak ada gaya tarik-menarik antara partikel gas, makaenergi dalam gas tersebut (u) sama dengan energi kinetik total gas tersebut.Persamaan tersebut berlaku untuk gas monoatomik (He, Ar, Ne)uNKTnRT==32....32rENKTK=32..rEKTK=32.vRTMRMS=3. .vRTMRMS=3. .vKTmRMSo=3. .vvRMS=r2rvKTmo=3. .rrEKTmv KTKo==32..12322Teori Kinetik Gas188
Untuk gaya diatomik (N2, H2, O2) diperoleh:a) pada suhu rendah (± 300 K): b) pada suhu sedang (± 500 K):c) pada suhu tinggi (± 1000 K):Contoh Soal 8.2Suatu gas monoatomik sebanyak 0,2 mol berada dalam ruang tertutuppada suhu 47oC. Berapakah energi dalam gas tersebut?Diketahui: n = 0,2 mol T = (47 + 273)K = 320 KDitanya: UJawab : - Tekanan gas: - Kecepatan rata-rata: - Energi kinetik rata-rata: - Energi dalam gasa. Untuk gas monoatomiku NKT nRT==3232EKTk=32vKTmRMSo=33PNm vVo=132unRT==32320 2 8320.., . . ,31 = 797,76 jouleuNKT=72..uNKT=52..uNKT=32..Fisika SMA/MA Kelas XI189RRaannggkkuummaann
b. Untuk gas diatomik1) Pada suhu rendah:2) Pada suhu sedang:3) Pada suhu tinggi: KATA KUNCI- Teori partikel- Gas ideal- Tekanan gas- Isobarik- Isokhorik- Derajad kebebasanu NKT=72u NKT=52u NKT=32u NKT nRT==3232Teori Kinetik Gas190UJI KOMPETENSIA. Pilihlah satu jawaban yang paling benar!1. Dalam teori kinetik gas,dimunculkan konsep gas idealdengan maksud ....a. kebanyakan gas di alamadalah gas idealb. agar tumbukan antara par-tikel gas lenting sempurnac. untuk menyederhanakandalam pembahasan teorinyad. agar tidak terpengaruh de-ngan medan gravitasie. agar dapat menggunakansatuan S.I2. Suatu gas dalam ruang tertutupmempunyai volum = V,tekanan = P dan suhu = T. Jikagas tersebut dipanasi padaproses isoklorik sehingga suhu-nya menjadi 2T, maka volumdan tekanannya menjadi ....a. V dan 1⁄2P d. V dan 4Pb. 2V dan P e. 2V dan 2Pc. V dan 2P
Fisika SMA/MA Kelas XI1913. Sifat-sifat gas ideal adalahseperti di bawah ini, kecuali....a. tumbukan antara gas len-ting sempurnab. pada tumbukan antaramolekul gas berlaku hukumkekekalan momentumc. dapat mengembun biladimampatkand. berlaku hukum-hukumnewton pada gerakane. berlaku hukum Boyle GayLussac4. Pada saat kita menggunakanpompa sepeda untuk memom-pa sepeda berlaku hukum ....a. Boyle d. Newtonb. Gay Lussac e. Alamc. Gas umum5. Kecepatan rata-rata molekulgas oksigen pada suhu 0oC danberat atom oksigen 16 adalah ....a. 641 m/s d. 416 m/sb. 461 m/s e. 614 m/sc. 146 m/s6. Suatu gas dalam ruang tertutupmempunyai tekanan 2 atm dansuhu 27oC. Jika kemudian gasditekan secara perlahan-lahan se-hingga volumnya menjadi 1⁄3darivolum mula-mula, maka teka-nan dan suhunya menjadi ....a. 6 atm dan 300 Kb. 6 atm dan 900 Kc. 2⁄3atm dan 600 Kd. 8 atm dan 600 Ke. 6 atm dan 600 K7. Massa jenis gas helium dalamsebuah tangki tertutup dengantekanan 100 atm, suhu 27oC danberat atom helium = 4,004adalah ....a. 18,4 kg/m3b. 6,12 kg/m3c. 20,4 kg/m3d. 40,2 kg/m3e. 16,2 kg/m38. Dalam sebuah ruangan tertu-tup terdapat N buah partikelgas dengan suhu mutlak ToK.Jika konstanta Boltzman K,maka energi kinetik partikel gastersebut ....a. 3⁄2N.K.T d. N.K.Tb. 2⁄3N.K.T e. 2.N.K.Tc. 1⁄2N.K.T9. Di dalam sebuah tangki yangvolumnya 50 dm3terdapat gasoksigen pada suhu 27oC dantekanan 135 atm. Massa gastersebut ....a. 8,768 kg d. 8,876 kgb. 7,867 kg e. 6,887 kgc. 6,878 kg10. Bila suhu mutlak gas idealdinaikkan menjadi 9 kali semula,maka laju partikel itu menjadi ....a. 9d. b. e. 3c. 111. Pada proses isotermis berlakupersamaan ....a. b. P . T = n . R . T c. P . V = Kd.e. P . V = N . K . TPTK=PVTK=1913
Teori Kinetik Gas19212. Suatu jenis gas menempati vo-lum 100 cm3pada temperatur0oC dan tekanan 1 atm. Bila tem-peratur menjadi 50oC sedang-kan tekanan menjadi 2,0 atm,maka volum gas akan menjadi....a. 118,3 cm3b. 84,5 cm3c. 59,2 cm3d. 45,5 cm3e. 38,4 cm313. Pemampatan gas dengan perla-han-lahan, dimaksudkan agar ....a. hukum Gay Lussac berlakudengan baikb. hukum Boyle berlaku de-ngan baikc. hukum Boyle-Gay Lussacberlaku dengan baikd. tenaga panasnya kurange. suhu tetap konstan14. Rapat massa suatu gas padasuhu T dan tekanan P adalah p.Jika tekanan gas tersebut dijadi-kan 2P dan suhunya diturunkanmenjadi 0,5T, maka rapat massagas menjadi ... kali semula.a. 4d. 0,25b. 2 e. salah semuac. 0,515. Proses di titik1 sampai 3dalam gam-bar di sam-ping adalah....a. proses isothermisb. proses isobarik dengansuhu konstanc. proses pengembangan de-ngan suhu konstand. proses pemanasan dengantekanan konstane. proses isokharik123VPPPoVoV2V3ttoB. Kerjakan soal-soal di bawah ini!1. Berapakah kecepatan V dalam molekul oksigen yang tekanannya 3.105Pa dan suhunya 0oC bila massa jenis oksigen 0,001 gr/cm3?2. Dalam sebuah tangki yang volumnya 4 m3terdapat 0,01 mol gasamoniak dengan tekanan 1 atm. Berapakah energi kinetik rata-ratasebuah molekul gas amoniak itu?3. Hitunglah kecepatan rata-rata molekul H2pada suhu 27oC jika massa 1mol H2= 0,0020 kg!4. Hitung energi dalam gas helium sebanyak 2 mol pada suhu 27oC!5. Suatu silinder berisi 1 liter gas dengan tekanan 2 atm dan suhu 27oC.Bila suhu gas menjadi 77oC sedangkan volumnya dijadikan separuhdari volum semula. Berapakah tekanan gas sekarang?