MEDIA PEMBELAJARAN FISIKA
Mari
Belajar
Disusun oleh :
LAILATUL MAGHFIROH
FISIKA ITU ASYIK
TEORI
KINETIK GAS
I.
STANDAR KOMPETENSI
Menerapkan konsep termodinamika
dalam mesin kalor
II.
KOMPETENSI DASAR
Menganalisis
persamaan umum gas ideal, menurunkan rumusan energi kinetik rata-rata tiap
partikel, serta menurunkan prinsip ekuipartisi energi
III.
INDIKATOR
·
Menulis persamaan umum gas ideal
·
Memformulasikan asas ekuipartisi energi
·
Menjelaskan tekanan dan energi kinetik menurut teori
kinetik gas
·
Menerapkan hukum-hukum fisika untuk gas ideal pada
persoalan fisika sehari-hari
IV.
MATERI
Teori kinetik merupakan suatu
teori yang secara garis besar adalah hasil kerja dari Count Rumford
(1753-1814), James Joule (1818-1889), dan James Clerk Maxwell
(1831-1875), yang menjelaskan sifat-sifat zat berdasarkan gerak acak terus
menerus dari molekul-molekulnya. Dalam gas misalnya, tekanan gas adalah
berkaitan dengan tumbukan yang tak henti-hentinya dari molekul-molekul gas
terhadap dinding-dinding wadahnya.
Gas yang kita pelajari adalah
gas ideal, yaitu gas yang secara tepat memenuhi hukum-hukum gas. Dalam keadaan
nyata, tidak ada gas yang termasuk gas ideal, tetapi gas-gas nyata pada tekanan
rendah dan suhunya tidak dekat dengan titik cair gas, cukup akurat memenuhi hukum-hukum
gas ideal.
A. Sifat-Sifat
Gas Ideal
Gas yang
paling sederhana dan mendekati sifat-sifat gas sejati adalah gas ideal. Adapun
sifat-sifat gas ideal diantaranya adalah sebagai berikut :
1.
Gas terdiri dari
molekul-molekul yang sangat banyak, dengan jarak pisah antar molekul lebih
besar dari ukuran molekul. Hal ini meunjukkan bahwa gaya tarik antar molekul
sangat kecil dan diabaikan.
2.
Molekul-molekul gas
bergerak acak ke segala arah sama banyaknya dan memenuhi hukum Newton tentang
gerak
3.
Molekul-molekul gas
hanya bertumbukan dengan dinding tempat gas secara sempurna
4.
Dinding wadah adalah
kaku sempurna dan tidak akan bergerak
B. Persamaan
Umum Gas Ideal
Persamaan
umum gas ideal dapat dituliskan :
PV = nRT
dengan :
P = tekanan gas (N/m2
= Pa)
V = volume gas (m3)
n = jumlah mol gas
(mol)
T = suhu gas (K)
R = tetapan umum gas
= 8,314 J/mol K
Persamaan
umum gas ideal tersebut di atas dapat juga dinyatakan dalam bentuk :
n = N / NA
PV = nRT
PV = NRT / NA dengan R / NA = k
Maka diperoleh :
PV = NkT
k = tetapan Boltzman
= 1,38 . 10-23J/k
CONTOH
SOAL
Sebuah tabung bervolume 590 liter
berisi gas oksigen pada suhu 20°C dan tekanan 5 atm. Tentukan massa oksigen
dalam tangki ! (Mr oksigen = 32 kg/kmol)
Penyelesaian :
Diketahui :
V = 5,9 . 10-1 m3
P = 5 . 1,01 . 105 Pa
T = 20°C = 293 K
Ditanyakan :
m = ….?
Jawaban :
PV = nRT dan n = M / Mr sehingga :
PV = mRT / Mr
m = PVMr / RT
= 5. 1,01 . 105 .0,59 . 32 /
8,314 . 293
= 3,913 kg
C. Hukum-Hukum
pada Gas Ideal
1.
Hukum
Boyle
Hukum
Boyle menyatakan bahwa dalam ruang tertutup pada suhu tetap, tekanan berbanding
terbalik dengan volume gas, yang dinyatakan dalam bentuk persamaan :
PV = konstan
dengan :
P =
tekanan gas (N/m2)
V = volume
gas (m3)
CONTOH SOAL
Tangki
berisi gas ideal 6 liter dengan tekanan 1,5 atm pada suhu 400 K. Tekanan gas
dalam tangki dinaikkan pada suhu tetap hingga mencapai 4,5 atm. Tentukan volume
gas pada tekanan tersebut !
Penyelesaian
:
Diketahui :
V1
= 6 liter
P1
= 1,5 atm
T1
= 400 K
P2
= 4,5 atm
T2
= 400 K
Ditanyakan
:
V2
= ….?
Jawaban :
P1V1
= P2V2
V2 = P1V1 / P2
= 1,5 . 6 / 4,5
= 2 liter
2.
Hukum Gay-Lussac
Hukum
Gay-Lussac menyatakan bahwa “Dalam ruang tertutup dan volume dijaga tetap, tekanan
gas akan sebanding dengan suhu gas”. Jika dinyatakan dalam bentuk persamaan, menjadi
:
P / T = konstan
dengan :
P =
tekanan gas ( N/m2)
T = suhu
gas (K)
CONTOH SOAL
Udara
dalam ban mobil pada suhu 15°C mempunyai tekanan 305 kPa. Setelah berjalan pada
kecepatan tinggi, ban menjadi panas dan tekanannya menjadi 360 kPa. Berapakah
temperatur udara dalam ban jika tekanan udara luar 101 kPa ?
Penyelesaian
:
Diketahui
:
T1
= 288
P1
= 305 + 101 = 406 kPa
P2
= 360 +101 = 461 kPa
Ditanyakan
:
T2
= ….?
Jawaban :
P1 /
T1 = P2 / T2
406 / 288 = 461 / T2
T2 = 327 K
=
54°C
3.
Hukum Boyle Gay-Lussac
Penggabungan
hukum Boyle Gay-Lussac membentuk hukum Boyle Gay-Lussac yang menyatakan bahwa
“Gas dalam ruang tertutup jika suhunya berubah, maka akan diikuti perubahan
tekanan dan volume gas”. Sehingga dapat dinyatakan dalam persamaan :
PV / T = konstan
D. Tekanan
Gas dan Energi Kinetik Partikel Gas
1. Tekanan Gas
Pada
pembahasan sifat-sifat gas ideal dinyatakan bahwa gas terdiri dari partikel-partike
gas. Partikel-partikel gas senantiasa bergerak hingga menumbuk dinding tempat
gas. Dan tumbukan partikel gas dengan dinding tempat gas akan menghasilkan tekanan.
P = Nmv2 / 3V
dengan :
P = tekanan gas (N/m2)
v = kecepatan partikel gas (m/s)
m = massa
tiap partikel gas (kg)
N = jumlah partikel gas
V = volume gas (m3)
2. Hubungan antara Tekanan,
Suhu, dan Energi Kinetik Gas
Secara
kualitatif dapat diambil suatu pemikiran berikut. Jika suhu gas berubah, maka
kecepatan partikel gas berubah. Jika kecepatan partikel gas berubah, maka
energi kinetik tiap partikel gas dan tekanan gas juga berubah. Hubungan ketiga
faktor tersebut secara kuantitatif membentuk persamaan :
Persamaan P = Nmv2 / 3V dapat disubstitusi
dengan persamaan energi kinetik, yaitu Ek = ½ mv2 ,
sehingga terbentuk persamaan :
P = Nmv2 / 3V sedangkan mv2 = 2 Ek
P = N2Ek / 3V
p = 2NEk / V
dengan :
Ek
= energi kinetik partikel gas (J)
Dengan
mensubstitusikan persamaan umum gas ideal pada persamaan tersebut, maka akan
diperoleh hubungan energi kinetik dengan suhu gas sebagai berikut.
PV = NkT
P = NkT / V = 2/3 . (N / V) Ek
Ek
= 3/2 kT
dengan :
T = suhu gas (K)
CONTOH SOAL
Tekanan gas dalam tabung tertutup menurun 64% dari semula. Jika kelajuan
partikel semula adalah v, tentukan kelajuan partikel sekarang !
Penyelesaian :
Diketahui :
P2 = 36% P1
V1 = v
Ditanyakan :
V2 = …. ?
Jawaban :
Kita mengetahui : P = Nmv2
/ 3V
Berarti P = v2 atau akar P = v
v1 / v2 = akar P1 / P2 = akar 0,36 P1 / P1 = 0,6
v2 = 1/ 0,6 v1 = 10 / 6 v1 = 5/3 v1
Sejumlah gas berada dalam ruang tertutup bersuhu 327°C dan mempunyai
energi kinetik Ek. Jika gas dipanaskan hingga suhunya naik menjadi
627°C. Tentukan energi kinetik gas pada suhu tersebut !
Penyelesaian :
Diketahui :
T1 = (327+273) K = 600 K
Ek1 = Ek
T2 = (627+273) K = 900 K
Ditanyakan :
Ek2 = ….?
Jawaban :
Ek = 3/2 kT
Ek = T
Ek2 / Ek1 = T2 / T1
Ek1 / Ek2 = 900 / 600
Ek2 = 1,5 Ek1
Ek2 = 1,5 Ek
E. Energi
dalam Gas
Gas
terdiri atas partikel-partikel gas, setiap partikel memiliki energi kinetik.
Kumpulan dari energi kinetik dari partikel-partikel gas merupakan energi dalam
gas. Besar energi dalam gas dirumuskan :
U = N Ek
dengan :
U = energy
dalam gas (J)
N = jumlah
partikel
F. Prinsip
Ekuipartisi Energi
Energi
kinetik yang dimiliki oleh partikel gas ada tiga bentuk, yaitu energi kinetik
translasi, energi kinetik rotasi, dan energi kinetik vibrasi.
Gas yang
memiliki f derajat kebebasan energi kinetik tiap partikelnya, rumusnya adalah :
Ek = f/2 kT
Untuk gas monoatomik (misalnya gas He, Ar, dan Ne), hanya memiliki
energi kinetik translasi, yaitu pada arah sumbu X, Y, dan Z yang besarnya sama.
Energi kinetik gas monoatomik memiliki 3 derajat kebebasan dan dirumuskan :
Ek = 3/2 kT
Dan untuk gas diatomik (missal O2, H2), selain
bergerak translasi, juga bergerak rotasi dan vibrasi. Gerak translasi mempunyai
3 derajat kebebasan. Gerak rotasi mempunyai 2 derajat kebebasan. Gerak vibrasi
mempunyai 2 derajat kebebasan. Jadi, untuk gas diatomik, energi kinetik tiap
partikelnya berbeda-beda.
Untuk gas diatomik suhu rendah, memiliki gerak translasi. Energi
kinetiknya adalah :
Ek = 3/2 kT
Untuk gas diatomik suhu sedang, memiliki gerak translasi dan rotasi.
Energi kinetiknya adalah :
Ek = 5/2 kT
Sedangkan untuk gas diatomik suhu tinggi, memiliki gerak translasi,
gerak rotasi, dan gerak vibrasi. Energi kinetiknya adalah :
Ek = 7/2 kT
CONTOH SOAL
Satu mol gas ideal monoatomik bersuhu 527°C berada di dalam ruang
tertutup. Tentukan energi dalam gas tersebut !
(k = 1,38 . 10-23 J/K)
Penyelesaian :
Diketahui :
n = 1 mol
T = (527+273) K = 800 K
Ditanyakan :
U = ….?
Jawaban :
U = N Ek
U = n NA 3/2 kT
= 1 . 6,02 . 1023 .
3/2 .1,38 . 10-23 . 800
= 1 . 104 joule
Dua mol gas ideal diatomik memiliki 5 derajat kebebasan bersuhu 800 K.
Tentukan energi dalam gas tersebut !
(k = 1,38 . 10-23 J/K)
Penyelesaian :
Diketahui :
n = 2 mol
T = 800 K
f = 5
Ditanyakan :
U = ….?
Jawaban :
U = f/2 N Ek
U = n NA f/2 kT
= 2 . 6,02 . 1023 . 5/2 . 1,38 . 10-23 . 800
= 3,32 . 104 joule
V.
RANGKUMAN
1.
Persamaan gas ideal
: PV = nRT atau PV = NkT
2.
Persamaan hukum Boyle
: PV = konstan
3.
Persamaan hukum
Gay-Lussac : P/T = konstan
4.
Persamaan hukum Boyle
Gay-Lussac : PV/T = konstan
5.
Persamaan tekanan gas
: P = Nmv2 / 3V
6.
Hubungan antara
tekanan dan energi kinetik : P = 2NEk / 3V
7.
Hubungan antara
energi kinetik dengan suhu gas : Ek
= fkT / 3
8.
Gas monoatomik hanya
bergerak translasi sehingga mempunyai 3 derajat kebebasan (f=3)
9.
Gas diatomik suhu
rendah hanya bergerak translasi sehingga mempunyai 3 derajat kebebasan
10. Gas diatomik suhu sedang bergerak translasi dan rotasi sehingga
mempunyai 5 derajat kebebasan
11. Gas diatomik suhu tinggi bergerak translasi, rotasi, dan vibrasi
sehingga mempunyai 7 derajat kebebasan
12. Energi dalam gas merupakan jumlah energi kinetik partikel gas sehingga
dirumuskan dengan U = N . Ek
Kerjakan soal-soal berikut di buku kerjamu
A.
Pilihlah
salah satu jawaban yang paling tepat !
-
Teori kinetik gas
menunjukkan pada suhu tertentu ….
A.
energi
molekul-molekul yang ringan rata-rata lebih kecil daripada molekul-molekul yang
berat
B.
energi
molekul-molekul yang ringan rata-rata lebih besar daripada molekul-molekul yang
berat
C.
semua molekul gas mempunyai
energi rata-rata yang sama
D.
semua molekul-molekul
gas mempunyai kecepatan rata-rata yang sama
E.
semua molekul-molekul
gas yang mempunyai energi potensial yang sama
2. 2. Sejumlah gas dalam
ruang tertutup dipanaskan dari 27°C hingga 87°C. Tambahan volume gas pada
tekanan tetap ….
A.
1/8 volume asal
B.
1/7 volume asal
C.
1/6 volume asal
D.
1/5 volume asal
E.
¼ volume asal
3.
Massa molekuler gas
adalah 0,028 kg mol3 jika gas tersebut massanya 14 gram. Gas
tersebut terdiri atas ….
A.
1,250 . 1026
molekul
B.
3,012 . 1026
molekul
C.
6,025 . 1023 molekul
D.
3,012 . 1023
molekul
E.
1,250 . 1023
molekul
4.
Gas ideal volumenya
berubah dari 1 m3 menjadi 21 m3 pada tekanan 1,013 . 105
N/M2. Usaha yang terjadi sebesar ….
A.
1,026 . 105
joule
B.
2,026 . 106 joule
C.
2,026 . 10-6
joule
D.
2,026 . 10-5 joule
E.
2026 . 10-2 joule
5.
Delapan gram gas He
volumenya 10 liter dan pada tekanan 4 atm. Temperatur gas tersebut ….
A.
2.430 K
B.
1.540 K
C.
243 K
D.
24,3 K
E.
2,43 K
6.
Pada teori kinetik
gas, selisih kalor jenis pada tekanan tetap dengan kalor pada volume tetap
disebut tetapan ….
A.
Stefan-Boltzman
B.
Gas umum
C.
Stefan
D.
Boltzman
E.
Laplace
7.
Dalam suatu ruangan
tertutup yang volumenya tertentu dan tekanan 1 atm, berisi mol gas He yang
suhunya 0°C. Energi dalam gas ….
A.
0 J
B.
4.305 J
C.
3.503 J
D.
3.405 J
E.
3.504 J
8.
Jika suatu gas
dipanaskan dengan volume tetap, maka tekanannya bertambah besar, sebab ….
A.
waktu benturan
molekul-molekul dengan dinding makin pendek
B.
energi listrik
molekul berkurang
C.
massa dari
molekul-molekul bertambah besar
D.
kecepatan rata-rata
molekul-molekul bertambah besar sehingga benturan-benturan dengan dinding tiap
detik bertambah
E.
bukan salah satu
jawaban di atas
9.
Pada hukum Boyle PV =
k, tetapan k mempunyai dimensi seperti dimensi ….
A.
daya
B.
usaha
C.
momentum linier
D.
suhu
E.
konstanta pegas
10. Rapat
massa N2 adalah 1,25 kg/m3 pada keadaan standar (STP)
dapat disimpulkan rapat massa N2 pada suhu 42°C dan tekanan 0,97 x
105 Nm-2 adalah …. Kg m-3.
A.
1,2
B.
1,12
C.
1,16
D.
1,24
E.
1,04
11. Suatu gas
dipertahankan pada volume tetap. Dari gas tersebut dipindahkan panas sebesar 8
kilo joule. Besar perubahan energi dalam gas ….
A.
8.000 joule – W
B.
W – 8.000 joule
C.
8.000 joule + W
D.
-8.000 joule
E.
8.000 joule
12. Dalam
suatu campuran gas pada suhu 20°C, tekanan parsial gas komponen adalah sebagai
berikut :
H2O = 6 x 104 Pa
CO2 = 2 x 104 Pa
Metana (CH4) = 4,2 x 104 Pa
C2H6 = 1,4 x 104 Pa
Berdasarkan
data di atas, persen volume dari hidrogen adalah ….
A.
33,5 %
B.
35 %
C.
20 %
D.
25,5 %
E.
2,5 %
13. Jika suatu
gas ideal dimampatkan secara isotermik sampai volumenya menjadi setengahnya,
maka ….
A.
tekanannya menjadi
dua kalinya
B.
tekanan tetap dan
suhunya menjadi dua kalinya
C.
tekanan dan suhu menjadi
dua kalinya
D.
tekanan dan suhu
tetap
E.
tekanan menjadi dua
kalinya dan suhunya tetap
14. Jika suatu
gas ideal di dalam kesetimbangan, maka molekul-molekulnya mempunyai ….
A.
energi yang sama
besarnya
B.
berbagai harga energi
yang tetap
C.
energi rata-rata yang
tetap
D.
energi interaksi yang
terkuat
E.
energi interaksi yang
terlemah
15. Grafik
tekanan terhadap volume pada temperatur konstan suatu gas berupa ….
A.
elips
B.
parabola
C.
hiperbola
D.
lingkaran
E.
garis lurus
B.
Kerjakan
soal-soal berikut dengan singkat dan jelas !
Soal Konsep
1.
Sebutkan
besaran-besaran pada gas !
2.
Jika butir-butir
kapur barus kecil-kecil dijatuhkan ke dalam iar, maka butir-butir itu akan
bergerak segala arah tak menentu. Mengapa hal itu dapat terjadi ?
3.
Jelaskan mengapa
dalam ruang tertutup jika suhunya konstan, tekanan berbanding terbalik dengan
volume gas !
4.
Pengisap sebuah pompa
sepeda didorong ke bawah dengan tiba-tiba sehingga udara dalam tabung pompa
dimampatkan. Mengapa udara di dalam pompa sepeda menjadi panas ?
5.
Udara panas selalu
bergerak ke atas karena massa jenisnya kecil, dan udara dingin turun ke
permukaan bumi karena massa jenisnya lebih besar. Namun, mengapa hawa udara di
puncak gunung lebih dingin daripada udara di permukaan laut ?
Soal Hitungan
1.
Dalam ruang berisi
gas O2 sebanyak 160 gram. Jika suhu gas dalam ruang tersebut adalah
127°C, hitung tekanan gas dalam ruang tersebut !
2.
Dalam ruang tertutup
berisi sebanyak 20 gram gas CO2 pada suhu 0°C tekanan 1 atm.
Tentukan volume gas tersebut !
3.
Dalam ruang tertutup
terdapat 50 liter gas dengan suhu 127°C dan bertekanan 10 atm. Gas dimampatkan
hingga volumenya berkurang 25%-nya pada suhu tetap. Tentukan kenaikan tekanan
gas tersebut !
4.
Suatu gas ideal
dengan volume 500 liter dan tekanan 2 . 105 Pa, partikel gasnya
mempunyai kecepatan efektif 300 m/s. Tentukan massa gas tersebut !
5.
Berapakah energi
dalam 0,04 mol gas oksigen di dalam sebuah ruang tertutup yang suhunya 350 K
jika pada suhu itu setiap derajat kebebasan mempunyai komponen energi ?
DAFTAR PUSTAKA
Kanginan, Marthen. 2004. Fisika
2B untuk SMA Kelas XI, Semester 2 Kurikulum 2004. Jakarta : Erlangga