Persamaan Gas Ideal dan Penurunan Hukum Gas Ideal

AhmadDahlan.NET – Persamaan Gas Ideal adalah sebuah pemodelan matematis yang dilakuakn untuk meramalkan perilaku gas yang mengalami perubahan keadaan. Perubahaan Keadaan gas sendiri sudah diamatai terlebih dahulu oleh Boyle, Charles dan Avogadro dan menghasilkan Hukum Gas Ideal.

A. Hukum Gas ideal

Dalam upaya mengamati karakteristik gas yang ada di dalam semesta dilakukan beberapa eksperimen dan pemodelan untuk memudahkan proses penarikan kesimpulan tentang karakteristik gas itu sendiri. Di mulai dari sifat umum dari gas yang membentuk molekul dengan dua atom berpasangan seperti gas Nitrogen yakni N₂, Oksigen yakni O₂ dan gas-gas lain yang cenderung mengikuti pola ini. Beberapa gas yang lain seperti Helium (He) justru lebih cenderung bersifat monoatomif di alam bebas. Beberapa karakteristik gas ini juga teramati sama di gas diatomik dan monoatomik.

Gas pada umumnya sangat mudah dimampatkan (dikompres) dari keadaan standarnya. Hal tersebut terlihat dari nilai koefisien ekspansi gas yang sangat tinggi. Implikasinya, gas akan dengan mudah memuai ketika mengalami perubahan suhu. Bahkan untuk perubahan suhu yang sangat kecil sekalipun. Mayoritas gas bahkan memiliki nilai koefisien rata-rata ekspansi (β) yang sama. Hal ini tentu saja memicu pertanyaan mengapa Gas Diatomik ini memiliki karakteristik yang nyaris sama? Padahal karaketristik fisik dan kimia dari masing-masing atom penyusun gas berbeda, Misalnya N berbeda dengan O dan berbeda dengan C dan seterusnya.

Hal tersebut ternyata disebabkan oleh jarak antar partikel penyusun gas yang berjauhan jika dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Jaraknya seperti ilustrasi berikut !

Jarak yang begitu jauh ini membuat gaya tarik antar partikel gas ini sangatlah lemah bahkan cenderung bisa diabaikan kecuali pada saat mereka bertabrakan satu sama lain. Ketika bertabrakan, kecepatan sangat tinggi sehingga terjadi tumbukan lenting sempurna. Gerakan atom dan molekul pada gas sangat cepat sehingga memenuhi semua ruangan dengan suhu di atas titik didih dari masing-masing gas. Hal ini sangat berkebalikan dengan karakteristik dari sifatnya dalam fase liquid dan solid.

Gas ini kemudian dijadikan bahan eksperimen untuk mengamati perubahaan keadaan gas yakni P, V dan T. Eksperimen dilakukan dilakukan untuk mengamati perubahan dari keadaan jika salah satu besar di jaga tetap konstan. Hasil percobaan dan orang ayng mengamatinay sebagai berikut :

1. Boyle

Boyle memasukan sejumlah gas dalam sebuah piston dan menjaga pada suhu konstan. Gas tersebut kemudian ditekan agar nilai P semakin besar. Hasilnya setiap kenaikan nilai P akan menyebabkan nilai V turun. Dengan demikian ditemukan hubungan :

V ∝ \frac{1}{P}

pada n dan T konstan

2. Charles

Charles melakukan percobaan pad asejumlah gas pada kondisi tekanan konstan. Hasil yang didapatkan Charles bahwa setiap kenaikan suhu akan menghasilkan peningkatan volume dari gas, namun tidak berlaku sebaliknya. Kesimpulan dari Charles ditunjukkan :

V ∝ T

pada n dan P konstan

3. Avogadro

Hukum Avogadro menyatakan bahwa setiap penambahan jumlah partikel ke dalam bejana pada suhu dan tekanan yang sama akan mengakibatkan perubahan volume dari gas.

V ∝ n

pada P dan T konstan.

Ketiga hukum tersebut selanjutnya disatukan dan menghasilkan :

V∝\frac{nT}{P}

Pada perubahan suhu rendah dan tidak ekstrem, hubungan antara V ini proposional terhadap suhu dan berbanding terbalik dengan Tekanan gas. Dengan demikian pemodelan ini bisa dirubah ke dalam persamaan dengan sebuah nilai konstanta

V= konst.\frac{nT}{P}

Konstanta dalam percobaan ini disebut sebagai konstanta gas Ideal (R) dengan demikian persamaan dapat ditulis dalam bentuk :

V= \frac{RnT}{P}

Kedua ruas ini kemudian dikalikan dengan P lalu didaptkan persamaan :

PV = nRT

Persamaan PV = nRT ini selanjutnya disebut sebagai Hukum Gas Ideal.

Gas Ideal sendiri didefenisikan sebagai gas Hipotetik yang memiliki karakteristik partikel yang tidak dipengaruhi oleh gaya tarik antar molekul gas penyusunnya. Pada kenyataannya hampir tidak ada gas yang tidak dipengaruhi oleh gaya tarik satu sama lain, namun pada kondisi tertentu gaya tarik ini sangatlah lemah sehingga dapat diabaikan.

Kondisi tertentu tersebut berada pada kondisi ekstrem seperti tekanan yang sangat tinggi atau suhu gas yang sangat rendah. Kedua kondisi dapat membuat jarak antar partikel semakin dan gaya antar partikel tidak bisa diabaikan lagi.

Sedangkan nilai R sendiri berdasarkan pengamaatan adalah :

R = 0.08206 L.atm.K^-1.mol^-1 atau R = 8.3145 J.K^-1.mol^-1

B. Keadaan Standar Gas

Dalam pengukuran besaran-besaran yang terkait dengan konstanta gas ternyata tidaklah benar-benar konstan. Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa sifat gas ideal hanya berlaku pada kondisi tertentu.

Agar terbentuk presepsi yang sama dengan besaran-besaran tersebut tentu saja dibutuhkan kesepakatan keadaan standar yang mendekskripsikina kondisi gas. Keadaan standar tersebut sebagai sebagai STP yakni Standard Temperature and Pressure.

Standar ini ditentukan berdasaarkan dua kondisi yakni Suhu 0^oC (273.15 K) dan tekanan 1 bar atau setara dengan 10⁵ Pa. Perhatikan satandar tekanan 1 bar ini adalah kesepakatan baru dimana sebelumnya tekanan standar di defenisikan sebagai 1 atm atau 1.01 x 10⁵ Pa.

Standar ini selanjutnya bisa digunakan untuk menghitung volume dari 1 mol gas dalam keadaan ideal dengan persamaan :

V = \frac{nRT}{P}

Hasil perhitungan menunjukkan volume idela 1 mol gas idela setara dengan 22.71 L pada STP dan 22,41 L pada suhu 0^oC dan 1 atm. Volume ini seteara dengan volume 3 bola basket.