Tugas Fisika Rangkuman Materi Gas Ideal

Nama : Panji Sang Putra
NIM   : ACC 115 001

RANGKUMAN MATERI GAS IDEAL

A.Pengertian gas ideal     
     
     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.
     Suatu gas disebut gas ideal jika memenuhi hukum gas ideal. Pada tekanan-tekanan rendah sampai menengah, dan pada suhu-suhu yang tidak terlalu rendah, gas berikut ini dapat dianggap merupakan gas ideal; udara, nitrogen, oksigen, helium, hidrogen, dan neon. Hampir semua gas yang stabil secara kimia, bersifat ideal, jika keadaannya jauh dari keadaan dimana gas itu dapat mengembun atau bahkan membeku. Gas mendekati gas ideal jika pada tekanan sangat rendah pada suhu kamar.(sumber: dari Seri Buku Schaum Teori dan Soal-soal Fisika edisi Kedelapan, Frederick J. Bueche, Ph.D.)

 Anggapan-anggapan mengenai gas ideal sebagai berikut:

a.Terdiri dari partikel yang jumlahnya sangat banyak.

b.Partikel-partikel bergerak dalam arah sembarang.

c.Partikel-partikel tersebar merata dalam ruang yang sempit.

d.Jarak antar partikel jauh lebih besar daripada ukuran partikel sehingga ukuran partikel                biasanya diabaikan.

e.Tidak ada gaya antara partikel yang satu dengan yang lain, kecuali bila terjadi tumbukan.

f.Tumbukan antara partikel secara lentur sempurna.

g.Partikel dianggap bola kecil yang keras dan dinding ruang dianggap licin dan tegar.

h.Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku

1.Tekanan (P):

        Tekanan adalah besarnya gaya yang berkerja tiap satuan luas. Gas adalah zat yang sifatnya peka terhadap tekanan ataupun suhu. Bila tekanan berubah, maka volume berubah demikian juga kerapatan. Untuk tekanan gas biasanya digunakan satuan atmosfer (atm). Untuk mengukur tekanan digunakan barometer air raksa.

1 atmosfer= 76 cm Hg.

                                                                                                    

2.Volume Gas (V)

        Di antara zat padat, zat cair, maka gaslah yang paling mudah  dimanfaatkan. Artinya, volume gas sangat dipengaruhi oleh tekanan. Karena sifat molekul gas yang mudah mengisi ruangan, maka yang dimaksud volume (isi) adalah seluruh ruangan yang ditempati gas tersebut.

 3.MOE/MOL:
         1 mol adalah banyak gram suatu unsur atau molekul yang besarnya sama dengan angka massa atom relatif (Ar) atau massa angka molekul relatif (Mr)nya.
Ar C =12; 1 mol C = 12 gram n mol unsur = n Ar gram.
Mr N2O = 18; 1 N2O = 12 gram n mol senyawa n = n Mr gram.
4.Bilangan Avogadro (NA):
        Menunjukkan banyak  atom dalam 1 mol unsur atau banyaknya molekul dalam 1 mol suatu senyawa.
NA= 6,02 × 1023
1 mol C mengandung  6,02 × 1023 atom C.
1 mol N2O mengandung 6,02 × 1023 molekul N2O.

                       
                    

B. Hukum-hukum Gas Ideal

                 

Tekanan absolut/mutlak p dari n kilomole gas yang mempunyai volume V ada hubungan dengan temperatur  mutlak T sesuai

 

Dimana R=8314 J/kmol. K dan disebut konstanta gas universal. Bila volume tersebut berisi m kilogram gas yang mempunyai massa molekul (atau massa atomik) M, maka n =m/M.

a.Hukum  Boyle

         Volume suatu gas dengan massa tertentu akan tegantung pada tekanan suhu absolutnya, sehingga untuk mengadakan pengukuran volume sejumlah gas tertentu harus terlebih dahulu mengetahui tekanan maupun suhunya.

          Apabila tekanan suatu gas ditingkatkan , maka volume akan mengecil. Robert Boyle melakukan eksperimen pertama untuk menentukan hubungan antara volume dan tekanan gas, dengan kesimpulan sebagai berikut:

“Pada temperatur konstan, volume suatu massa gas adalah berbanding terbalik terhadap tekanannya. ”Secara matematis dinyatakan sebagai berikut: V=K/P Dimana V adalah volume gas dan p adalah tekanan gas pada temperatur konstan, jadi: V=k/p dimana k adalah konstan, atau Pv=k
  
b.Hukum Charles
        Hukum Charles dapat dinyatakan dengan: “pada tekanan konstan volume suatu gas berbanding lurus dengan suhu absolutnya.”

Secara matematis, hukum tersebut dinyatakan sebagai:

                                                   

 Dimana: V= Volume gas dan T= Temperatur absolut atau:

 
                                                      

atau :

                                                                  V/T=k   

   Yang artinya: 
                                                    

Apabila Hukum Charles dan Hukum Boyle digabungkan, diperoleh:

 

     


Nilai konstanta “k” adalah sama dengan satu mol gas, yaitu: 8,314 J/K mol. Jika satuan tekanan adalah N/m2 dan satuan volume adalah m3/mol T harus dinyatakan dalam 0K.
 
c.Hukum Dalton
         Hukum ini diperuntukkan pada campuran gas-gas yang dinyatakan sebagai:
“Dalam campuran gas, tekanan gas-gas adalah sama dengan jumlah tekanan partial dari tiap gas dalam campuran.”
        Tekanan partial adalah tekanan yang dipunyai oleh tiap gas jika ia ditempatkan sendiri dalam suatu tabung. Dengan kata lain hukum diatas dituliskan sebagai:
 ptotal=p1 + p2 +p3 + .............

Dimana: p1 = tekanan partial gas ke-1

              P2 = tekanan partial gas ke-2

              P3 = tekanan partial gas ke-3.

d. Hukum Graham

        Pada percampuran beberapa gas yang tidak dapat saling bereaksi, terjadilah difusi sempurna dengan kecepatan difusi yang berbanding terbalik dengan masing-masing akar massa jenisnya yang diukur pada temperatur tekanan yang sama. Dengan kata lain dinyatakan sebagai:

V1/V2 = (V.P2)/(V.d1)

Dimana V = Kecepatan difusi dan d = massa jenis gas.

  

e. Hukum Avogadro
       Menurut Avogadro, unsur unsur gas itu tidak terdiri dari atom-atom melainkan terdiri dari molekul-molekul dengan jumlah bilangan-bilangan genap. Hukum Avogadro berbunyi:
“Gas-gas yang mempunyai volume sama jika diukur pada temperatur dan tekanan yang sama, mengandung banyak molekul yang sama juga.”
Angka 0,082 biasa dinyatakan R yang disebut konstanta gas universal. Dari uraian diatas, dapat disimpulkan bahwa penggabungan dari Hukum Boyle, Charles, dan Avogadro menghasilkan untuk 1 mol gas:
PV/T = R  atau untuk n gram mol gas:  PV/T = n . R
Dimana n mol gas dalam ruangan V liter yang suhunya T0 K dan untuk V/n  biasanya disebut dengan volume molar.
 

f. Hukum dan persamaan Van Der Walls
        Persamaan keadaan gas ideal berlaku P .V = n. R. T Van Der Walls mereduksi persamaan tersebut diubah dengan memperhitungkan faktor-faktor secara sederhana sehingga dihasilkan persamaan keadaan Van Der Walls sebagai berikut:
(P + a/V2) . V – b) = R.T.
a.b = konstanta yang tergantung dari macam gas.
V   = Volume gas.
 

g. Kapasitas Panas Jenis Gas
        Terdiri dari:
Kapasitas panas jenis pada tekanan tetap (Cp)
Kapasitas panas jenis pada volume tetap (Cv)

  

h. Tekanan Standar
       Tekanan yang diberikan oleh suatu kolom air raksa tinggi 76 cm padan 0^0 C (〖273〗^0 K), harganya mendekati rata-rata atmosfer di permukaan laut, disebut 1 atmosfer (atm).
a atm = 1,013 × 105 Pa
keadaan standar menunjukkan temperatur sebesar 0^0 C (〖273〗^0 K)  tekanan 1 atmosfer.

  

i. Konstanta Gas Universal (R)
      Hukum-hukum gas sempurna untuk tiap 1 mol
P. V = R. T
Dimana:P = Tekanan (Pa)
              V= Volume (m^3)
               T= Suhu ( 0K)
               R= Tetapan gas (Joule K^(-1) mol-1)
 

(Sumber: dari Buku Fisika Teknik, Drs. Daryanto) 

C. Gas Ideal dalam Ilmu Kimia 

        

        Gas ideal secara umum dalam ilmu Fisika merupakan kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Sedangkan dalam ilmu kimia gas ideal adalah gas hipotetis yang perilaku tekanan-volume-suhunya dapat dijelaskan secara lengkap melalui persamaan gas ideal. Adapun persamaan gas ideal menerangkan hubungan antara ke-empat variabel P,V,T, dan n. Jika ditinjau dari teori gas ideal dalam Ilmu Fisika dan Ilmu Kimia ternyata terdapat hubungan yang saling berkaitan yaitu Ilmu Fisika menyatakan bahwa hampir semua gas yang stabil secara kimia, bersifat ideal, jika keadaannya jauh dari keadaan dimana gas itu dapat mengembun atau bahkan membeku. Dan dalam Ilmu Kimia persamaan gas ideal menerangkan hubungan antara ke-empat variabel P,V,T, dan n, dimana variabel tersebut digunakan dalam Ilmu Fisika pada persamaan Van Der Walls dalam Hukum gas sempurna untuk n mol gas yaitu P.V = n.R.T.
        Hubungan lainnya yaitu dalam teori Ilmu Fisika partikel-partikel gas ideal itu selalu bergerak secara acak kesegala arah dan teori kinetik molekul gas dalam Ilmu Kimia mengasumsikan bahwa molekul-molekul gas bersifat ideal, jumlah molekul sangat besar dan seluruh gerakannya adalah acak. Perilaku Fisis gas ideal diterangkan oleh persamaan gas ideal. 

D. Fenomena Terkait Gas Ideal dalam Kehidupan Sehari-hari        

         

         Dalam kehidupan sehari-hari kita sering melihat fenomena balon meletus ketika berada dibawah sinar matahari dalam waktu yang cukup lama, fenomena tersebut merupakan contoh fenomena gas ideal dalam kehidupan sehari-hari. Pasti anda akan bertanya-tanya tentang fenomena tersebut. Berikut akan saya bahas fenomena balon meletus itu, dari percobaan yang telah saya lakukan!
        Apa yang menyebabkan fenomena tersebut bisa muncul dan konsep apa yang ada pada fenomena tersebut? Yang menyebabkan fenomena tersebut bisa muncul yaitu apabila kita meletakkan balon dibawah sinar matahari dalam waktu yang cukup lama maka balon akan meletus. Hal ini disebabkan oleh suatu gas dalam balon juga meningkat karena panas sinar matahari. Dan konsep yang ada pada fenomena tersebut yaitu konsep kenaikan suhu dan tekanan gas balon.
        Dimana fenomena tersebut muncul? Fenomena tersebut bisa  muncul di ruang terbuka dibawah sinar matahari. Kapan fenomena tersebut muncul? Fenomena tersebut muncul waktu balon diletakan dibawah sinar matahari.
Mengapa fenomena tersebut bisa muncul? Fenomena tersebut bisa muncul karena dua hal yaitu adanya kenaikkan suhu dan tekanan gas balon. Siapa yang terlibat dalam fenomena tersebut? Yang terlibat dalam fenomena tersebut adalah saya sendiri.
Bagaimana urutan terjadinya fenomena tersebut? Urutan terjadinya fenomena tersebut yaitu pertama saya meletakan balon dibawah sinar matahari dalam waktu yang cukup lama, dan kemudian balon tersebut meletus.
 

E.Contoh Soal Gas Ideal dan Pembahasannya
 

1.Suatu gas mempunyai volume 2 liter dan tekanannya 3 atm pada O^0, jika tekanannya diubah menjadi 2 atm dan suhunya 〖27〗^0 C, hitunglah volume gas tersebut,
Jawab:
V_1 = 2 It; P_1 = 3 atm; T_1 = 〖273〗^0 K ; P_2 = 2 atm; T_1 = 〖300〗^0 K.
(V_2.P_2)/T_2  = (V_1.P_1)/T_1
Atau: V_2 = T_(2.P_1 )/T_(1.P_2 )  . V_1 = (300 ×  3)/(273 ×  2)  ×  2 = 3,3 It.
Jadi, volume gas = 3,3 liter. 

2. Hitung volume molar suatu gas pada 〖25〗^0 C pada tekanan 1 atm.
  Jawab:
 (P.V)/T = n. R atau V/n = RT/P
   V/( n) = (0,082 It. atm/mol  K ×(275+25))/(1 atm) =24,4 liter/mol.
 Jadi volume molar = 24,4 liter/mol. 

3. Pada suhu berapa gas helium akan memiliki volume molar 1 It/mol pada tekanan 1 atm?
Jawab:
V/n = (1 It)/(1 mol)
T = PV/Rn = (1 atm ×  1 It)/(0,082 It atm/mol K ×  1 mol) = 12,2
Jadi, suhu gas = 12,20 K. 

4. Sebuah silinder yang volumenya 2 liter, diisi gas oksigen yang tekanannya 800 mm Hg. Berapa volume silinder yang diperlukan bila gas tadi tekanannya menjadi 2 atm dengan suhu tetap.
Jawab:
P_(1 )= 800 mm Hg.
V_1 = 2 liter.
P_2 = 2 atm = 150 mm Hg.
V_2 = .....?
P_1.V_1 = P_2.V_2
800.2 =1520.V_2
       V_2=1600/1520
           = 1,05 liter. 

5. Berapakah volume yang ditempati satu mol gas pada temperatur 0^0 dan tekanan 1 atm?
Jawab:
Hubungan antara volome, tekanan, dan temperatur gas dinyatakan dengan persamaan keadaan gas ideal yangb berlaku untuk gas dengan kerapatan rendah. Persamaan keadaan gas ideal dinyatakan
p.V=n.R.T
dengan p menyatakan tekanan gas, V menyatakan volume gas, n adalah jumlah mol gas,dan T adalah temperatur gas, sedangkan R adalah konstanta gas universal yang besarnya R=8,314 j/mol.K sedangkan k adalah konstanta Boltzmann k=1,38 × 〖10〗^(-23) J/K  dengan demikian persamaan keadaan gas ideal diatas dapat diyatakan
V = nRT/P
Selanjutnya dengan menggunakan n = 1 mol, T = 273 K, dan p =1 atm = 1,01 ×  〖10〗^5 N/m^2, maka akan diperoleh volume yang ditempati satu mol gas pada temperatur 0^0 C dan tekanan 1 atm, yaitu
V = nRT/P  =((1).(8,314).(273))/((1,01×〖10〗^(5)) )  = 22,47 m^3

6. Sebuah tabung yang volumenya 10 liter diisi gas dengan temperatur 0^0 C dan tekanan 4 atm. Tentukan banyaknya molekul gas yang ada didalam tabung tersebut.
Jawab:
Dengan menggunakan persamaan gas ideal dapat diperoleh jumlah mol gas dalam tabung, yaitu
n = pV/RT = ((4)(10))/((0,082)(273)) = 1,79 mol
selanjutnya banyaknya molekul gas dapat ditentukan dengan menggunakan bilangan Avogadro, yang menyatakan banyaknya molekul dalam satu mol zat, yaitu
N = nN_A dengan  N_A adalah bilangan Avogadro yang besarnya 6,02×〖10〗^23 〖mol〗^(-1). Dengan demikian jumlah molekul dalam 1,79 mol gas adalah
N = nN_A = (1,79)(6,02×〖10〗^23) = 1,08×〖10〗^24 molekul. 

7. Tentukan energi dalam 1 mol gas helium pada temperatur 300 K.
Jawab:
Energi dalam (internal energy) merupakan total energi kinetik semua partikel gas. Dengan demikian persamaan energi dalam dapat dinyatakan
U =N(K) = 3/2 NkT = 3/2 nRT
Sehingga besar energi dalam 1 mol gas helium adalah
U = 3/2 (1)(8,31)(300) = 3739,5 J. 

8. Sebuah balon yang diisi helium dilepas dari permukaan laut yang temperaturnya sekitar 〖20〗^0 C. Tentukan perbandingan volume balon saat dilepas dengan saat mencapai ketinggian 3000 m, jika pada ketinggian tersebut temperaturnya 5^0 C dan tekanan 0,7 atm.
Jawab:
Yang perlu diperhatikan adalah bahwa jumlah mol helium dalam balon tidak berubah. Perubahan tekanan dan temperatur menyebabkan terjadinya perubahan volume balon. Misalkan keadaan gas helium saat balon dilepas dinyatakan dengan tekanan p_1, volume V_1 dan temperatur T_(1 )sedangkan keadaan gas helium pada ketinggian 3000 m dinyatakan dengan tekanan p_2, volume V_2 dan temperatur T_2. Dari persamaan gas ideal dapat diperoleh hubungan
V_1/V_2  = p_(2T_1 )/p_(1T_2 )
Dan dengan menggunakan p_1 = 1 atm, p_2 =0,7 atm, T_1 = 293 K dan T_2 = 278 K akan diperoleh
V_1/V_2  = (p_2 T_1)/(p_1 T_2 ) =((0,7)(293))/((1)(278)) = 0,74
Jadi pada ketinggian 3000 m dari permukaan air laut balon tersebut volumenya bertambah. 

9. Sejumlah gas oksigen pada tekanan luar 101 kPa, suhu 5^0C ternyata bervolome 0,0200 m^3. Berapakah volumenya bila tekanan diubah menjadi 108 kPa dan suhunya, dinaikkan menjadi 〖30〗^0C ?
Jawab:
(p_1 V_1)/T_1  = (p_2 V_2)/T_2  atau V_2 = V_1(p_1/p_2 )(T_2/T_1 )
Tetapi T_1 = 5 + 273 = 278 K, T_2 = 30 + 273 = 303 K, maka
V_2 = (0,020 m^3)(101/108)(303/278) = 0,0204 m^3. 

 

10. Tekanan ukur (gauge pressure) di dalam ban mobil adalah 305 kPa waktu temperaturnya adalah 〖15〗^0C. Setelah berjalan pada kecepatan tinggi, ban menjadi panas dan tekanannya adalah 360 kPa. Berapakah temperatur gas dalam ban? Misalkan, tekanan atmosfer (udara luar) adalah 101 kPa.
Jawab:
(p_1 V_1)/T_1  = (p_2 V_2)/T_2  atau T_2 = T_1(p_2/p_1 )(V_2/V_1 )
Dengan p_1 = 305 + 101 = 406 kPa dan  p_2 = 360 + 101 = 461 kPa maka
T_2 = (273 + 15)(461/406)(1) = 327 K
Maka temperatur akhir dari ban adalah 327 – 273 = 〖54〗^0C.

(sumber: Buku Fisika Teknik Drs. Daryanto, Buku Soal Jawab Fisika Dasar : Mekanika Thermofisika Bagian 1 Khairul Basar Novitrian, dan Buku Kimia  

       Demikian rangkuman materi gas ideal beserta contoh soal dan pembahasannya, semoga materi ini bisa berguna sebagai bahan belajar untuk mata kuliah Fisika Dasar II serta bermanfaat bagi kita semua. Akhir kata saya ucapkan terima kasih.