Gas Ideal

Gas ideal adalah gas teoritis yang terdiri dari partikel-partikel titik yang bergerak secara acak dan tidak saling berinteraksi. Konsep gas ideal sangat berguna karena memenuhi hukum gas ideal, sebuah persamaan keadaan yang disederhanakan, sehingga dapat dianalisis dengan mekanika statistika.

Pada kondisi normal seperti temperatur dan tekanan standar, kebanyakan gas nyata berperilaku seperti gas ideal. Banyak gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, gas mulia dan karbon dioksida dapat diperlakukan seperti gas ideal dengan perbedaan yang masih dapat ditolerir.[1] Secara umum, gas berperilaku seperti gas ideal pada temperatur tinggi dan tekanan rendah,[1] karena kerja yang melawan gaya intermolekuler menjadi jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan energi kinetik partikel, dan ukuran molekul juga menjadi jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan ruangan kosong antar molekul.

Model gas ideal tak dapat dipakai pada suhu rendah atau tekanan tinggi, karena gaya intermolekuler dan ukuran molekuler menjadi penting. Model gas ideal juga tak dapat dipakai pada gas-gas berat seperti refrigeran atau gas dengan gaya intermolekuler kuat, seperti uap air. Pada beberapa titik ketika suhu rendah dan tekanan tinggi, gas nyata akan menjalani fase transisi menjadi liquid atau solid. Model gas ideal tidak dapat menjelaskan atau memperbolehkan fase transisi. Hal ini dapat dijelaskan dengan persamaan keadaan yang lebih kompleks.

Gas ideal termodinamika klasik

Karakteristik termodinamika gas ideal dapat dijelaskan dengan 2 persamaan: Persamaan keadaan gas ideal adalah hukum gas ideal

    PV = nRT

Persamaan ini diturunkan dari Hukum Boyle: V = k/P (pada n dan T konstan); Hukum Charles: V = bT (pada P dan n konstan); dan Hukum Avogadro: V = an (pada P dan T konstan). Dengan menggabungkan ketiga hukum tersebut, maka menjadi  yang artinya

Pada kondisi ideal. maka

Energi dalam gas ideal dinyatakan dengan:

dengan

        P tekanan

        V volume

        n jumlah substansi gas dalam mol

        R konstanta gas

        T temperatur mutlak

        k konstanta Hukum Boyle

        b konstanta proporsional, sama dengan V/T

        a konstanta proporsional, sama dengan V/n

        U energi dalam

         Kapasitas  panas spesifik pada volume konstan, ≈ 3/2 untuk gas monoatom, 5/2 untuk gas diatom dan 3 untuk molekul lain yang lebih kompleks. Untuk mengubah dari besaran makroskopik ke mikroskopik, maka digunakan

 

 dengan

        N adalah jumlah partikel gas

        k_B adalah konstanta Boltzmann (1.381×10−23J·K−1).

Kemungkinan distribusi partikel dari kecepatan atau energi dapat menggunakan distribusi kecepatan Maxwell.

Hukum ideal gas adalah lanjutan dari hukum gas yang ditemukan secara percobaan. Fluida nyata pada densitas rendah dan temperatur tinggi hampir mengikuti hukum gas ideal. Namun, pada temperatur rendah atau densitas tinggi, fluida nyata mengalami penyimpangan jauh dari sifat gas ideal, terutama karena terkondensasi menjadi liquid atau terdeposisi menjadi padat. Penyimpangan ini dinyatakan dalam faktor kompresibilitas.

Model gas ideal mengikuti asumsi berikut ini:

        Molekul gas tidak dibedakan, berukuran kecil, dan berbentuk bola

        Semua tabrakan antar gas bersifat elastis dan semua gerakannya tanpa friksi (tidak ada energi hilang pada gerakan atau tabrakan)

        Menggunakan hukum Newton

        Jarak rata-rata antar molekul jauh lebih besar daripada ukuran molekul

        Molekul secara konstan bergerak pada arah acak dengan distribusi kecepatan

        Tidak ada gaya atraktif atau repulsif antara molekul atau sekitarnya

HUBUNGAN GAS IDEAL DALAM ILMU KIMIA

Hubungan Gas Ideal dengan Ilmu Kimia dapat dinyatakan dengan Hukum-hukum  Gas Ideal sebagai berikut:

Teoriilmukimia - Hukum-hukum gas ideal diantaranya Hukum boyle, Hukum Charles, Hukum Gay lussac. Teori kinetik gas memberikan jembatan antara tinjauan gas secara mikroskopik dan makrokospik. Hukum-hukum gas seperti hukum Boyle, Charles, dan Gay Lussac, menunjukkan hubungan antara besaran-besaran makrokospik dari berbagai macam proses serta perumusannya. Kata kinetik berasal dari adanya anggapan bahwa molekul-molekul gas selalu bergerak.

Hukum-Hukum Gas Ideal

1. Hukum Boyle

Pada abad ketujuh belas, Robert Boyle, seorang fisikawan dari Inggris, mempelajari perilaku gas secara sistematis dan kuantitatif. Robert Boyle melakukan penelitian mengenai hubungan antara tekanan terhadap volume dari sampel gas. Hasil percobaan Boyle menyatakan bahwa

Tekanan dari Sejumlah Tetap Suatu Gas Pada Suhu yang Dijaga Konstan adalah Berbanding Terbalik dengan Volumenya.

Sehingga dapat diperoleh persamaan sebagai berikut.

p1V1 = p2V2

Keterangan:

p1 : tekanan gas pada keadaan 1 (N/m2)

p2 : tekanan gas pada keadaan 2 (N/m2)

V1 : volume gas pada keadaan 1 (m3)

V2 : volume gas pada keadaan 2 (m3)

Grafik Isotermal, Hukum Boyle

Grafik 1. Hubungan volume dan tekanan gas pada suhu konstan (Isotermal).

Jika dibuat grafik, maka akan menghasilkan sebuah kurva yang disebut kurva isotermal. Perhatikan gambar diatas. Kurva isotermal merupakan kurva yang bersuhu sama.

2. Hukum Charles

Hukum Charles dikemukakan oleh fisikawan Prancis bernama Jacques Charles. Charles menyatakan.

Bahwa Jika Tekanan Gas yang Berada dalam Bejana Tertutup Dipertahankan Konstan, Maka Volume Gas Sebanding Dengan Suhu Mutlaknya

Sehingga  diperoleh persamaan sebagai berikut,

Persamaan charles, hukum charles

Keterangan:

V1 : volume gas pada keadaan 1 (m3)

V2 : volume gas pada keadaan 2 (m3)

T1 : suhu mutlak gas pada keadaan 1 (K)

T2 : suhu mutlak gas pada keadaan 2 (K)

Grafik Isobarik, Hukum Charles

Grafik 2 Hubungan volume dan suhu gas pada tekanan konstan (Isobarik)

Apabila hubungan antara volume dan suhu pada hukum Charles kita lukiskan dalam grafik, maka hasilnya tampak seperti pada gambar diatas. Kurva yang terjadi disebut  kurva isobarik yang artinya bertekanan sama.

3. Hukum Gay Lussac

Hukum Gay Lussac dikemukakan oleh kimiawan Perancis bernama Joseph Gay Iussac. Gay Lussac menyatakan

Bahwa Jika Volume Gas yang Berada dalam Bejana Tertutup Dipertahankan Konstan, Maka Tekanan Gas Sebanding Dengan Suhu Mutlaknya

Sehingga  diperoleh persamaan sebagai berikut,

Persamaan Gay lussac, Hukum Gay Lussac

Keterangan:

T1 : suhu mutlak gas pada keadaan 1 (K)

T2 : suhu mutlak gas pada keadaan 2 (K)

p1 : tekanan gas pada keadaan 1 (N/m2)

p2 : tekanan gas pada keadaan 2 (N/m2)

Hukum Gay Lussac, Grafik Isoklorik

Grafik 3 Hubungan tekanan dan suhu gas pada volume konstan (Isokhorik)

Apabila hubungan antara tekanan dan suhu gas pada hukum Gay Lussac dilukiskan dalam grafik, maka hasilnya tampak seperti pada gambar diatas. Kurva yang terjadi disebut kurva isokhorik yang artinya volume sama.

3. Hukum Boyle-Gay Lussac

Apabila hukum Boyle, hukum Charles, dan hukum Gay Lussac digabungkan, maka diperoleh persamaan sebagai berikut.

Persamaan Boyle-Gay Lussac, Hukum Gas Ideal

Persamaan di atas disebut hukum Boyle-Gay Lussac. Kita telah mempelajari hukum-hukum tentang gas, yaitu hukum Boyle, Charles, dan Gay Lussac. Namun, dalam setiap penyelesaian soal biasanya menggunakan hukum Boyle-Gay Lussac. Hal ini disebabkan hukum ini merupakan gabungan setiap kondisi yang berlaku pada hukum-hukum gas ideal.

FENOMENA GAS IDEAL

Contoh Fenomena Teori Kinetik Gas-Fisika

1.      Masuknya telur ke dalam botol, dimana mulut botol lebih kecil daripada telur setelah dimasukkan korek api yang menyala ke dalam botol.

Pembahasan:

Saat mulut botol ditutup dengan telur maka jumlah mol (n) gas oksigen (O2) di dalam botol akan semakin berkurang (pembakaran memerlukan oksigen). Sesuai dengan persamaan gas ideal yaitu pV = nRT, dimana jumlah mol gas (n) berbanding lurus dengan tekanan gas, sehingga saat jumlah mol oksigen (O2) berkurang di dalam botol, maka tekanan (p) di dalam botol juga berkurang. Hal  tersebut menyebabkan tekanan di dalam botol lebih kecil dibandingkan di luar botol (pdalam < pluar) sehingga seolah-olah telur terdorong ke dalam botol.

2.      Terserapnya air setelah lilin ditutup dengan gelas.

Pembahasan:

Ketika lilin yang menyala ditutup dengan gelas maka jumlah mol (n) gas oksigen (O2) di dalam gelas akan semakin berkurang (pembakaran memerlukan oksigen). Sesuai dengan persamaan gas ideal yaitu pV = nRT, dimana jumlah mol gas (n) berbanding lurus dengan tekanan gas, sehingga saat jumlah mol oksigen (O2) berkurang di dalam botol, maka tekanan (p) di dalam botol juga berkurang. Hal  tersebut menyebabkan tekanan di dalam botol lebih kecil dibandingkan di luar gelas (pdalam < pluar) sehingga terserap ke dalam gelas.

3.      Bola pingpong (bola tenis meja) yang penyok akan kembali ke keadaan seperti semula atau bagus setelah dipanaskan bersama air medidih.

Pembahasan:

Ketika bola pingpong dipanaskan bersama dengan air, maka suhu pada bola akan meningkat sehingga volume pada bola semakin besar, namun tekanan pada peristiwa tersebut tetap. Hal ini dengan hukum Charles yang menyatakan jika tekanan gas tetap, maka volume gas sebanding denga suhu muthlaknya. Semakin lama permukaan bola pingpong yang dipanaskan akan semakin rata karena volume di dalam gas bertambah sampai bola tersebut kembali ke keadaan semula (bagus).

4.      Gelembung-gelembung pada minuman bersoda yang dituangkan ke dalam gelas semakin membesar saat bergerak ke atas.

Pembahasan:

Berdasarkan persamaan gas ideal pV = nRT sehingga V = , di mana volume berbanding lurus dengan jumlah mol gas. Ketika minuman bersoda dituangkan ke dalam gelas, terdapat banyak gelembung-gelembung naik pada minuman tersebut. Semakin ke atas gelembung-gelembung tersebut semakin besar. Minuman bersoda mengandung gas karbondioksida (CO2) hasil dari proses fermentasinya. Suhu pada gelembung gas tetap selama bergerak ke atas sehingga tidak terdapat pengaruh perubahan suhu terhadap perubahan volume gelembung. Jumlah mol gas CO2 meningkat selama gelembung naik. Tiap gelembung bertindak sebagai inti bagi molekul-molekul CO2 lainnya, sehingga selama gelembung bergerak ke atas, gelembung tersebut mengumpulkan karbondioksida dari sekitarnya dan bertumbuh menjadi lebih besar. Hal tersebut menyebabkan volume gas CO2 semakin besar ketika bergerak ke atas.

5.      Minuman soda berkaleng dalam keadaan baik (belum terbuka) akan muncrat setelah beberapa saat dipanaskan di atas kompor.

Pembahasan:

Soda minuman keluar ketika minuman dipanaskan karena suhu dalam kaleng semakin meningkat dan tekanan yang diberikan ke dinding kaleng juga terus meningkat. Hal ini sesuai dengan hukum Gay Lussac, jika volume gas yang berada dalam bejana tertutup dipertahankan konstan, maka tekanan (p) gas sebanding dengan suhu mutlaknya (T). Ketika tekanan pada dinding kaleng semakin besar sehingga tutup kaleng akan terbuka karena tidak dapat dapat menahannya lagi, soda dalam kaleng akan keluar.

CONTOH SOAL

Soal 1 : 18. Di dalam 1 cm3 gas ideal yang bersuhu 273 K dan bertekanan 105 Pa terdapat 2,7 x 1019 partikel. Berapakah buahpartikel gas yang terdapat dalam 1 cm3 gas tersebut pada suhu 273 K dan tekanan 104 Pa?

A. 2,7 x 109

B. 2,7 x 1010

C. 2,7 x 1014

D. 2,7 x 1018

E. 2,7 x 1019 buah

Rumus gas Ideal tentang jumlah molekul N

PV = NkT

Dimana Tekanan P berbanding lurus dengan N selama volume V dan suhu T konstan karena k adalah tetapan Boltzmann maka

Jawaban D

Soal 2 : Satu mol gas ideal memiliki tekanan 4155 Pa, dan suhu gas saat itu 127°C. Maka volume gas ter sebut adalah.... ( R = 8,31 J/mol K)

A. 0,4 m3

B. 0,8 m3

C. 0,9 m3

D. 10 m3

E. 12 m3

Rumus dasar gas ideal

PV=nRT

Suhu Celsius diubah ke suhu Kelvin 127 + 273 = 400 Kelvin

Soal 3 : Sepuluh liter gas ideal suhunya 127°C, dengan tekanan 165,6 Pa. Maka banyak partikel gas tersebut adalah .... buah(k = 1,38 x 10-23 J/K; 1 liter = 1 x 10-3 m3)

A. 1 × 1020 buah

B. 2 × 1020 buah

C. 3 × 1020 buah

D. 1 × 1021 buah

E. 2 × 1021 buah

Rumus lain gas ideal

Suhu Celsius diubah ke suhu Kelvin 127 + 273 = 400 Kelvin

Volume mesti diubah SI 10 liter = 10/1000 m3 = 0,01 m3

Jawaban C

     Soal 4 : Pada keadaan suhu 127⁰C dan tekanan 105 Pa, sebanyak 0,5 mol gas O2 memiliki volume sebesar . . . . ( R = 8,31 J/mol K)

A. 2,86 x 10-2 m3

B. 1,66 x 10-2 m3

C. 2,26 x 10-2 m3

D. 2,81 x 10-2 m3

E. 3,81 x 10-2 m3

Rumus dasar gas ideal

PV = nRT

Suhu Celsius diubah ke suhu Kelvin 127 + 273 = 400 Kelvin

Soal 5 : Volume suatu gas dalam ruang tertutup adalah 8,31 m3 , dan

suhunya 300 K. Jika jumlah mol gas tersebut 10 mol, besar tekanan gas adalah . . . . ( R = 8,31 J/mol K)

A. 3 × 103 Pa

B. 8 × 103 Pa

C. 9 × 103 Pa

D. 2 × 104 Pa

E. 3 × 104 Pa

Rumus dasar gas ideal

PV=nRT

Suhu Celsius diubah ke suhu Kelvin 127 + 273 = 400 Kelvin

7.Gas ideal berada di dalam suatu ruang pada mulanya mempunyai volume V dan suhu T. Jika gas dipanaskan sehingga suhunya berubah menjadi 5/4 T dan tekanan berubah menjadi 2P maka volume gas berubah menjadi…

Pembahasan

Diketahui :

Volume awal (V1) = V

Suhu awal (T1) = T

Suhu akhir (T2) = 5/4 T

Tekanan awal (P1) = P

Tekanan akhir (P2) = 2P

Ditanya : Volume akhir (V2)

Jawab :

Contoh-soal-hukum-gas-ideal-1Volume gas berubah menjadi 5/8 kali volume awal.

8.Volume 2 mol gas pada suhu dan tekanan standar (STP) adalah…

Pembahasan

Diketahui :

Jumlah mol gas (n) = 2 mol

Suhu standar (T) = 0 oC = 0 + 273 = 273 Kelvin

Tekanan standar (P) = 1 atm = 1,013 x 105 Pascal

Konstanta gas umum (R) = 8,315 Joule/mol.Kelvin

Ditanya : Volume gas (V)

Jawab :

Hukum Gas Ideal (dalam jumlah mol, n)

Contoh-soal-hukum-gas-ideal-2Volume 2 mol gas adalah 44,8 liter.

Volume 1 mol gas adalah 45,4 liter / 2 = 22,4 liter.

Jadi volume 1 mol gas, baik gas oksigen atau helium atau argon atau gas lainnya, adalah 22,4 liter.

9.liter gas oksigen bersuhu 27°C pada tekanan 2 atm (1 atm = 105 Pa) berada dalam sebuah wadah. Jika konstanta gas umum R = 8,314 J.mol−1.K−1 dan bilangan avogadro NA 6,02 x 1023 molekul, maka banyaknya molekul gas oksigen dalam wadah adalah…

Pembahasan

Diketahui :

Volume gas (V) = 4 liter = 4 dm3 = 4 x 10-3 m3

Suhu gas (T) = 27oC = 27 + 273 = 300 Kelvin

Tekanan gas (P) = 2 atm = 2 x 105 Pascal

Konstanta gas umum (R) = 8,314 J.mol−1.K−1

Bilangan Avogadro (NA) = 6,02 x 1023

Ditanya : Banyaknya molekul gas oksigen dalam wadah (N)

Jawab :

Konstanta Boltzmann :

Contoh-soal-hukum-gas-ideal-3Hukum Gas Ideal (dalam jumlah molekul, N)

Contoh-soal-hukum-gas-ideal-4Dalam 1 mol gas oksigen, terdapat 1,93 x 1023 molekul oksigen.

10.Sebuah bejana berisi gas neon (Ne, massa atom = 20 u) pada suhu dan tekanan standar (STP mempunyai volume 2 m3. Tentukan massa gas neon!

Diketahui :

Massa atom neon = 20 gram/mol = 0,02 kg/mol

Suhu standar (T) = 0oC = 273 Kelvin

Tekanan standar (P) = 1 atm = 1,013 x 105 Pascal

Volume (V) = 2 m3

Ditanya : massa (m) gas neon

Jawab :

Pada suhu dan tekanan standar (STP), 1 mol gas apa saja, termasuk gas neon, mempunyai volume 22,4 liter = 22,4 dm3 = 0,0448 m3. Dengan demikian, dalam volume 2 m3 terdapat berapa mol gas neon ?

Contoh-soal-hukum-gas-ideal-5Dalam volume 2 m3 terdapat 44,6 mol gas neon.

Massa atom relatif gas neon adalah 20 gram/mol. Ini artinya dalam 1 mol terdapat 20 gram atau 0,02 kg gas neon. Karena dalam 1 mol terdapat 0,02 kg gas neon maka dalam 44,6 mol terdapat (44,6 mol)(0,02 kg/mol) = 0,892 kg = 892 gram gas neon.