Hukum Boyle Dan Hukum Charles
Sains
adalah bidang yang memberikan kesempatan eksplorasi tak terbatas bahkan jika
seseorang membatasi dirinya ke domain tertentu. Banyak ilmuwan yang berdedikasi
seluruh hidup mereka untuk bidang ini dan memberikan kontribusi terhadap
evolusi manusia. Robert Boyle adalah salah satu ilmuwan tersebut. Salah satu
karya yang paling terkenal (Hukum Boyle) adalah bahwa pembentukan hubungan
antara volume gas dan tekanan diterapkan di atasnya. Hukum Boyle adalah hasil
kerja didedikasikan oleh Robert Boyle untuk menentukan variasi volume gas
dengan perubahan tekanan. Hukum berlaku selama jumlah gas dan suhu dijaga
konstan. Robert Boyle Hukum Boyle menyatakan dan merumuskan persamaan
matematika dengan bantuan beberapa pengamatan pada sifat-sifat dan perilaku gas
ideal mereka.
Gambar
disamping adalah sebuah animasi yang
menunjukkan hubungan antara tekanan dan volume dimana
jumlah dan suhu tetap konstan.
Hukum Boyle membantu untuk
menentukan efek pada volume gas saat mengganti tekanan yang diterapkan di
atasnya. Jumlah gas dan suhu harus tetap konstan sementara melakukan percobaan
dalam rangka untuk plot hubungan yang benar antara tekanan dan volume.
Undang-undang menyatakan bahwa jika suhu dijaga konstan, volume gas berbanding
terbalik dengan tekanan diterapkan. Secara matematis hukum dapat ditulis
sebagai:
PV = konstan (k)
dimana :
P
= tekanan sistem
V
= volume gas yang
k
= nilai konstan
Menurut interpretasi matematis, asalkan suhu sistem tidak
berubah, nilai ‘k’ tetap sama dan karenanya Boyle adalah mampu merumuskan
persamaan yang lebih umum, yang dapat ditulis sebagai:
P1V1 = P2V2
Dimana P1 dan V1 adalah tekanan awal dan volume dan P2 dan
V2 adalah tekanan akhir dan volume. Menurut persamaan ini, dapat dengan mudah
dilihat bahwa jika tekanan diterapkan pada gas meningkat, volume menurun dan
jika tekanan menurun, peningkatan volume, untuk menjaga nilai ‘k’ konstan.
Hukum Boyle berasal dari teori kinetik gas dengan asumsi gas ideal. Itu juga
menemukan bahwa gas nyata mematuhi hukum Boyle hanya pada tekanan yang cukup
rendah, seperti pada tekanan tinggi, gas umumnya menunjukkan bentuk
penyimpangan perilaku ideal mereka.
Contoh: Misalkan volume awal dan tekanan gas 3L dan 4 atm
masing-masing, kemudian menggunakan hukum Boyle, tekanan akhir gas dapat
dihitung jika volume menurun sampai 2,5 L. Menurut hukum Boyle, P1V1 = P2V2
Jadi, P2 = P1V1 / V2
=> P2 = (3 * 4) / 2,5 = 4,8 atm.
Oleh
karena tekanan akhir gas adalah 4,8 atm.
Hukum Boyle, Hukum Charles dan Hukum Gay-Lussac bersama-sama
membentuk hukum gas gabungan, dan digunakan untuk perhitungan matematis
sementara melakukan percobaan di laboratorium. Selain mempelajari perilaku gas
ideal dan nyata, Robert Boyle juga dilakukan percobaan untuk menentukan peran
udara dalam memungkinkan suara untuk perjalanan, kemampuan kristal untuk
membelokkan cahaya dan perilaku cairan saat istirahat. Hukum Boyle masih salah
satu hukum yang sangat dasar kimia dan telah membantu para ilmuwan dalam
memahami sifat-sifat gas dalam cara yang lebih baik.
HUKUM
CHARLES
Dalam termodinamika dan kimia fisik, Hukum Charles adalah hukum gas ideal pada tekanan tetap yang menyatakan
bahwa :
“ Pada tekanan
tetap, volume gas ideal bermassa tertentu berbanding lurus terhadap
temperaturnya (dalam Kelvin).”
Secara matematis, hukum Charles dapat
ditulis sebagai:
Dimana :
V = volume gas (m3),
T = temperatur gas
(K), dan
K = konstanta.
Hukum ini
pertama kali dipublikasikan oleh Joseph Louis Gay-Lussac pada tahun 1802, namun dalam
publikasi tersebut Gay-Lussac mengutip karya Jacques Charles dari sekitar
tahun 1787 yang tidak
dipublikasikan. Hal ini membuat hukum tersebut dinamai hukum Charles. Hukum Boyle, hukum
Charles, dan hukum
Gay-Lussac merupakan hukum gas gabungan. Ketiga hukum gas tersebut
bersama dengan hukum
Avogadro dapat digeneralisasikan oleh hukum gas ideal.
HUKUM AVOGADRO
Hukum Avogadro (Hipotesis
Avogadro, atau Prinsip Avogadro) merupakan satu hukum gas yang dinamakan sempena Amedeo Avogadro, yang membuat suatu hipotesis pada
tahun 1811 bahawa :
“ Gas-gas
dengan isi padu yang sama, pada suhu dan tekanan yang sama, mempunyai bilangan
zarah atau molekul yang sama.”
Justru,
bilangan molekul pada isi padu gas yang tertentu
adalah bebas daripada saiz atau jisim molekul gas
itu. Contohnya, gas hidrogen dan gas nitrogen pada isi padu
yang sama mempunyai bilangan molekul yang sama, sekiranya pada suhu dan tekanan
yang sama.
Aspek kecil
hukum ini boleh dinyatakan secara matematik seperti ini:
.
Dimana :
V = isi padu
gas.
K = pembolehubah
tetap.
Akibat Hukum
Avogadro yang terpenting adalah berikut: Pembolehubah tetap gas unggul
mempunyai nilai yang sama pada semua gas. Ini bermaksud bahawa pembolehubah
tetap
Dimana :
mempunyai nilai yang sama untuk semua
gas, bebas daripada saiz dan jisim molekul gas. Satu mol sesuatu gas unggul
adalah sebanyak 22.4 liter (dm3) pada STP, dan merangkumi 24.45 liter pada SLC
(Keadaan bilik = 25 darjah Celsius dan 1 atm/101.3kPa). Isi padu ini sering
dirujuk sebagai isi padu molar sesuatu gas unggul. Gas sebenar
mungkin akan menyimpang daripada nilai ini.
Bilangan
molekul dalam satu mole dipanggil nombor Avogadro: kira-kira
6.022×1023 zarah setiap mol. Hukum Avogadro, berserta hukum gas gabungan, membentuk hukum gas unggul.
PERSAMAAN GAS IDEAL
Gas merupakan satu dari tiga wujud zat dan walaupun wujud
ini merupakan bagian tak terpisahkan dari studi kimia, disini saya akan
membahas tentang hubungan antara volume, temperatur dan tekanan baik dalam gas
ideal maupun dalam gas nyata, dan teori kinetik molekular gas, dan tidak secara
langsung kimia. Bahasan utamanya terutama tentang perubahan fisika, dan reaksi
kimianya tidak didisuksikan.
Namun, sifat fisik gas 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.
a. Sifat Gas
Sifat-sifat gas dapat dirangkumkan sebagai berikut :
- Gas
bersifat transparan.
- Gas
terdistribusi merata dalam ruang apapun bentuk ruangnya.
- Gas
dalam ruang akan memberikan tekanan ke dinding.
- Volume
sejumlah gas sama dengan volume wadahnya. Bila gas tidak diwadahi, volume
gas akan menjadi tak hingga besarnya, dan tekanannya akan menjadi tak
hingga kecilnya.
- Gas
berdifusi ke segala arah tidak peduli ada atau tidak tekanan luar.
- Bila
dua atau lebih gas bercampur, gas-gas itu akan terdistribusi merata.
- Gas
dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar dikurangi, gas akan
mengembang.
- Bila
dipanaskan gas akan mengembang, bila didinginkan akan mengkerut.
Dari berbagai sifat di atas, yang paling penting adalah
tekanan gas. Misalkan suatu cairan memenuhi wadah. Bila cairan didinginkan dan
volumenya berkurang, cairan itu tidak akan memenuhi wadah lagi. Namun, gas
selalu akan memenuhi ruang tidak peduli berapapun suhunya. Yang akan berubah
adalah tekanannya.
Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan gas adalah manometer.
Prototipe alat pengukur tekanan atmosfer, barometer, diciptakan oleh
Torricelli. Tekanan didefinisikan gaya per satuan luas, jadi tekanan = gaya / luas.
Dalam SI, satuan gaya adalah Newton (N), satuan luas m2, dan satuan
tekanan adalah Pascal (Pa). 1 atm kira-kira sama dengan tekanan 1013 hPa. 1 atm
= 1,01325 x 105 Pa = 1013,25 hPa
Namun, dalam satuan non-SI unit, Torr, kira-kira 1/760 dari
1 atm, sering digunakan untuk mengukur perubahan tekanan dalam reaksi kimia.
b. Volume dan Tekanan
Fakta bahwa volume gas berubah bila tekanannya berubah telah
diamati sejak abad 17 oleh Torricelli dan filsuf / saintis Perancis Blase
Pascal (1623-1662). Boyle mengamati bahwa dengan mengenakan tekanan dengan
sejumlah volume tertentu merkuri, volume gas, yang terjebak dalam tabung delas
yang tertutup di salah satu ujungnya, akan berkurang. Dalam percobaan ini,
volume gas diukur pada tekanan lebih besar dari 1 atm.
Boyle membuat pompa vakum menggunakan teknik tercangih yang
ada waktu itu, dan ia mengamati bahwa gas pada tekanan di bawah 1 atm akan
mengembang. Setelah ia melakukan banyak percobaan, Boyle mengusulkan persamaan
(6.1) untuk menggambarkan hubungan antara volume V dan tekanan P gas. Hubungan
ini disebut dengan Hukum Boyle.
PV = k (suatu tetapan)
Penampilan
grafis dari percobaan Boyle dapat dilakukan dengan dua cara. Bila P diplot
sebagai ordinat dan V sebagai absis, didapatkan hiperbola (Gambar 6.1(a)).
Kedua bila V diplot terhadap 1/P, akan didapatkan garis lurus (Gambar 6.1(b)).
(a)
Plot
hasil percobaan; tekanan vs volume.
(b)
Plot
hasil percobaan; volume vs 1 / tekanan. Catat bahwa kemiringan k tetap.
c. Volume dan Temperatur
Setelah lebih dari satu abad penemuan Boyle ilmuwan mulai
tertarik pada hubungan antara volume dan temperatur gas. Mungkin karena balon
termal menjadi topik pembicaraan di kotakota waktu itu. Kimiawan Perancis
Jacques Alexandre César Charles (1746-1823), seorang navigator balon yang terkenal
pada waktu itu, mengenali bahwa, pada tekanan tetap, volume gas akan meningkat
bila temperaturnya dinaikkan. Hubungan ini disebut dengan hukum Charles,
walaupun datanya sebenarnya tidak kuantitatif. Gay-Lussac lah yang kemudian
memplotkan volume gas terhadap temperatur dan mendapatkan garis lurus (Gambar
6.2). Karena alasan ini Hukum Charles sering dinamakan Hukum
Gay-Lussac. Baik Hukum Charles dan Hukum Gay-Lussac kira-kira diikuti oleh
semua gas selama tidak terjadi pengembunan.
Pembahasan menarik dapat dilakukan dengan Hukum Charles.
Dengan mengekstrapolasikan plot volume gas terhadap temperatur, volume menjadi
nol pada temperatur tertentu. Menarik bahwa temperatur saat volumenya menjadi
nol sekiatar -273°C (nilai tepatnya adalah -273.2 °C) untuk semua gas. Ini
mengindikasikan bahwa pada tekanan tetap, dua garis lurus yang didapatkan dari
pengeplotan volume V1 dan V2 dua gas 1 dan 2 terhadap
temperatur akan berpotongan di V = 0.
Fisikawan Inggris Lord Kelvin (William Thomson (1824-1907))
megusulkan pada temperatur ini temperatur molekul gas menjadi setara dengan
molekul tanpa gerakan dan dengan demikian volumenya menjadi dapat diabaikan
dibandingkan dengan volumenya pada temperatur kamar, dan ia mengusulkan skala
temperatur baru, skala temperatur Kelvin, yang didefinisikan dengan persamaan
berikut :
273,2 + °C = K
Kini temperatur Kelvin K disebut dengan Temperatur Absolut,
dan 0 K disebut dengan titik nol absolut. Dengan menggunakan skala
temperatur absolut, hukum Charles dapat diungkapkan dengan persamaan sederhana
:
V = bT (K)
dengan
b adalah konstanta yang tidak bergantung jenis gas.
Menurut Kelvin, temperatur adalah ukuran gerakan molekular.
Dari sudut pandang ini, nol absolut khususnya menarik karena pada temperatur
ini, gerakan molekular gas akan berhenti. Nol absolut tidak pernah dicapai
dengan percobaan. Temperatur terendah yang pernah dicapai adalah sekitar
0,000001 K.
Avogadro menyatakan bahwa gas-gas bervolume sama, pada
temperatur dan tekanan yang sama, akan mengandung jumlah molekul yang sama
(hukum Avogadro; Bab 1.2(b)). Hal ini sama dengan menyatakan bahwa volume real
gas apapun sangat kecil dibandingkan dengan volume yang ditempatinya. Bila
anggapan ini benar, volume gas sebanding dengan jumlah molekul gas dalam ruang
tersebut. Jadi, massa relatif, yakni massa molekul atau massa atom gas, dengan
mudah didapat.
d. Persamaan Gas Ideal
Esensi ketiga hukum gas di atas 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
Hukum
Boyle : V = a/P (pada T, n
tetap)
Hukum Charles : V = b.T (pada P, n tetap)
Hukum Avogadro : V = c.n (pada T, P tetap)
Hukum Charles : V = b.T (pada P, n tetap)
Hukum Avogadro : V = c.n (pada T, P tetap)
Jadi, V sebanding dengan T dan n, dan berbanding terbalik
pada P. Hubungan ini dapat digabungkan menjadi satu persamaan:
V = RTn / P
Atau
:
PV = nRT
R
adalah tetapan baru. Persamaan di atas disebut dengan persamaan keadaan gas
ideal atau lebih sederhana persamaan gas ideal.
Nilai R bila n = 1 disebut dengan konstanta gas, yang
merupakan satu dari konstanta fundamental fisika. Nilai R beragam bergantung
pada satuan yang digunakan. Dalam sistem metrik, R = 8,2056 x10–2 dm3
atm mol-1 K-1. Kini, nilai R = 8,3145 J mol-1
K-1 lebih sering digunakan.
Latihan 1 Persamaan gas ideal
Sampel metana bermassa 0,06 g memiliki volume 950 cm3
pada temperatur 25°C. Tentukan tekanan gas dalam Pa atau atm).
Jawab:
Karena massa molekul CH4 adalah 16,04, jumlah zat
n diberikan sebagai n = 0,60 g/16,04 g mol-1 = 3,74 x 10-2
mol. Maka, P = nRT/V = (3,74 x10-2 mol)(8,314 J mol-1 K-1)
(298 K)/ 950 x 10-6 m3)= 9,75 x 104 J m-3
= 9,75 x 104 N m-2= 9,75 x 104 Pa = 0,962 atm.
Dengan bantuan tetapan gas, massa molekul relatif gas dapat
dengan mudah ditentukan bila massa w, volume V dan tekanan P diketahui
nilainya. Bila massa molar gas adalah M (g mol-1), akan diperoleh
persamaan karena n = w / M.
PV = wRT / M
Maka
:
M = wRT / PV
Latihan 2 Massa molekular gas
Massa wadah tertutup dengan volume 0,500 dm3
adalah 38,7340 g, dan massanya meningkat menjadi 39,3135 g setelah wadah diisi
dengan udara pada temperatur 24 °C dan tekanan 1 atm. Dengan menganggap gas
ideal (berlaku persamaan (6.5)), hitung "seolah" massa molekul udara.
Jawab:
28,2. Karena ini sangat mudah detail penyelesaiannya tidak
diberikan. Anda dapat mendapatkan nilai yang sama dari komposisi udara
(kira-kira N2 : O2 = 4 : 1).
e. Hukum Tekanan Parsial
Dalam banyak kasus kita tidak akan berhadapan dengan gas
murni tetapi dengan campuran gas yang mengandung dua atau lebih gas.
Dalton tertarik dengan masalah kelembaban dan dengan demikian tertarik pada
udara basah, yakni campuran udara dengan uap air. Ia menurunkan hubungan
berikut dengan menganggap masing-masing gas dalam campuran berperilaku
independen satu sama lain.
Anggap satu campuran dua jenis gas A (nA mol) dan
B (nB mol) memiliki volume V pada temperatur T. Persamaan berikut
dapat diberikan untuk masing-masing gas.
pA = nART / V
pB = nBRT / V
pA dan pB disebut dengan tekanan
parsial gas A dan gas B. Tekanan parsial adalah tekanan yang akan
diberikan oleh gas tertentu dalam campuran seandainya gas tersebut sepenuhnya
mengisi wadah.
Dalton meyatakan hukum tekanan parsial yang
menyatakan tekanan total P gas sama dengan jumlah tekanan parsial kedua
gas. Jadi :
P = pA + pB =
(nA + nB)RT/V (6.10)
Hukum ini mengindikasikan bahwa dalam campuran gas
masing-masing komponen memberikan tekanan yang independen satu sama lain.
Walaupun ada beberapa gas dalam wadah yang sama, tekanan yang diberikan
masing-masing tidak dipengaruhi oleh kehadiran gas lain.
Bila fraksi molar gas A, xA, dalam campuran xA
= nA/(nA + nB), maka pA dapat juga
dinyatakan dengan xA.
pA = [nA/(nA
+ nB)]P (6.11)
Dengan kata lain, tekanan parsial setiap komponen gas adalah
hasil kali fraksi mol, xA, dan tekanan total P.
Tekanan uap jenuh (atau dengan singkat disebut
tekanan jenuh) air disefinisikan sebagai tekanan parsial maksimum yang
dapat diberikan oleh uap air pada temperatur tertentu dalam campuran air dan
uap air. Bila terdapat lebih banyak uap air, semua air tidak dapat bertahan di
uap dan sebagian akan mengembun.
Latihan 3 Hukum tekanan parsial
Sebuah wadah bervolume 3,0 dm3 mengandung karbon
dioksida CO2 pada tekanan 200 kPa, dansatu lagi wadah bervolume 1,0
dm3 mengandung N2 pada tekanan 300 kPa. Bila kedua gas
dipindahkan ke wadah 1,5 dm3. Hitung tekanan total campuran gas.
Temperatur dipertahankan tetap selama percobaan.
Jawab:
Tekanan parsial CO2 akan menjadi 400 kPa karena
volume wadah baru 1/2 volume wadah sementara tekanan N2 adalah 300 x
(2/3) = 200 kPa karena volumenya kini hanya 2/3 volume awalnya. Maka tekanan
totalnya 400 + 200 = 600 kPa.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar