Gas dan Titik Nol Absolut

GAS DAN TITIK NOL ABSOLUT

I.      Tujuan Percobaan

§    Dapat menerangkan kelakuan gas pada volume konstan dengan kondisi  tekanan dan temperatur yang berbeda.

§       Dapat mengaplikasikan prinsip kerja Hg-U manometer dan termometer gas.

§ Dapat membedakan antara skala celcius, dan skala Kelvin, dan memperkirakan temperatur nol absolut.

II.    Perincian Kerja

§  Menyelidiki kelakuan gas pada berbagai kondisi tekanan dan temperatur (Hukum Gas).

§  Menggunakan Hg-U manometer.

§  Menentukan koefisien ekspansi untuk udara.

§  Menentukan / memperkirakan temperatur titik nol absolut.

III.  Alat dan Bahan

      a) Alat yang digunakan

~  Labu Leher Bulat 1000 ml                 1 buah

~  Gelas Kimia  500 ml                          1 buah

~  Manometer Hg-U                               1 buah

~  Pengaduk Kaca                                  1 buah

~  Sumbat Labu Leher Bulat                 1 buah

~  Klem                                                  1 buah

~  Selang                                                2 buah

~  Heater Spiral                                     1 buah

b) Bahan yang digunakan

~  Air ( H₂O )

IV.  Dasar Teori

Hukum Boyle

Penemuan bahwa tekanan udara dapat diukur dalam bentuk tinggi kolom cairan segera mendorong pengkajian yang cermat mengenai perubahan volume contoh-contoh gas dengan berubahnya tekanan. Perilaku yang dibuktikan oleh eksperimen yang serupa bersifat khas dari semua gas. Pada temperatur konstan apa saja, makin besar tekanan suatu contoh gas, makin kecil volumenya. Karena semua gas bertindak seperti ini disebut suatu hukum alam. Pertama kali diperagakan kira-kira dalam tahun 1660 oleh Robert Boyle, hukum ini dikenal dengan hukum Boyle. Jika temperatur tetap konstan, volume suatu massa tertentu berbanding terbalik dengan tekanan.  Secara matematis :

Lambang V1 dan P1 merujuk ke volume dan tekanan awal, V2 dan P2 merujuk ke volume dan tekanan pada kondisi baru atau yang telah diubah.

Memecahkan Masalah-masalah Hukum Gas

Banyak diantara masalah yang berkaitan dengan hukum gas yang dapat dipecahkan dengan cara sistematis yang sama. Pertama, harus difahami bahwa untuk memeriksa dengan lengkap suatu contoh gas, empat besaran harus diketahui : Banyaknya materi yang ada (Dinyatakan dalam massa atau banyaknya mol), Volume, Tekanan dan Temperatur. Kedua, seringkali ternyata menolong untuk mendaftarsatu perangkat kondisi yang memerikan gas itu dalam keadaan aslinya dan seperangkat lain yang memerikan gas itu dalam keadaan yang telah berubah. Biasanya problem itu dapat dirumuskan sebagai problem dimana suatu besaran dalam keadaan berubah harus dicari. Katakan terdapat gas dengan massa tertentu m, menghuni volume asli V1, pada tekanan tertentu P1, dan gas itu diubah ke tekanan P2. problemnya ialah menghitung volume V2 dalam keadaan terubahkan. Informasi tambahan ialah bahwa temperatur awal dan akhir sama, sebesar T. tentu saja diandaikan (Biasanya tidak disebut) bahwa tak ada kebocoran dalam alat, sehingga massa gas juga konstan.

Pengaruh Temperatur

Jika kuantitas tertentu gas dikurung pada tekanan konstan dalam sebuah bejana, volume gas akan berubah dengan temperatur. Gas terkurung diatas cairan dalam suatu silinder berskala yang diselubungi suatu selubung lewat mana dapat dialirkan suatu cairan pada temperatur tertentu.

Bila temperatur dinaikkan, volume gas bertambah, bila diturunkan volume berkurang. Dengan menaik turunkan labu pengatur permukaan cairan, permukaan dalam labu; dengan cara ini tekanan gas yang terkurung dapat dijaga agar konstan dan sama dengan tekanan udara luar (tekanan gas dapat juga dibuat konstan dibawah atau diatas tekanan udara luar, dengan meletakkan labu itu pada posisi yang benar).

Dalam jangka temperatur yang luas, terdapat hubungan garis lurus antara perubahan temperatur dan perubahan volume. Pada temperatur yang sangat rendah, udara akan mencair. Volume mengecil secara mendadak bila terbentuk cairan.

Hubungan garis lurus antara temperatur dan volume menunjukkan bahwa perubahan dalam volume gas berbanding lurus dengan perubahan temperatur, kesebandingan dapat dituliskan secara matematis:

Kesebandingan ini pertama-tama dijumpai oleh ilmuan Perancis, Jacque Charles kira-kira dalam tahun 1787 dan dinyatakan dalam rumus umum oleh J.L. Gay-Lussac dalam tahun 1802.

Skala Mutlak Temperatur

Ekstrapolasi garis lurus dalam grafik, mendorong kegagasan bahwa seandainya temperatur cukup direndahkan volume yang dihuni oleh udara itu akan menjadi nol. Meskipun sukar dibayangkan bahwa materi dapat bervolume nol, temperatur yang berkaitan dengan “volume nol” pada grafik itu sangat penting artinya. Temperatur ini, yang menurut perhitungan adalah 273,150 dibawah 0 ⁰C, disebut nol mutlak. Meskipun ekstrapolasi sederhana seperti yang ditunjukkan dalam grafik menyatakan bahwa temperatur nol mutlak itu ada, baru dalam tahun 1848 Lord Kelvin secara meyakinkan memperagakan berlakunya skala temperatur mutlak. Pada skala Kelvin itu, nol mutlak diberi harga 0 K.

Suatu perubahan 1 K sama besarnya dengan perubahan 10 ⁰C, sehingga titik beku air, yang 273,15 derajat diatas nol mutlak, mempunyai harga sebesar 273,15 K pada skala Kelvin. Mengubah 0 ⁰C ke K, 273 (lebih tepat 273,15) harus ditambahkan ke temperatur Celcius.

Tak terdapat temperatur tertinggi yang dapat dihitung karena tak dikenal data atas teoritis untuk temperatur. Temperatur didalam matahari diperkirakan setinggi 30.000.000 K; temperatur yang dicapai dalam ledakan bom hidrogen diperkirakan 100.000.000 K.

Hukum Charles

Dalam grafik tersebut dapat dilihat bahwa garis lurus temperatur suatu gas versus volumenya menunjukkan bahwa perubahan dalam besaran-besaran ini berbanding lurus satu sama lain. Namun, angka banding langsung antara volume dan temperatur tak diperoleh jika temperatur yang digunakan diambil dari skala Celsius atau Fahrenheit. Bilangan dalam skala-skala ini hanyalah harga relatif. Baik 0˚C maupun 0˚F tidak menyatakan ketiadaan temperatur, karena pada masing-masing skala ini masih dapat dibaca temperatur “dibawah nol”.

Karena hanya dalam skala mutlak 0 berarti tak ada temperatur, rujukan apa saja keangka banding langsung antara volume dan temperatur haruslah menyebut bahwa digunakan harga-harga mutlak. Pernyataan hubungan ini dikenal sebagai hukum Charles. Jika tekanan tak berubah, volume gas dengan massa tertentu, berbanding lurus dengan temperatur mutlak.

Secara matematis, pernyataan tersebut dapat dituliskan dalam rumus :

Prinsip Termometer gas

Pada termometer gas penentuan temperatur didasarkan pada prinsip alat ukur tekanan dengan hukum Gay – Lussac.
Dengan dapat digerakkannya tabung sebelah kanan, maka permukaan Hg pada kaki sebelah kiri dapat diatur pada ketinggian hL 9dengan menyentuh jarum), oleh sebab itu volume gas dalam labu dapat dibuat konstan untuk setiap pengukuran temperatur. Perbedaan tekanan yang diakibatkan kenaikan temperatur sebanding dengan perbedaan tinggi permukaan h = hr – hL (mmHg).

Adanya perbedaan temperatur t1 dan t2 akan mengakibatkan perbedaan tinggi permukaan Hg, h1 dan h2. dari hubungan tekanan h1 dan h2 serta dari tekanan barometer b kita peroleh tekanan dalam labu A.

Dapat dituliskan secara matematis dalam rumus :

Aplikasi hukum-hukum gas pada percobaan

Percobaan kali ini akan diselidiki hubungan antara tekanan dan temperatur gas pada volume konstan. Selanjutnya akan digunakan hubungan antara tekanan dan temperatur untuk membuat kurva antara tekanan dengan  temperatur. Dari hukum Charles dapat diketahui bahwa jika sejumlah volume gas dijaga agar tekanannya konstan, maka volume gas akan berbanding lurus dengan temperatur absolut.

Dapat dilihat pula bahwa dari ekstrapolasi terhadap garis lurus akan diperoleh harga volume nol, pada temperatur –2730 ⁰C atau 0 K. Tetapi karena volume pada tekanan konstan dan tekanan pada volume konstan adalah berbanding lurus terhadaptemperatur (hukum Gay Lussac) volume pada grafik  (sumbuY) dapat diganti dengan tekanan, sehingga diperoleh grafik yang sejenis (tekanan dengan temperatur) jika kita lakukan ekstrapolasi terhadap garis lurus maka akan diperoleh harga tekanan nol, pada temperatur –2730⁰C atau 0 K.

Untuk membuat grafik tekanan vs temperatur paling sedikit dibutuhkan 3 titik yang diukur pada volume konstan.

Isi labu gelas dengan udara dan dihubungkan dengan pipa karet vakum (vacuum rubber hose). Setelah labu gelas didinginkan hingga 0 ⁰C, tekanan udara dalam labu akan turun. Hal ini dapat diukur dengan Hg – U manometer p antara 0 mmHg dan kenaikan tinggi kolom pada sisi kiri sesuai dengan penurunan tekanan.

Dengan demikian diperoleh :

 

P0 adalah tekanan pada 0⁰C atau 273 K, ini adalah titik pertama pada grafik antara tekanan dengan temperatur.

Jika temperatur dalam labu yang berisi udara dinaikkan 10 ⁰C atau 1 K tekanan akan bertambah sebanding dengan kenaikan temperatur.

Atau dalam bentuk yang lebih umum:

Referensi lain mengenai hukum Gas

Gas merupakan satu dari tiga wujud zat dan walaupun wujud ini merupakan bagian tak terpisahkan dari studi kimia, bab ini terutama hanya akan membahasa 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.

Sifat gas

Sifat-sifat gas dapat dirangkumkan sebagai berikut.

1.  Gas bersifat transparan.