Pemuaian Gas

Pemuaian gas tidak sebesar pada pemuaian zat cair, karena gas umumnya memuai untuk memenuhi tempatnya. Volume gas sangat bergantung pada tekanan dan suhu. Dengan demikian, akan sangat bermanfaat untuk menentukan hubungan antara volume, tekanan, temperatur, dan massa gas. Hubungan seperti ini disebut persamaan keadaan. Jika keadaan sistem berubah, kita akan selalu menunggu sampai suhu dan tekanan mencapai nilai yang sama secara keseluruhan.

Hukum Fisika Dalam Pemuaian Gas

1. Hukum Boyle Tentang Pemuaian Gas

Untuk jumlah gas tertentu, ditemukan secara eksperimen bahwa sampai pendekatan yang cukup baik, volume gas berbanding terbalik dengan tekanan yang diberikan padanya ketika suhu dijaga konstan, yaitu:

V ∞

dengan P adalah tekanan absolut (bukan “tekanan ukur”). Jika tekanan gas digandakan menjadi dua kali semula, volume diperkecil sampai setengah nilai awalnya. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Boyle, dari Robert Boyle (1627 – 1691), yang pertama kali menyatakan atas dasar percobaannya sendiri. Grafik tekanan (P) terhadap volume gas (V) untuk suhu tetap tampak seperti pada gambar berikut.

Grafik hubungan P – V pada suhu konstan

Hukum Boyle juga dapat dituliskan:

PV = konstan,      atau      P₁V₁ = P₂V₂

dengan:

P = tekanan gas pada suhu tetap (Pa)
V = volume gas pada suhu tetap (m³)
P₁ = tekanan gas pada keadaan I (Pa)
P₂ = tekanan gas pada keadaan II (Pa)
V₁ = volume gas pada keadaan I (m³)
V₂ = volume gas pada keadaan II (m³)

Persamaan diatas menunjukkan bahwa pada suhu tetap, jika tekanan gas dibiarkan berubah maka volume gas juga berubah atau sebaliknya, sehingga hasil kali PV tetap konstan.

2. Hukum Charles Tentang Pemuaian Gas

Suhu juga memengaruhi volume gas, tetapi hubungan kuantitatif antara V dan T tidak ditemukan sampai satu abad setelah penemuan Robert Boyle. Seorang ilmuwan dari Prancis, Jacques Charles (1746 – 1823) menemukan bahwa ketika tekanan gas tidak terlalu tinggi dan dijaga konstan, volume gas bertambah terhadap suhu dengan kecepatan hampir konstan, yang diilustrasikan seperti pada gambar berikut.

Volume gas sebagai fungsi dari temperature Celcius pada tekanan konstan

Perlu kita ingat bahwa semua gas mencair pada suhu rendah, misalnya oksigen mencair pada suhu -183 ^oC. Dengan demikian, grafik tersebut pada intinya merupakan garis lurus dan jika digambarkan sampai suhu yang lebih rendah, akan memotong sumbu pada sekitar -273 ^oC.

Untuk semua gas, grafik hubungan antara volume V dan suhu T dapat digambarkan seperti pada gambar diatas, dan garis lurus selalu menuju kembali ke -273 ^oC pada volume nol. Hal ini menunjukkan bahwa jika gas dapat didinginkan sampai -273 ^oC, volumenya akan nol, lalu pada suhu yang lebih rendah lagi volumenya akan negatif. Hal ini tentu saja tidak masuk akal. Bisa dibuktikan bahwa -273 ^oC adalah suhu terendah yang mungkin, yang disebut suhu nol mutlak, nilainya ditentukan -273,15 ^oC.

Nol mutlak sebagai dasar untuk skala suhu yang dikenal dengan nama skala mutlak atau Kelvin, yang digunakan secara luas pada bidang sains. Pada skala ini suhu dinyatakan dalam derajat Kelvin, atau lebih mudahnya, hanya sebagai kelvin (K) tanpa simbol derajat. Selang antarderajat pada skala Kelvin sama dengan pada skala Celsius, tetapi nol untuk skala Kelvin (⁰ K) dipilih sebagai nol mutlak itu sendiri. Dengan demikian, titik beku air adalah 273,15 K (0 ^oC) dan titik didih air adalah 373,15 K (100 ^oC). Sehingga hubungan antara skala Kelvin dan Celsius dapat dituliskan :

T_K = T_C + 273,15

Pada gambar dibawah menunjukkan grafik hubungan volume gas dan suhu mutlak, yang merupakan garis lurus yang melewati titik asal. Ini berarti sampai pendekatan yang baik, volume gas dengan jumlah tertentu berbanding lurus dengan suhu mutlak ketika tekanan dijaga konstan.

Volume gas sebagai fungsi dari suhu mutlak pada tekanan konstan

Pernyataan tersebut dikenal sebagai Hukum Charles, dan dituliskan :

V ∝T atau  = konstan, atau

dengan:

V = volume gas pada tekanan tetap (m³)
T = suhu mutlak gas pada tekanan tetap (K)
V₁ = volume gas pada keadaan I (m³)
V₂ = volume gas pada keadaan II (m³)
T₁ = suhu mutlak gas pada keadaan I (K)
T₂ = suhu mutlak gas pada keadaan II (K)

3. Hukum Gay Lussac Tentang Pemuaian Gas

Hukum Gay Lussac berasal dari Joseph Gay Lussac (1778 – 1850), menyatakan bahwa pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak, dituliskan:

P ∞ T atau = konstan, atau

dengan:

P = tekanan gas pada volume tetap (Pa)
T = suhu mutlak gas pada volume tetap (K)
P₁ = tekanan gas pada keadaan I (Pa)
P₂ = tekanan gas pada keadaan II (Pa)
T₁ = suhu mutlak gas pada keadaan I (K)
T₂ = suhu mutlak gas pada keadaan II (K)

Contoh nyata dalam kehidupan sehari-hari adalah botol yang tertutup atau kaleng aerosol, jika dilemparkan ke api, maka akan meledak karena naiknya tekanan gas di dalamnya.

4. Persamaan Gas Ideal (Hukum Boyle-Gay Lussac)

Hukum-hukum gas dari Boyle, Charles, dan Gay Lussac didapatkan dengan bantuan teknik yang sangat berguna di dalam sains, yaitu menjaga satu atau lebih variabel tetap konstan untuk melihat akibat dari perubahan satu variabel saja. Hukum-hukum ini dapat digabungkan menjadi satu hubungan yang lebih umum antara tekanan, volume, dan suhu dari gas dengan jumlah tertentu: PV ∞ T .

Hubungan ini menunjukkan bahwa besaran P, V, atau T akan berubah ketika yang lainnya diubah. Percobaan yang teliti menunjukkan bahwa pada suhu dan tekanan konstan, volume V dari sejumlah gas di tempat tertutup berbanding lurus dengan massa m dari gas tersebut, yang dapat dituliskan:

PV ∞ mT.

Perbandingan ini dapat dibuat menjadi persamaan dengan memasukkan konstanta perbandingan. Penelitian menunjukkan bahwa konstanta ini memiliki nilai yang berbeda untuk gas yang berbeda. Konstanta pembanding tersebut ternyata sama untuk semua gas, jika kita menggunakan angka mol. Pada umumnya, jumlah mol, n, pada suatu sampel zat murni tertentu sama dengan massanya dalam gram dibagi dengan massa molekul yang dinyatakan sebagai gram per mol.

n(mol) = 

Perbandingan tersebut dapat dituliskan sebagai suatu persamaan sebagai berikut :

PV = n.R.T

Dengan, n menyatakan jumlah mol dan R adalah konstanta pembanding. R disebut konstanta gas umum (universal) karena nilainya secara eksperimen ternyata sama untuk semua gas. Nilai R, pada beberapa satuan adalah sebagai berikut:

R = 8,315 J/(mol.K), ini merupakan satuan dalam SI
R = 0,0821 (L.atm)/(mol.K)
R = 1,99 kalori/(mol.K)

Persamaan PV diatas disebut Hukum Gas Ideal, atau persamaan keadaan gas ideal. Istilah “ideal” digunakan karena gas riil tidak mengikuti persamaan PV tersebut. Koefisien pemuaian gas adalah sama yaitu volume pada suhu 0 ^oC.