Pengantar

Pernah lihat asap ? asap rokok, asap knalpot, asap pabrik, asap hasil pembakaran sampah dkk…. Kalau kita perhatikan secara saksama, asap yang ngepul dari ujung rokok yang terbakar atau asap yang nyembur dari knalpot motor butut biasanya mula-mula masih bisa kita lihat… setelah beberapa saat, asap tidak bisa kita lihat lagi… aneh bin ajaib si asap jalan-jalan ke mana ya ? Ada lagi contoh yang lain… Pernah pakai parfum ? ya pernah dong gurumuda, masa ya pernahlah Walaupun dirimu nyemprot parfum di kamar pribadi, masilnya, ibu atau ayah mu di kamar sebelah bisa ikut2an menikmati keharuman parfum kesayanganmu… Pacar kesayangan yang lagi nunggu di ruang tamu juga bisa kebagian rejeki… wah, harumnya pacarku… malam mingguannya pasti asyik neh hiks2… Kalau ibu lagi memasak makanan yang lezat dan mengundang selera di dapur, aroma masakan bisa dirasakan dari rumah tetangga… Mengapa bisa demikian ya ?

Masih banyak contoh lain… kalau dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, biasanya tinta atau pewarna makanan akan menyebar secara merata ke seluruh air… ingat ya, hal ini terjadi secara otomatis… kelihatannya sepele, tetapi sangat mengagumkan…

DIFUSI

Contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya merupakan beberapa peristiwa difusi yang sering kita alami dalam kehidupan sehari-hari… Difusi tuh apaan sich ? sejenis gorengan-kah ? Difusi tuh proses berpindahnya molekul-molekul zat dari tempat yang berkonsentrasi tinggi menuju tempat yang berkonsentrasi rendah… Yang dimaksudkan dengan konsetrasi di sini adalah banyaknya molekul/mol zat per volume. Tempat yang berkonsentrasi tinggi adalah tempat di mana terdapat banyak molekul zat per volume. Sebaliknya tempat yang berkonsetrasi rendah adalah tempat di mana terdapat sedikit molekul atau bahkan tidak ada molekul per volume.

Ketika dirimu membakar sampah, biasanya konsentrasi asap di sekitar tempat pembakaran sampah cukup tinggi… Ketika seseorang merokok, tempat di sekitar ujung rokok yang terbakar biasanya memiliki konsetrasi asap yang tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul asap secara otomatis menyebar dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Molekul-molekul asap yang pada mulanya ngumpul bareng akhirnya tercerai berai ke segala arah…

Ketika dirimu menyemprot parfum ke tubuh, tempat di mana parfum tersebut disemprot memiliki konsentrasi yang tinggi… karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul parfum bergerak dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Pacar kesayangan yang lagi menunggu di ruang tamu pun kebagian rejeki… Seandainya molekul-molekul parfum tidak sampai pada tempat di mana pacarmu berada, tentu saja pacarmu tidak bisa menikmati harumnya parfum kesayanganmu…

Ketika dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, bagian air yang pertama kali ditetesi tinta atau pewarna makanan biasanya memiliki konsentrasi yang lebih tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi maka molekul-molekul tinta atau molekul-molekul pewarna makanan menyebar ke seluruh bagian airyang memiliki konsentrasi rendah… Proses difusi akan terhenti setelah konsentrasi molekul tinta dalam semua bagian air sama.

Perlu diketahui bahwa proses difusi bisa dijelaskan menggunakan teori kinetic (Teori kinetic mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari molekul-molekul dan molekul-molekul tersebut bergerak terus menerus secara acak). Untuk lebih memahami hal ini, gurumuda menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

Anggap saja ini gambar sebuah wadah yang berbentuk silinder, di mana semua bagian wadah penuh terisi air. Karena ditetesi tinta, maka air yang berada di permukaan wadah memiliki konsentrasi yang lebih tinggi daripada air yang ada di bagian dasar…

C₁ adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi tinggi, sedangkan C₂ adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Untuk mempermudah analisis maka kita hanya meninjau gerakan molekul-molekul tinta pada bagian tengah silinder (delta x).

Jumlah molekul-molekul tinta pada C₁ lebih banyak (konsentrasi tinggi) daripada molekul-molekul tinta pada C₂ (konsentrasi rendah). Karena molekul-molekul tinta bergerak terus menerus secara acak, maka molekul-molekul tinta yang berada di C₁ mempunyai kemungkinan yang lebih besar untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Sebaliknya, jumlah molekul-molekul tinta yang berada di C₂ sangat sedikit sehingga mempunyai kemungkinan yang sangat kecil untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Dengan demikian, akan ada aliran total molekul-molekul tintadari C ₁ menuju C₂… Nah, sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh seorang ahli fisiologi yang bernama om Adolf Fick (1829-1901), ditemukan bahwa laju difusi sebanding alias berbanding lurus dengan perbedaan konsentrasi (C₂-C₁). Semakin besar perbedaan konsentrasi, semakin besar laju aliran molekul-molekul zat. Sebliknya, semakin kecil perbedaan konsentrasi, semakin kecil laju aliran molekul-molekul zat. Hal ini mungkin sesuai dengan dugaankita bahwa perbedaan konsentrasi turut mempengaruhi laju aliran molekul-molekul…

Catatan :

Selain berpindah tempat dengan cara difusi, molekul-molekul zat (khususnya zat gas) juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain menggunakan bantuan angin.

Penerapan Difusi dalam kehidupan sehari-hari

Seandainya tidak ada difusi, pacar kesayangan tidak bisa menikmati harumnya parfummu. Tanpa difusi, aroma masakan ibu di dapur yang lezat dan mengundang selera juga tidak bisa membuyarkan lamunanmu dan pingin secepatnya menghabiskan santapan bergizi yang tersedia di meja makan hiks2… Masih banyak contoh lain… Btw, difusi juga memiliki peran yang sangat penting bagi kelangsungan hidup manusia, hewan, tumbuhan dkk…

Tumbuh-tumbuhan biasanya membutuhkan karbondioksida (CO₂) untuk melakukan fotosintesis. Karena terdapat perbedaan konsentrasi CO₂ antara bagian dalam daun dengan udara luar, maka molekul-molekul CO₂ berbondong-bondong mengungsi ke dalam daun. Si CO₂ berdifusi ke dalam daun melalui stomata… lega rasanya, kata daun. Untung ada difusi, kalau tidak diriku bisa mati karena kekurangan CO₂ Sebaliknya, uap air dan oksigen berdifusi keluar…

Selain tumbuhan, kucing, tikus dkk juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… Kalau tumbuhan membutuhkan CO₂ untuk melakukan fotosintesis, maka kucing, tikus dkk membutuhkan oksigen untuk setiap reaksi yang menghasilkan energi… agar bisa tiba dengan selamat dalam sel-sel maka molekul-molekul oksigen tentu saja menggunakan cara difusi…

Na, sekarang giliran manusia… dirimu dan diriku juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… biasanya manusia menyedot oksigen melalui proses pernafasan. Setelah tiba dengan selamat di paru-paru, oksigen berdifusi menuju darah. Selanjutnya darah akan menghantar molekul-molekul oskigen menuju sel-sel tubuh. Setelah menghantar molekul-molekul oskigen menuju sel-sel tubuh, darah menggiring molekul-molekul karbondioksidayang dihasilkan sel-sel tubuh menuju paru-paru. Selanjutnya molekul-molekul karbondioskida berbondong-bondong melakukan difusi menuju udara luar. Selengkapnyabisa dipelajari pada mata pelajaran kimia, biologi dkk… bye

Pernah lihat embun-kah ? kalau belum, coba bangun paginya dipercepat perhatikan dedaunan di sekitar rumahmu… Aneh ya, malamnya tidak ada hujan, pagi hari tetes-tetes air bergentayangan di dedaunan. Tuh jatuhnya dari langit keberapa ya …

Konon katanya air yang dipanaskan di puncak gunung lebih cepat mendidih. Sebaliknya air yang dipanaskan di tepi pantai lebih lama mendidih… itu sich konon katanya. Kalau menurutmu bagaimanakah ? sebaiknya dibuktikan saja… ajak beberapa temanmu untuk melakukan pembuktian. Pinjam termometerdari laboratorium sekolah atau beli saja di toko. Terus siapkan juga alat masak memasak. Wah, kayanya lebih seru kalau ngajak dengan pacar kesayangan juga neh… Minggu ini jalan-jalan ke pantai, minggu berikutnya jalan-jalan ke puncak. Sambil menyelam minum air (bisa tenggelam dunk), sambil rekreasi dirimu dan dirinya melakukan percobaan fisika… gunakan alat masak memasak untuk memanaskan air… Jangan lupa masukan termometer ke dalam air, sehingga suhu airbisa diketahui. Pada saat air mulai mendidih, biasanya air raksa dalam termometer tidak jalan-jalan lagi… Catat suhu air ketika terjadi proses pendidihan… bandingkan hasil percobaanmu di tepipantai dan di puncak.

GAS RIIL DAN PERUBAHAN WUJUD

Pada pembahasan mengenai hukum gas ideal, gurumuda sudah menjelaskan kepada dirimu bahwa hukum gas ideal hanya bisa menggambarkan perilaku gas riil secara akurat hanya ketika tekanan dan kerapatan gas riil tidak terlalu besar. Apabila tekanan dan kerapatan gas riil cukup besar, hukum gas ideal sudah tidak memberikan hasil yang akurat. Demikian juga ketika suhu gas riil mendekati titik didih. Hal ini sebenarnya berkaitan dengan interaksi yang terjadi antara molekul-molekul gas riil. Ingat ya, tekanan gas biasanya berbanding terbalik dengan volume gas. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas biasanya menjadi lebih kecil. Karena volume gas kecil, maka jarak antara molekul-molekul gas menjadi lebih dekat… Biar dirimu paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

Titik hitam mewakili molekul-molekul gas. Gambar ini disederhanakan menjadi dua dimensi. Anggap saja ini gambar 3 dimensi… volume kotak = panjang x lebar x tinggi. Volume kotak bisa dianggap sebagai volume gas. Btw, ini cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya, molekul-molekul gas tidak diam seperti titik dalam kotak. Molekul-molekul gas selalu bergerak… Nah, ketika volume kotak cukupbesar, jarak antara molekul cukup jauh (gambar kiri). Sebaliknya, ketika volume kotak menjadi kecil, jarak antara molekul menjadi lebih dekat (gambar kanan). Pada saat jarak antara molekul menjadi lebih dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Mirip seperti ketika dirimu mendekatkan sepotong besi pada magnet. Kalau jarakantara magnet dan besi cukup jauh, magnet tidak bisa menarik besi. Tapi kalau jarak antara magnet dan besi dekat, si besi langsung ditarik semakin dekat. Ini cuma ilustrasi saja… dirimu jangan membayangkan molekul seperti magnet dan besi. Kalau magnet dan besi saling nempel, molekul tidak saling nempel Kasusnya beda… Jadi molekul-molekul gas berprilaku seperti magnet dan besi dalam ilustrasi di atas… ketika jarak antara molekul cukup dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Adanya gaya tarik ini yang menyebabkan jarak antara molekul semakin dekat (volume gas semakin kecil). Biasanya hal ini terjadi pada saat tekanan gas cukup besar (Tekanan besar, volume kecil. Volume kecil, jarak antara molekul semakin dekat). Karenanya jangan pake heran kalau hukum gas ideal tidak memberikan hasil yang akurat ketika tekanan dan kerapatan gas riil cukup besar…

Diagram Tekanan vs Volume

Untuk lebih memahami persoalan di atas, mari kita tinjau diagram yang menyatakan hubungan antara tekanan dan volume gas. Tataplah diagram di bawah dengan penuh kelembutan…

Kurva 1, 2, 3 dan 4 menunjukkan perilaku gas yang sama pada suhu yang berbeda. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 1 lebih tinggi dari kurva 2. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 2 lebih tinggi dari kurva 3. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 3 lebih tinggi dari kurva 4. Kurva tuh garis miring yang ada di tengah diagram… ingat ya, suhu gas selalu tetap… yang berubah hanya tekanan (P) dan volume (V) gas…

Silahkan perhatikan kurva 1′ dan 2′… Menurut hukum gas ideal, garis yang dimulai dari angka 1 harus berakhir di angka 1′. Demikian juga garis yang dimulai dari angka 2 harus berakhir di angka 2′ (ingat lagi grafik PV hukum om Boyle, pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas). Kenyataan yang dialami oleh gas riil tidak sesuai dengan ramalan hukum gas ideal. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas menjadi lebih kecil dan menyimpang dari ramalan hukum gas ideal (bandingkan dengan kurva 1 dan kurva 2). Besarnya penyimpangan volume gas juga bergantung pada suhu. Jika suhu gas lebih rendah dan mendekati titik cair alias titik didih (titik b), gas biasanya mengalami penyimpangan volumeyang lebih besar dibandingkan ketika suhunya lebih tinggi (bandingkan kurva 1, 2, 3 dan 4). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya tarik antara molekul-molekul gas, seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya…

Kurva 3 pada diagram di atas menunjukkan perilaku suatu zat pada suhu kritisnya. Titik c yang dilalui kurva 3 dikenal dengan julukan titik kritis… Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu kritis, wujud gas tidak bisa berubah menjadi wujud cair walaupun diberikan tekanan yang sangat besar (bandingkan dengan kurva 2 dan kurva 1). Tekanan yang diberikan hanya membuat volume gas menjadi semakin kecil, tetapi tidak bisa mengubah wujud gas menjadi cair… Sebaliknya, pada suhu yang lebih rendah dari suhu kritisnya, wujud gas akan berubah menjadi cair jika diberikan tekanan tertentu (bandingkan dengan kurva 3). Besarnya tekananyang bisa mengubah wujud gas menjadi cair pada suhu kritis dikenal dengan julukan tekanan kritis. Setiap zat memiliki suhu kritis dan tekanan kritisyang berbeda…

Zat	Suhu Kritis (oC)	Tekanan Kritis (atm)
Helium (He)	-267,9	2,3
Hidrogen (H2)	-239,9	12,8
Nitrogen (N2)	-147	33,5
Oksigen (O2)	-118	50
Karbondioksida(CO2)	31	72,8
Air (H2O)	374	218

Kurva 4 pada diagram di atas menunjukkan proses perubahan wujud dari gas menjadi cair. Luasan yang diarsir (menyerupai gunung ) merupakan daerah di mana wujud gas dan wujud cair berada dalam kesetimbangan. Mula-mula volume gas cukup besar… setelah tekanan gas bertambah, volume gas menjadi semakin kecil hingga mencapai titik b (titik b adalah titik cair alias titik didih). Ketika tiba di titik b, gas mulai berubah wujud menjadi cair… Selama proses perubahan wujuddari gas menjadi cair (dari titik b hingga titik a), volume zat menjadi semakin kecil walaupun tidak ada penambahan tekanan (ditandai dengan garis lurus). Pada titik a, semua gas telah berubah wujud menjadi cair… Setelah tiba di titik a, penambahan tekanan pada zat hanya mengakibatkan perubahan volumeyang sangat kecil (ditandai dengan bentuk kurva yang sangat curam).

Dalam kehidupan sehari-hari, kita seringkali menggunakan istilah uap dan gas… misalnya uap air atau gas nitrogen. Hampir tidak pernah kita menyebut uap air sebagai gas air, walaupun uap air sebenarnya merupakan wujud gasdari air. Demikian juga dengan nitrogen, oksigen dkk… nitrogen atau oksigen biasa disebut sebagai gas… Gas dan uap memiliki makna yang berbeda. Apabila wujud gas dari suatu zat berada di bawah suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai uap. Sebaliknya, jika wujud gas dari suatu zat berada di atas suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai gas. (bandingkan dengan diagram PV dan tabel suhu kritis di atas).

Diagram Tekanan vs Suhu (Diagram Fase)

Sebelumnya gurumuda sudah menjelaskan perilaku zat, menggunakan diagram Tekanan vs Volume. Selain menggunakan diagram PV, perilaku zatbisa dijelaskan menggunakan diagram Tekanan (P) vs Suhu (T). Diagram PT biasa disebut sebagai diagram fase… disebut diagram fase karena diagram ini digunakan untuk membandingkan fase alias wujud zat (fase = wujud. Jangan pake bingung)…

Salah satu zat yang sering mengalami perubahan wujud adalah air… Karenanya, gurumuda menggunakan contoh diagram fase air saja, biar dirimu lebih nyambung…

Tataplah diagram di atas dengan penuh kelembutan Terdapat tiga kurva pada diagram, yakni kurva penguapan, kurva peleburan dan kurva sublimasi…

Kurva penguapan menunjukkan titik-titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan di sebut titik cair alias titik didih (Di sebut titik cair karena pada titik ini uap bisa mencair dan berubah wujud menjadi air. Disebut titik didih karena pada titik ini air bisa mendidih dan berubah wujud menjadi uap). Dengan demikian, kurva penguapan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik didih/titik cair. Tampak bahwa semakin kecil tekanan, semakin rendah suhu titik didih air, atau semakin besar tekanan, semakin tinggi suhu titik didih air. Pada tekanan 1 atm, suhu titik didih air = 100 ^oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik didih air = 374 ^oC. Tekanan 218 atm disebut juga sebagai tekanan kritis air, sedangkan suhu 374 ^oC disebut juga sebagai suhu kritis air… Apabila suhu uap kurang dari 374 ^oC, maka uap bisa berubah wujud menjadi cair jika diberikan tekanan sebesar 374 ^oC. Tekanan sebesar apapun tidak bisa mengubah uap menjadi cair jika suhunya lebih besar dari 218 ^oC. Pahami perlahan-lahan penjelasan gurumuda ini, lalu coba baca sendiri diagram fase air di atas Masih banyak informasi yang belum gurumuda jelaskan…

Kurva peleburan menunjukkan titik-titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan disebut titik lebur alias titik beku (Disebut titik lebur karena pada titik ini es bisa melebur menjadi air. Disebut titik beku karena pada titik ini, air bisa membeku menjadi es). Dengan demikian, kurva peleburan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik lebur/titik beku… Pada tekanan 1 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) = 0 ^oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) kurang dari 0 ^oC. Perhatikan bahwa pada tekanan 1 atm, air berada dalam wujud cair jika suhunya berada di antara 0 ^oC dan 100 ^oC. Air berada dalam wujud padat jika pada tekanan 1 atm, suhunya kurang dari 0 ^oC atau air berada dalam wujud uap jika pada tekanan 1 atm, suhunya lebih dari 100 ^oC.

Kurva sublimasi menunjukkan titik-titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan disebut titik sublimasi. Dengan demikian, kurva sublimasi sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik sublimasi… Oya, sublimasi tuh proses perubahan wujud padat menjadi uap, tanpa melewati wujud cair… Biasanya sublimasi hanya terjadi pada tekanan rendah. es hanya bisa menyublim jika suhunya kurang dari 0,01 ^oC dan tekanan lebih kecil dari 0,0060 atm…

Titik di mana ketiga kurva saling berpotongan dikenal dengan julukan titik gurumuda serius kali dirimu ini… nyantai dulu lah… oya, bukan titik gurumuda, bukan juga titik gurutua, tetapi titik tripel (tripel = perpotongan 3 garis… ini cuma terjemahan kasar saja… terjemahan halus cari sendiri ya ) Wujud padat, cair dan uap bisa hidup berdampingan dengan damai hanya pada titik tripel. He2… Maksudnya, ketiga wujud zat bisa berada dalam keseimbangan hanya pada titik tripel…

Data Titik Tripel
Zat	Suhu (K)	Tekanan (Pa = N/m2)
Hidrogen	13,80	7,03 x 103
Deuterium	18,63	17,1 x 103
Neon	24,56	43,2 x 103
Oksigen	54,36	0,152 x 103
Nitrogen	63,18	12,5 x 103
Amonia	195,40	6,06 x 103
Sulfur dioksida	197,68	0,167 x 103
Karbon dioksida	216,55	516 x 103
Air	273,16	0,610 x 103

Di bawah ini adalah diagram fase untuk karbon dioksida… Pahami penjelasan gurumuda sebelumnya, lalu silahkan jelaskan diagram ini… Jika bingung berlanjut, silahkan bertanya melalui kolom komentar…

Catatan :

Perhatikan bahwa skala pada diagram fase air dan diagram fase karbon dioksida tidak linear…

Penguapan

Pernah menjemur pakaian basah ? Pakaian yang pada mulanya basah bisa mengering setelah dijemur di bawah sinar matahari… Hal ini kelihatannya sangat sepele sehingga jarang dipersoalkan. Btw, bisakah dirimu menjelaskan mengapa pakaian basah bisa mengering ? Dari sononya memang sudah begitu kok Ada lagi kasus yang mirip… Air yang pada mulanya panas bisa berubah menjadi dingin setelah dibiarkan selama beberapa saat… teh panas, kopi susu hangat dkk akan mengalami nasib yang sama… Lebih aneh lagi, kalau dirimu meletakkan segelas air di luar rumah sepanjang malam, ketinggian air akan turun pada waktu pagi… mengapa bisa demikian-kah ?

Kata eyang, pakaian bisa mengering karena adanya penguapan. Teh panas juga bisa menjadi dingin karena adanya penguapan… Terus penguapan tuh sebenarnya apa sich ? penguapan adalah proses menguapnya air yang lagi ngantuk n pingin tidur… hiks2

Proses penguapan bisa dijelaskan menggunakan teori kinetik. Seperti molekul-molekul gas, molekul-molekul air juga suka bergerak ke sana kemari. Bedanya, molekul-molekul air tidak bisa tercerai berai karena gaya tarik antara molekul masih mampu menahan mereka untuk tetap ngumpul. Sebaliknya, gaya tarik antara molekul-molekul gas sangat lemah, sehingga molekul-molekul gas tidak bisa ngumpul. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pembahasan mengenai wujud-wujud zat. Nah, ketika bergerak ke sana ke mari, molekul-molekul air tentu saja punya kelajuan. Ada molekul air yang mempunyai kelajuan yang besar, ada juga molekul air yang mempunyai kelajuan yang kecil. Distribusi kelajuan molekul air menyerupai distribusi maxwell (ingat lagi pembahasan mengenai distribusi kelajuan molekul).

Peristiwa penguapan biasanya terjadi ketika kelajuan molekul air cukup besar, sehingga gaya tarik antara molekul-molekul air tidak mampu menahannya untuk ngumpul. Mirip seperti roket yang hendak tamasya ke luar angkasa… Kelajuan roket cukup besar sehingga gaya gravitasi bumi tidak mampu menahannya untuk tetap tinggal di bumi. Perlu diketahui bahwa hanya molekul-molekul yang mempunyai kelajuan besar saja yang mampu melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul. Molekul-molekul yang kelajuannya kecil tidak bisa kabur alias tetap ngumpul.

Ingat ya, molekul-molekul air juga punya massa. Karena punya massa dan kecepatan/kelajuan, maka molekul-molekul air tentu saja mempunyai energi kinetik (EK = ½ mv²). Molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi memiliki energi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan molekul air yang mempunyai kelajuan yang rendah. Dengan demikian, kita bisa mengatakan bahwa molekul-molekul air yang bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul (molekul-molekul air yang kabur menjadi uap) memiliki energi kinetik yang cukup besar… Biasanya energi kinetik molekul air semakin bertambah seiring meningkatnya suhu air. Karenanya apabila suhu air cukup tinggi, maka energi kinetik molekul-molekul air semakin bertambah. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul air yang kabur menjadi uap. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang menunjukkan bahwa laju penguapan biasanya lebih besar pada suhu yang tinggi…

Ketika kita menjemur pakaian basah di bawah sinar matahari, pakaian basah tersebut menyerap kalor yang dipancarkan oleh matahari (terjadi perpindahan kalor secara radiasi). Karena kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu, maka kita bisa mengatakan bahwa setelah mendapat sumbangan kalor dari matahari, energi kinetik molekul-molekul air yang bergentayangan dalam pakaian semakin bertambah. Karena energi kinetiknya bertambah, maka molekul-molekul air tentu saja bergerak semakin cepat (kelajuan molekul air meningkat). Setelah kelajuan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul-molekul air tersebut bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap… Pakaianku dan pakaianmu pun mengering Perlu diketahui bahwa mengeringnya pakaian basah tidak hanya dipengaruhi oleh adanya tambahan kalor dari matahari. Pakaian basah juga bisa mengering karena adanya tambahan kalor dari udara hangat yang berada di sekitar pakaian tersebut (kalor berpindah secara konduksi dari udara menuju pakaian basah). Jalan ceritanya seperti ini… Pada siang hari yang terik, biasanya tanah atau lantai lebih cepat panas… tanah cepat panas karena kalor jenisnya cukup besar. Tanah yang kepanasan tadi memanaskan udara yang berada di atasnya (dalam hal ini terjadi perpindahan kalor secara konduksi). Udara yang kepanasan tadi memuai (massa jenisnya berkurang) dan bergerak ke atas… Ketika melewati pakaian basah, molekul-molekul udara menumbuk molekul-molekul air yang bergenyatangan dalam pakaian. Molekul-molekul air yang sedang pacaran pun bergerak semakin cepat… Karena bergerak semakin cepat, maka energi kinetik molekul-molekul air tersebut semakin bertambah. Molekul-molekul air yang bergerak cepat tadi menumbuk teman-temannya yang lain… Karena ditumbuk terus menerus oleh molekul udara, maka molekul-molekul air bergerak semakin cepat (energi kinetiknya bertambah). Setelah kecepatan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul-molekul air yang bergerak cepat tadi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap… ingat ya, energi kinetik molekul air atau molekul udara berkaitan erat dengan suhu. Ketika gurumuda mengatakan bahwa energi kinetik molekul-molekul air besar, pada saat yang sama suhu air tinggi. Atau sebaliknya, ketika suhu air tinggi, energi kinetik molekul-molekul air pasti besar. Energi kinetik juga berkaitan dengan kelajuan (ingat saja rumus EK = ½ mv²). Semakin besar energi kinetik molekul, semakin besar kelajuan molekul. Atau sebaliknya, semakin besar kelajuan molekul, semakin besar energi kinetik molekul tersebut… Sampai di sini dirimu belum pusink2 khan ? hiks2… piss

Bagaimanakah dengan air panas dkk ? air panas biasanya memiliki suhu yang tinggi… Karena suhu air tinggi, maka molekul-molekul air yang bergentayangan dalam air tentu saja mempunyai energi kinetik rata-rata yang besar. Karena energi kinetik rata-rata molekul-molekul air besar, maka banyak molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi (banyak molekul air yang bergerak cepat)… molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antar molekul dan kabur menjadi uap… Ingat ya, yang kabur menjadi uap hanya molekul-molekul air yang kelajuannya tinggi (molekul-molekul air yang energi kinetiknya besar)… molekul-molekul air yang kelajuannya rendah (molekul-molekul air yang energi kinetiknya kecil) tidak bisa kabur alias tetap ngumpul… Dengan demikian, ketika molekul-molekul air yang kelajuannya tinggi kabur menjadi uap, energi kinetik rata-rata molekul-molekul air yang tetap ngumpul menjadi lebih kecil. Semakin kecil energi kinetik rata-rata, semakin rendah suhu air (air menjadi dingin). Berdasarkan uraian singkat ini, kita bisa mengatakan bahwa penguapan sebenarnya merupakan proses pendinginan

Proses pendinginan akibat adanya penguapan selalu kita alami dalam kehidupan sehari-hari… pada saat udara cukup panas, banyak kalor yang diserap oleh tubuh. Untuk menjaga agar suhu tubuh selalu konstan, biasanya tubuh mengeluarkan kalor melalui air keringat… Karena air keringat mendapat tambahan kalor dari matahari dan udara yang ada di sekitarnya maka energi kinetik molekul air keringat bertambah. Karena energi kinetik molekul air bertambah maka kelajuan molekul-molekul air keringat tentu saja meningkat… molekul-molekul keringat pun kabur menjadi uap. Ketika keringat menguap, tubuh kita pun terasa sejuk… lega rasanya. Masih ada contoh lain… Biasanya setelah mandi, tubuh kita terasa sejuk. Hal ini disebabkan karena air yang nempel di permukaan kulit mengalami proses penguapan…

Proses penguapan yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya selalu terjadi setiap hari. Air laut, air danau, air sungai, air comberan, air mata juga bisa menguap… Banyak proses penguapan terjadi akibat adanya sumbangan kalor dari matahari (perpindahan kalor secara radiasi). Karena mendapat sumbangan kalor, air yang ada di permukaan sungai dkk menjadi kepanasan (suhu air yang ada di permukaan meningkat). Ketika suhu air yang ada di permukaan meningkat, air tersebut memuai. Dalam hal ini volume air bertambah… Karena volume air bertambah, maka massa jenis alias kerapatan air berkurang (massa jenis = massa / volume). Dengan demikian, air yang ada di permukaan tidak bisa meluncur ke bawah karena kerapatannya lebih kecil. Semakin banyak kalor yang ditambahkan, semakin besar energi kinetik molekul-molekul air. Semakin besar energi kinetik, semakin besar laju molekul-molekul air. Molekul-molekul yang mempunyai laju yang besar akhirnya melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap. Setiap hari, molekul-molekul air yang lucu2 n imut2 itu meluncur bebas dari permukaan laut, permukaan danau, permukaan comberan , permukaan kulit dkk dan bergabung dengan teman-temannya dalam pasukan uap air…

Berdasarkan penjelasan panjang pendek di atas, bisa dikatakan bahwa udara alias atmosfir pasti mengandung uap air… Oya, uap air tuh wujud gas dari air.

Tekanan Uap

Yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air. Juangan pake lupa ya… Untuk membantumu memahami pengertian tekanan uap, gurumuda pakai ilustrasi saja…

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan… sebuah wadah tertutup yang berisi air (anggap saja udara yang ada di dalam wadah sudah dikeluarkan)… Menurut teori kinetic, molekul-molekul air selalu bergerak ke sana ke mari. Ketika bergerak ke sana kemari, molekul-molekul air mempunyai kelajuan dan energi kinetic. Ingat ya, kelajuan setiap molekul berbeda-beda… Nah, molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan dan energi kinetic yang cukup besar bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul air dan kabur menjadi uap… Proses yang sama terjadi pada molekul-molekul air yang ada dalam wadah di atas. Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul-molekul air yang bergabung dalam pasukan uap air (berubah wujud dari air menjadi uap). Karena wadah tertutup, maka molekul-molekul air yang telah berubah menjadi uap tidak bisa kabur menuju atmosfir (molekul-molekul tersebut terperangkap dalam wadah). Jumlah molekul-molekul air yang kabur menjadi uap cukup banyak, karenanya terdapat kemungkinan terjadinya tumbukan antara molekul-molekul dengan dinding wadah. Sebagian molekul-molekul yang menumbuk dinding wadah akan dipantulkan kembali menuju permukaan air dan bergabung lagi ke dalam pasukan air (berubah wujud dari uap menjadi air). Proses ini berulang secara terus menerus… Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul-molekul air yang kabur menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Pada saat yang sama, sebagian molekul yang menabrak dinding wadah akan berubah lagi menjadi air (berubah wujud dari uap menjadi cair)… Nah, apabila jumlah molekul-molekul yang berubah wujud dari cair menjadi uap sama dengan jumlah molekul-molekul yang berubah wujud dari uap menjadi cair, maka akan terjadi keseimbangan. Ketika terjadi keseimbangan, bagian atas wadah yang berisi uap dikatakan jenuh… Wah, bisa jenuh juga toh Tekanan uap pada daerah yang jenuh dikenal dengan julukan Tekanan uap jenuh.

Catatan :

Perubahan wujud dari cair menjadi uap dikenal dengan julukan penguapan. Sedangkan perubahan wujud dari uap menjadi cair dikenal dengan julukan kondensasi…

Perlu diketahui bahwa tekanan uap jenuh hanya bergantung pada suhu saja dan tidak bergantung pada volume. Apabila suhu air meningkat, maka energi kinetic molekul-molekul air tentu saja bertambah. Karena energi kinetic molekul-molekul air bertambah, maka kelajuan molekul-molekul air pasti meningkat. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul-molekul yang mempunyai kelajuan tinggi yang kabur menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Karena volume wadah tetap, maka tekanan uap hanya bergantung pada jumlah molekul (N) dan kelajuan (v). Ingat lagi persamaan tekanan yang telah gurumuda oprek dalam pembahasan mengenai sifat makroskopis dan mikroskopis… neh persamaanya :

Semakin banyak molekul (N makin besar) yang kabur menjadi uap dan semakin tinggi kelajuan molekul-molekul tersebut (v makin besar), maka tekanan uap juga semakin meningkat… Dengan demikian, keseimbangan akan terjadi pada tekanan uap yang lebih tinggi. Karenanya tekanan uap jenuh juga semakin tinggi… Ingat ya, tekanan uap jenuh hanya ada ketika terjadi keseimbangan…

Berikut ini nilai tekanan uap jenuh air yang berubah terhadap suhu…

Suhu (oC)	Tekanan Uap Jenuh Air (Pa = N/m2)
-10	0,26 x 103
0	0,611 x 103
10	1,23 x 103
20	2,33 x 103
30	4,24 x 103
40	7,37 x 103
50	12,3 x 103
60	19,9 x 103
70	31,2 x 103
80	47,3 x 103
90	70,1 x 103
100	101 x 103
120	199 x 103

Seperti yang telah gurumuda ulas sebelumnya, tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Tekanan uap bergantung pada volume, tetapi tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Seandainya volume wadah bertambah atau berkurang, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga.

Ilustrasi panjang pendek di atas hanya mau menghantarmu untuk memahami tekanan uap jenuh yang terjadi pada atmosfir. Bedanya, dalam ilustrasi sebelumnya kita menganggap tidak ada udara dalam bagian wadah yang tidak berisi air. Karenanya bagian wadah yang tidak berisi air hanya ditempati oleh uap air. Sebaliknya, permukaan bumi di mana diriku dan dirimu berada selalu dipenuhi dengan udara. Karenanya, uap air tidak hidup sendirian tetapi selalu hidup berdampingan dengan gas lain. Tumbukan antara molekul-molekul uap dengan molekul-molekul gas lain hanya memperlama terjadinya keseimbangan. Walaupun demikian, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga apabila jumlah molekul-molekul air yang berubah menjadi uap sama dengan jumlah molekul-molekul uap yang berubah menjadi air…

Pendidihan

Pendidihan sebenarnya merupakan proses perubahan wujud cair menjadi wujud gas. Pendidihan biasanya terjadi ketika tekanan uap jenuh sama dengan tekanan udara luar (tekanan udara luar = tekanan atmosfir). Btw, pada kesempatan ini kita hanya membahas pendidihan air saja…

Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, tekanan uap jenuh air berbanding lurus dengan suhu air. Semakin tinggi suhu air, semakin besar tekanan uap jenuh air… Nah, ketika kita memanaskan air, biasanya muncul gelembung-gelembung kecil pada bagian dasar wadah… Adanya gelembung-gelembung menandakan perubahan wujud cair menjadi wujud gas… apabila tekanan uap jenuh dalam gelembung lebih kecil dari tekanan udara luar, maka gelembung tersebut akan mengerut dan hancur sebelum tiba di permukaan. Gelembung hancur karena gaya dorong udara luar lebih besar daripada gaya dorong uap yang ada di dalam gelembung (ingat persamaan tekanan : P = F/A — F = PA). Tekanan udara luar lebih besar dari tekanan uap dalam gelembung, sehingga udara luar memiliki gaya yang lebih besar…

Seiring dengan kenaikan suhu air, tekanan uap jenuh dalam gelembung juga semakin bertambah… Apabila tekanan uap jenuh dalam gelembung sama atau lebih besar dari tekanan udara luar, maka gelembung akan bertambah besar dan mengapung sampai di permukaan… Setelah tiba di permukaan, gelembung akan pecah dan uap air yang ada di dalam gelembung pun kabur sesuka hatinya… Terjadilah proses pendidihan… perhatikan dua kalimat yang dicetak miring… gelembung bertambah besar karena gaya dorong uap yang ada di dalam gelembung lebih besar daripada gaya dorong udara luar (ingat persamaan tekanan : P = F/A — F = PA). Tekanan udara uap dalam gelembung lebih besar dari tekanan udara luar, sehingga uap yang ada di dalam gelembung memiliki gaya yang lebih besar… Ketika gelembung bertambah besar, volume uap juga bertambah besar. Akibatnya, kerapatan alias massa jenis uap menjadi berkurang… Karena kerapatan uap berkurang (kerapatan uap lebih kecil dari kerapatan air) maka gelembung bisa mengapung ke permukaan… mirip seperti kayu kering atau gabus yang mengapung di atas permukaan air… Kayu kering atau gabus bisa mengapung karena kerapatannya lebih kecil dari kerapatan air…

Berdasarkan uraian panjang pendek ini, kita bisa mengatakan bahwa proses pendidihan air terjadi ketika tekanan uap jenuh air sama atau lebih besar dari tekanan atmosfir… Dengan demikian, suhu titik didih air tentu saja sangat bergantung pada tekanan atmosfir… Semakin kecil tekanan atmosfir, semakin rendah suhu titik didih. Atau sebaliknya, semakin besar tekanan atmosfir, semakin tinggi suhu titik didih… Biasanya semakin tinggi suatu tempat di ukur dari permukaan laut, semakin kecil tekanan atomosfir di tempat tersebut. Karenanya bisa disimpulkan bahwa semakin tinggi suatu tempat di ukur dari permukaan laut, semakin rendah suhu titik didih di tempat tersebut. Suhu titik didih di puncak lebih rendah daripada suhu titik didih di pantai. Suhu titik didih di puncak gunung lebih rendah dari suhu titik didih di dataran rendah. Suhu titik didih di Bandung (dataran tinggi) lebih rendah dari suhu titik didih di Jakarta… dan sebagainya… Air yang dipanaskan di puncak gunung tentu saja lebih cepat mendidih daripada air yang dipanaskan di tepi pantai. Masalahnya sekarang, kalau dirimu memasak nasi dkk di puncak gunung, misalnya, dirimu bisa nunggu sampai puyeng suhu titik didih rendah, karenanya nasinya juga lama sekali baru matang… Biasanya orang menggunakan pressure cooker (terjemahin sendiri ya ) untuk memasak nasi dkk di puncak gunung… pressure cooker biasanya menaikkan tekanan udara sehingga suhu titik didih menjadi lebih tinggi. Karena suhu yang lebih tinggi bisa dicapai maka nasi lebih cepat matang…

Kelembaban

Kelembaban sebenarnya menyatakan banyaknya kandungan uap air dalam udara… Ketika hujan turun, biasanya udara sangat lembab. Hal ini disebabkan karena kandungan uap air dalam udara sangat banyak. Sebaliknya, jika kandungan uap air dalam udara sangat sedikit atau nyaris tidak ada, biasanya udara sangat kering… Banyaknya kandungan uap air dalam udara sering dinyatakan dengan kelembaban relatif…

Kelembaban relative merupakan perbandingan tekanan parsial uap dengan tekanan uap jenuh air pada suhu tertentu (yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air). Biasanya kelembaban relatif dinyatakan dalam persen. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut :

Ada sebuah istilah baru, yakni tekanan parsial. Tekanan parsial merupakan tekanan yang diberikan oleh setiap gas yang ada dalam udara. Ingat ya, udara sebenarnya terdiri dari berbagai jenis gas… ada nitrogen (78 %), oksigen (21 %), argon (0,90 %), karbondioksida, uap air dkk… Jumlah tekanan parsial dari setiap gas dalam udara disebut tekanan total (tekanan total = tekanan atmosfir = tekanan udara). Jika tidak ada kandungan uap air dalam udara, maka tekanan parsial uap air = 0. Sebaliknya, tekanan parsial uap air bernilai maksimum jika tekanan parsial uap air = tekanan uap jenuh air. Tekanan uap jenuh air bergantung pada suhu (lihat table di atas).

Apabila tekanan parsial uap air = tekanan uap jenuh (kelembaban relatif = 100 %), maka udara menjadi jenuh dengan uap air… Pada saat udara menjadi jenuh dengan uap air, kandungan uap air dalam udara hampir mencapai nilai maksimum… Apabila tekanan parsial uap air > tekanan uap jenuh (kelembaban relatif > 100%), maka udara menjadi superjenuh… Pada saat udara menjadi super jenuh, udara sudah tidak mampu menahan kandungan uap air… Karena udara sudah tidak mampu menahan kandungan uap air maka kelebihan uap air akan berkondensasi menjadi air (baca : embun)… Suhu di mana uap air berkondensasi menjadi embun dikenal dengan julukan suhu titik embun…

Pada pembahasan mengenai kalor, kapasitas kalor dan kalor jenis (materi suhu dan kalor), gurumuda sudah membahas konsep kalor dan kapasitas kalor suatu benda. Kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Sedangkan kapasitas kalor merupakan banyaknya kalor yang diberikan pada sebuah benda, untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Karena kalor merupakan energi yang berpindah, maka kita bisa mendefinisikan kapasitas kalor sebagai banyaknya energi dalam bentuk kalor yang diberikan pada sebuah benda, untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dari definisi singkat ini, tampak bahwa kapasitas kalor benda berkaitan erat dengan energi dan suhu benda. Btw, sampai di sini dirimu belum pusink-pusink khan ?

Pada pembahasan sebelumnya (Hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis gas), gurumuda sudah menjelaskan secara panjang lebar mengenai hubungan antara energi kinetik (EK) translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal dengan suhu mutlak gas ideal. Hubungan tersebut dinyatakan dalam salah satu persamaan berikut : EK translasi rata-rata = 3/2 nRT. Dari persamaan ini, tampak bahwa EK translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal berkaitan erat dengan suhu mutlak gas ideal (T). Dari hasil ini, kita memperoleh informasi berharga mengenai kapasitas kalor gas ideal (bandingkan dengan penjelasan mengenai kapasitas kalor di atas).

Sebelum mengulas kapasitas kalor molekul gas ideal, terlebih dahulu kita bahas kembali energi kinetik translasi rata-rata molekul-molekul gas ideal dan kapasitas kalor. Setelah meninjau hubungan antara dua hal ini, selanjutnya kita akan menurunkan persamaan yang menyatakan kapasitas kalor molekul gas ideal.

EK TRANSLASI RATA-RATA MOLEKUL-MOLEKUL GAS IDEAL

Pada bagian pengantar tulisan ini gurumuda sudah menceritakan secara tidak singkat mengenai hubungan antara energi kinetik (EK) translasi molekul-molekul gas ideal dan suhu mutlak gas ideal. Hubungan mesra antara EK translasi molekul gas dan suhu mutlak gas ideal dinyatakan melalui dua persamaan di bawah :

Keterangan :

EK rata2 = Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal (Kgm²/s² = J)

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10^-23 J/K)

T = Suhu mutlak (K)

n = jumlah mol (mol)

R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K)

(J = Joule, kJ = kilo Joule, K = Kelvin)

Perlu diketahui bahwa hubungan ini kita peroleh melalui penurunan matematis (pake hitung-hitungan), yang didasarkan pada teori kinetik gas. Dalam teori kinetik gas, kita menggambarkan molekul gas ideal sebagai partikel alias titik. Karena dianggap sebagai partikel alias titik, maka molekul-molekul gas ideal juga hanya bisa melakukan gerak translasi saja… Karena hanya bisa melakukan gerak translasi maka molekul-molekul tersebut juga hanya mempunyai energi kinetik translasi… Karenanya jangan pake heran kalau persamaan di atas dinyatakan dalam bentuk energi kinetik translasi, bukan energi kinetik rotasi dkk…

Sekarang mari kita beralih ke kapasitas kalor….

KALOR JENIS (c – huruf c kecil)

Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :

Keterangan :

c = kalor jenis

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T₂) – suhu awal (T₁). Satuannya K

(J = Joule, K = Kelvin)

Satuan kalor jenis benda (c)

Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :

Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K

KAPASITAS KALOR BENDA (C – huruf C besar)

Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

Satuan kapasitas kalor benda (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

KALOR alias panas (Q)

Kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ketika kita menyentuhkan dua benda yang suhunya berbeda, kalor akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi menuju benda yang memiliki suhu yang lebih rendah… Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda telah mencapai suhu yang sama. Mengenai kalor dkk selengkapnya bisa dipelajari di pembahasan mengenai kalor, kapasitas kalor, kalor jenis (materi suhu dan kalor). Kita bisa menurunkan persamaan kalor (Q) menggunakan persamaan kalor jenis (c) yang telah dioprek sebelumnya :

Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa benda (m).

Keterangan :

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis benda (J/Kg K)

delta T = perubahan suhu (K)

Persamaan kalor yang sudah diturunkan di atas (persamaan 1) bisa dinyatakan dalam massa molekul (M). Sebelum mengoprek persamaannya, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini…

Dalam pembahasan mengenai hukum gas ideal (materi teori kinetik gas), gurumuda sudah memperkenalkan kepadamu dua istilah baru, yakni jumlah mol (n) dan massa molekul alias massa molar (M). Jumlah mol (n) = perbandingan massa (m) suatu benda dengan massa molekulnya (M). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Sekarang kita masukan persamaan b ke dalam persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa benda (persamaan 1) :

Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa molekul (M)

Keterangan :

n = jumlah mol (mol)

M = massa molekul (Kg/mol)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

delta T = perubahan suhu (K)

KAPASITAS KALOR MOLEKUL (C)

Hasil kali antara massa molekul (M) dan kalor jenis (c) pada persamaan 2 dikenal dengan julukan kapasitas kalor molekul (C). Secara matematis, persamaan kapasitas kalor molekul bisa ditulis seperti ini :

Keterangan :

C = kapasitas kalor molekul (C)

M = massa molekul (Kg/mol)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

n = jumlah mol (mol)

Satuan kapasitas kalor molekul

Satuan kapasitas kalor molekul bisa diperoleh dengan mengoprek persamaan kapasitas kalor molekul :

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor molekul = J/mol.K (J = Joule, K = Kelvin)

Karena massa molekul (M) x kalor jenis (c) = kapasitas kalor molekul (C), maka persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa molekul (persamaan 2) bisa dioprek menjadi seperti ini :

Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam kapasitas kalor molekul….

Keterangan :

Q = kalor (J)

n = jumlah mol (mol)

C = kapasitas kalor molekul (J/mol.K)

Sekarang, mari kita obok-obok kapasitas kalor molekul gas ideal…

KAPASITAS KALOR MOLEKUL GAS IDEAL

Kalau kita bandingkan persamaan EK translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal dan persamaan kalor yang dinyatakan dalam kapasitas kalor molekul, kita bisa melihat adanya keterkaitan erat… gurumuda tulis lagi kedua persamaan tersebut :

Persamaan EK translasi rata-rata molekul gas ideal :

Dari persamaan 1, tampak bahwa EK translasi rata-rata dari molekul gas ideal berbanding lurus dengan suhu mutlak gas ideal (T). Apabila EK translasi molekul-molekul gas ideal bertambah, maka suhu mutlak gas ideal juga bertambah. Demikian juga sebaliknya, jika EK translasi rata-rata molekul-molekul gas ideal berkurang, maka suhu mutlak gas ideal juga berkurang… Dari persamaan 2, tampak bahwa kalor (Q) berbanding lurus dengan perubahan suhu (T). Karena kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu, maka kita bisa mengatakan bahwa perubahan suhu yang dialami oleh suatu benda disebabkan oleh adanya perubahan energi molekul-molekul penyusun benda tersebut.

Berdasarkan uraian singkat ini, kita bisa melihat adanya kesetaraan antara EK translasi molekul gas ideal (persamaan 1) dan kalor (persamaan 2). Dengan demikian, kita bisa menurunkan persamaan yang menyatakan kapasitas kalor molekul gas ideal. Kita kawinkan saja kedua persamaan di atas :

Sebelum kita tertawa terpingkal-pingkal karena telah menemukan nilai kapasitas kalor gas ideal, alangkah baiknya jika kita selidiki apakah nilai kapasitas kalor gas ideal ini valid atau tidak. Caranya mudah :

Pertama, periksa saja satuannya… satuan kapasitas kalor molekul (C) = J/mol.K. wow, menakjubkan…. ternyata satuannya sama. Berarti untuk sementara, persamaan kapasitas kalor gas ideal valid. Ssttt…. Jangan menarik kesimpulan dulu sebelum membaca pesan-pesan berikut.

Kedua, membandingkan nilai kapasitas kalor molekul gas ideal dengan kapasitas kalor molekul gas riil yang diperoleh melalui pengukuran. Perlu diketahui bahwa nilai kapasitas kalor gas ideal di atas diperoleh secara teoritis (pake hitung-hitungan), yang didasarkan pada teori kinetik gas. Dalam teori kinetik gas, kita menganggap gas sebagai gas ideal alias gas sempurna. Karenanya, alangkah baiknya jika kita bandingkan nilai kapasitas kalor molekul gas ideal hasil oprekan kita dengan kapasitas kalor molekul gas riil alias gas nyata yang diperoleh melalui eksperimen.

Berikut ini beberapa nilai kapasitas kalor molekul gas riil yang diperoleh melalui eksperimen.

Jenis Gas	Gas	Cv (J/mol.K)
Monoatomik	He	12,47
	Ar	12,47
Diatomik	H2	20,42
	N2	20,76
	O2	21,10
	CO	20,85
Poliatomik	CO2	28,46
	SO2	31,39
	H2S	25,95

Catatan :

Pertama, C_V = kapasitas kalor molekul gas pada volume tetap (volume tetap di sini berkaitan dengan cara yang dipakai untuk mengetahui kapasitas kalor molekul gas riil. Jadi sejumlah gas dimasukkan ke dalam wadah tertutup dan volume wadah dijaga agar selalu tetap/konstan. Ketika gas mendapat tambahan kalor, suhu gas pasti meningkat. Ketika suhu gas meningkat, gas yang ada dalam wadah pasti memuai. Biasanya kalau gas memuai, volumenya pasti bertambah. Btw, karena si gas terperangkap dalam wadah yang volumenya selalu konstan, maka volume gas juga selalu konstan alias tidak bisa berubah. Dengan demikian perubahan suhu gas akibat adanya tambahan kalor bisa diukur secara akurat)

Kedua, gas monoatomik = gas yang terdiri dari satu atom (He, Ar). Gas diatomik = gas yang terdiri dari dua atom (H₂ : terdiri dari 2 atom H, N₂ : terdiri dari 2 atom N, O₂ : terdiri dari dua atom O, CO : terdiri dari 1 atom C dan 1 atom O). Gas poliatomik = gas yang terdiri dari banyak atom (CO₂ : terdiri dari 1 atom C dan 2 atom O, SO₂ : terdiri dari 1 atom S dan 2 atom O, H₂S : terdiri dari 2 atom H dan 1 atom S). Gas monoatomik, gas diatomik dan gas poliatomik merupakan gas riil alias gas yang ada dalam kehidupan kita sehari-hari…

Sekarang perhatikan tabel di atas…. Tampak bahwa kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (12,47 J/Kg.K) hanya cocok dengan kapasitas kalor molekul gas monoatomik saja. Kapasitas kalor molekul gas diatomik dan poliatomik malah lebih besar dari 12,47 J/Kg.K. Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa menyimpulkan beberapa hal :

Pertama, karena kapasitas kalor molekul gas monoatomik = kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (12,47 J/Kg.K), maka kita bisa mengatakan bahwa molekul gas monoatomik memiliki kemiripan sifat dengan molekul gas ideal. Dalam teori kinetik gas, kita menanggap molekul gas ideal sebagai partikel alias titik. Karena dianggap sebagai partikel, maka molekul gas ideal hanya bisa melakukan gerak translasi. Karena hanya bisa melakukan gerak translasi, maka molekul gas ideal hanya mempunyai energi kinetik translasi saja… Nah, karena molekul gas monoatomik mempunyai kemiripan sifat dengan molekul gas ideal, maka kita bisa menganggap molekul gas monoatomik sebagai partikel alias titik. Karenanya molekul gas poliatomik hanya melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi maka molekul gas monoatomik hanya mempunyai energi kinetik translasi…

Kedua, karena kapasitas kalor molekul gas diatomik dan gas poliatomik lebih besar dari kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (>12,47 J/Kg.K) maka kita bisa mengatakan bahwa selain memiliki energi kinetik translasi, molekul gas diatomik dan poliatomik juga mempunyai energi kinetik jenis lain. Dengan demikian molekul gas diatomik dan poliatomik otomatis tidak hanya melakukan gerak translasi saja, tetapi juga melakukan gerak lain. Berdasarkan kenyataan ini, molekul gas diatomik dan poliatomik tidak bisa dianggap sebagai partikel alias titik. Ingat ya, partikel alias titik hanya bisa melakukan gerak translasi saja… Untuk mengatasi persoalan ini, kita bisa menganggap molekul gas diatomik sebagai dua titik (dua titik ini bisa dianggap seperti dua bola kecil yang elastis). Kedua bola elastis ini seolah-olah dihubungkan oleh sebuah “pegas”. Biar paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

Sebaliknya, molekul gas poliatomik bisa dianggap sebagai beberapa titik (beberapa titik ini bisa dianggap seperti beberapa bola kecil yang elastis). Bola-bola elastis tersebut seolah-olah dihubungkan oleh beberapa “pegas”.

Dengan adanya pemahaman yang baru mengenai struktur dalam molekul gas diatomik dan poliatomik, kita bisa menjelaskan jenis-jenis gerakan lain yang dilakukan oleh molekul-molekul tersebut. Jadi selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik dan poliatomik juga melakukan gerak rotasi. Tataplah gambar di bawah… (molekul gas diatomik yang berotasi)

Selain melakukan gerak translasi dan rotasi, molekul-molekul gas diatomik dan poliatomik juga melakukan gerak vibrasi. Tataplah gambar di bawah… (molekul gas diatomik yang bergetar)

Ketika melakukan gerak vibrasi, “pegas” dan atom-atom penyusun molekul gas diatomik dan poliatomik mempunyai energi kinetik dan energi potensial elastis. Ingat lagi pembahasan mengenai getaran pegas…

Catatan :

Pengertian energi kinetik dan energi kinetik translasi sedikit berbeda. Energi kinetik hanya berkaitan dengan gerak lurus saja, sedangkan energi kinetik translasi berkaitan dengan gerak translasi (gerak translasi bisa berupa gerak lurus, gerak parabola, gerakan acak dll)

Persoalan sekarang, kapasitas kalor molekul gas yang sudah kita turunkan secara teoritis berdasarkan teori kinetik gas (C = 3/2 R = 12,47 J/Kg.K) hanya berkaitan dengan energi kinetik translasi saja. Bagaimanapun, molekul gas diatomik dan poliatomik tidak hanya mempunyai energi kinetik translasi, tetapi juga mempunyai energi kinetik rotasi dkk… Bagaimanakah kita menghitung besarnya kapasitas kalor yang berkaitan dengan energi kinetik rotasi dkk ?

EKIPARTISI ENERGI

Persoalan kita di atas bisa dijelaskan menggunakan teorema ekipartisi energi. Teorema ekipartisi energi diturunkan secara teoritis oleh om Clerk Maxwell, menggunakan mekanika statistik. Kira’in om guru Disebut teorema karena tidak ada pembuktian melalui eksperimen. Mengenai mekanika statistik, nanti baru kita oprek… gurumuda tertarik juga, jadi tunggu saja tanggal mainnya… oya, ekipartisi energi artinya pembagian energi secara merata… (partisi = membagi). Ini terjemahan kasar saja. Terjemahan halusnya cari sendiri ya…

Biar dirimu lebih paham, gurumuda tulis lagi persamaan yang menyatakan hubungan antara EK translasi dan suhu mutlak gas ideal…

Keterangan :

EK rata2 = Energi Kinetik translasi rata-rata molekul gas ideal

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10^-23 J/K)

T = Suhu alias temperatur mutlak molekul gas ideal (K)

Proses penurunan persamaan ini sudah dijelaskan pada pembahasan sebelumnya (hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis gas). Energi kinetik translasi diturunkan dari gerak translasi yang mempunyai tiga komponen kecepatan, yakni komponen kecepatan pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z. Adanya 3 komponen kecepatan ini yang menyebabkan ada angka 3 pada persamaan di atas. Setiap komponen kecepatan disebut derajat kebebasan. Karena mempunyai 3 komponen kecepatan maka energi kinetik translasi memiliki 3 derajat kebebasan. Pake istilah yang aneh-aneh saja…

Teorema ekipartisi energi menyatakan bahwa energi yang ada harus terbagi secara merata pada semua derajat kebebasan. Dengan demikian, besarnya energi rata-rata untuk setiap derajat kebebasan adalah ½ kT.

Molekul gas monoatomik

Molekul gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul gas monoatomik mempunyai 3 derajat kebebasan.

Energi kinetik rata-rata untuk setiap molekul gas monoatomik adalah :

3 (½ kT) = 3/2 kT = 3/2 nRT.

Kapasitas kalor molekul gas monoatomik :

C = 3/2 R = 3/2 (8,315 J/mol.K) = 12,47 J/Kg.K

Molekul gas diatomik

Selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik juga melakukan gerak rotasi dan vibrasi. Jumlah derajat kebebasan untuk gerak translasi = 3. Jumlah derajat kesengsaraan untuk gerak rotasi dan vibrasi berapakah ? kita oprek dulu… tataplah gambar di bawah dengan penuh kebebasan…

Terdapat tiga sumbu rotasi, yakni sumbu x, y dan z. Gerak rotasi pada sumbu x tidak masuk dalam hitungan karena kedua atom yang membentuk molekul berhimpit dengan sumbu rotasi. Ingat ya, atom dianggap sebagai partikel alias titik. Ketika berhimpit dengan sumbu x, momen inersia kedua atom = 0. Dengan demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak rotasi = 2.

Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :

3(½ kT) + 2(½ kT) = 5/2 kT = 5/2 nRT.

Kapasitas kalor molekul gas diatomik :

C = 5/2 R = 5/2 (8,315 J/mol.K) = 20,79 J/Kg.K

Pending sebentar… Silahkan bandingkan dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen… tuh jauh di atas (lihat tabel). nilainya hampir sama… kapasitas kalor molekul yang diperoleh secara teoritis sedikit lebih besar dibandingkan dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang dipeoleh melalui eksperimen (tabel). Btw, perbedaannya sangat kecil… Sekarang coba kita tinjau gerak vibrasi…

Ketika melakukan gerak vibrasi, molekul gas diatomik mempunyai 2 jenis energi, yakni energi kinetik dan energi potensial elastis. Dengan demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak vibrasi = 2.

Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :

3(½ kT) + 2(½ kT) + 2(½ kT) = 7/2 kT = 7/2 nRT.

Kapasitas kalor molekul gas diatomik :

C = 7/2 R = 7/2 (8,315 J/mol.K) = 29,1 J/Kg.K

Silahkan bandingkan hasil ini dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen (lihat tabel nun jauh di atas)… Perbedaannya sangat besar… kok bisa ya ? molekul gas diatomik memiliki 7 derajat kebebasan (gerak translasi, rotasi dan vibrasi), karenanya nilai kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen seharusnya berkisar pada 29,1 J/Kg.J.

Ternyata pengaruh gerak vibrasi terhadap nilai kapasitas kalor molekul gas diatomik tergantung pada jangkauan suhu (T) juga. Eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya terjadi pada jangkauan suhu yang tidak terlalu lebar. Eksperimen terbaru yang dilakukan pada jangkauan suhu yang lebar memperlihatkan bahwa nilai kapasitas kalor molekul gas bergantung juga pada jangkauan suhu. Agar lebih memahami persoalan ini, mari kita tinjau variasi kapasitas kalor molekul gas hidrogen pada setiap suhu yang berbeda…

Hidrogen (H₂) termasuk gas diatomik. Gambar di atas menunjukkan variasi kapasitas kalor molekul gas hidrogen pada suhu alias temperatur yang berbeda. Nilai kapasitas kalor molekul sebesar 5/2 R = 20,79 J/Kg.K hanya berada dalam jangkauan temperatur sekitar 250 K sampai 750 K. Di bawah 250 K, kapasitas kalor molekul gas hidrogen berkurang secara teratur hingga mencapai 3/2 R = 12,47 J/Kg.K. Sebaliknya di atas 750 K, kapasitas kalor molekul gas bertambah secara teratur hingga mencapai 7/2 R = 29,1 J/Kg.K.

Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa mengatakan bahwa pada suhu rendah, molekul-molekul gas hanya melakukan gerak translasi saja. Setelah suhu meningkat, molekul-molekul gas baru melakukan gerak rotasi. Pada suhu yang tinggi, molekul-molekul gas saling bertumbukan sehingga atom-atom penyusun molekul tersebut melakukan gerak vibrasi. Jadi ketiga jenis gerak ini dilakukan secara bertahap, pertama cuma gerak translasi (suhu rendah), setelah itu translasi + rotasi (suhu sedang) dan yang terakhir translasi + rotasi + vibrasi (suhu tinggi)… Gerak vibrasi hanya terjadi jika molekul-molekul gas saling bertumbukkan.

Kasus seperti ini tidak hanya terjadi pada gas hidrogen saja tetapi gas lain juga. Dari eksperimen yang dilakukan oleh om-om ilmuwan, kapasitas kalor molekul gas lain juga cenderung berubah terhadap temperatur. Perubahan yang terjadi mirip seperti yang dialami oleh gas hidrogen, tapi karena struktur dalam setiap gas berbeda (jumlah dan jenis atom penyusunnya beda), maka perubahan kapasitas kalor juga terjadi pada jangkauan suhu yang berbeda…

Apa yang ditemukan ini bisa menjelaskan permasalahan kita di atas. Btw, hal ini melanggar teorema ekipartisi energi dan teori kinetik gas. Teorema ekipartisi energi mengatakan bahwa energi total harus terbagi secara merata untuk setiap derajat kebebasan. Kenyataannya, tambahan energi yang diperoleh molekul gas tidak dibagi secara merata untuk setiap derajat kebebasan, tetapi dibagi secara bertahap. Di samping itu, persamaan kapasitas kalor molekul gas yang telah kita turunkan secara teoritis berdasarkan teori kinetik gas, menyatakan bahwa kapasitas kalor molekul hanya bergantung pada R saja (1/2 R untuk setiap derajat kebebasan). Kenyataannya, kapasitas kalor molekul dipengaruhi juga oleh suhu (T)…

Akhirnya, tibalah kita pada kesimpulan yang menarik… Pertama, teorema ekipartisi energi diturunkan dari mekanika statistik klasik, yang didasarkan pada hukum-hukum mekanika Newton. Kedua, teori kinetik gas yang kita gunakan dalam menjelaskan gerakan molekul-molekul gas, juga didasarkan pada hukum-hukum mekanika newton. Nah, karena teorema ekipartisi energi dan teori kinetik gas telah dilanggar, maka kita bisa menyimpulkan bahwa hukum-hukum mekanika newton tidak mampu menjelaskan gerakan yang terjadi pada level atom atau molekul. Dengan kata lain, mekanika Newton alias mekanika klasik hanya bisa menjelaskan gerakan materi yang berukuran besar. Untuk materi yang ukurannya sangat kecil seperti atom atau molekul, mekanika Newton sudah tidak berlaku lagi… Penggantinya adalah mekanika kuantum. Tunggu tanggal mainnya

Energi Dalam gas ideal dan gas riil

Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi. Kali ini gurumuda ingin memperkenalkan kepada dirimu sebuah istilah yang aneh , yakni energi dalam (U). Terlebih dahulu kita oprek energi dalam gas ideal.

Catatan :

Gas monoatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul monoatomik. Gas diatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul diatomik. Gas poliatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul poliatomik. Molekul monoatomik (terdiri dari satu atom) hanya bisa melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul monoatomik hanya mempunyai energi kinetik translasi. Temannya molekul monoatomik adalah molekul diatomik (terdiri dari dua atom) dan molekul poliatomik (terdiri dari banyak atom). Selain melakukan gerak translasi, molekul diatomik dan molekul poliatomik juga bisa melakukan gerak rotasi dan vibrasi…

Energi dalam gas ideal monoatomik

Energi dalam gas ideal monoatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi molekul-molekul gas ideal monoatomik. Jumlah total energi kinetik translasi molekul-molekul gas ideal = hasil kali antara energi kinetik translasi rata-rata setiap molekul dengan jumlah molekul (N). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Coba oprek kedua persamaan ini, untuk membuktikan apakah kedua persamaan ini sama atau tidak (cek satuannya)

Keterangan :

U = Energi dalam gas ideal monoatomik (J)

N = Jumlah molekul

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10^-23 J/K)

T = Suhu mutlak (K)

n = Jumlah mol (mol)

R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

Energi dalam gas ideal diatomik

Energi dalam gas ideal diatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi molekul-molekul gas ideal diatomik. Sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, energi dalam gas ideal diatomik adalah :

Energi dalam gas ideal poliatomik

Energi dalam gas ideal poliatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi molekul-molekul gas ideal poliatomik. Sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, energi dalam gas ideal poliatomik adalah :

Catatan :

Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu alias temperatur saja (bandingkan dengan persamaan energi dalam gas ideal di atas)…

Energi dalam gas riil

Energi dalam gas riil bergantung juga pada suhu alias temperatur. Btw, ketika tekanan gas riil cukup besar (volume gas riil kecil), gas riil mulai menunjukkan perilaku menyimpang. Karenanya, bisa dikatakan bahwa energi dalam gas riil bergantung juga pada tekanan dan volume…

Sekian dan sampai jumpa lagi di episode berikutnya… bye…

Konon katanya di atmosfir planet bumi kesayangan kita ini tidak ada gas helium dan hidrogen bebas. Yang ada cuma nitrogen (78 %), Oksigen (21 %), argon (0,90 %), karbondioksida dkk… Wah, omong soal karbondioksida (CO₂) jadi takut Kayanya CO₂ makin bertambah saja dari hari ke hari. Bikin pinquin dan teman2nya di kutub pada stress. Stok es batu gratis di kutub mulai berkurang… Kayanya bukan Cuma pinquin dkk deh… Dirimu juga khan ? hiks2… Musim makin tidak jelas saja. Badai pun datang silih berganti. Semuanya karena ulah si CO₂. Nyambung tidak ? Masa hari gini tidak tahu pemanasan global. Kalau jumlah CO₂ di atmosfir bumi makin banyak, atmosfir bumi bisa berubah seperti atmosfir planet venus. Tetangga kita venus setiap hari kepanasan. Bukan cuma dekat sama matahari, tetapi karena CO₂ juga. Atmosfir venus hampir seluruhnya berisi CO₂. Pemanasan global di venus sudah dari dulu…Mudah2an bumi tidak menjadi venus yang berikutnya. he2… Btw, mengapa helium dan hidrogen bebas tidak ada di atmosfir kita ?

Orang bilang lain padang, lain belalang; lain planet, lain pula atmosfirnya. Atmosfir dari setiap planet yang ada di tata surya berbeda-beda. Kalau atmosfir venus banyak karbondioksida, atmosfir bumi paling senang koleksi nitrogen dan oksigen. Kalau atmosfir bumi tidak punya koleksi helium dan hidrogen bebas, atmosfir yupiter malah banyak helium dan hidrogen bebas. Lebih parah lagi satelit kesayangan bumi… si bulan tidak punya atmosfir alias kosong melompong. Hahaha… kaecian deh bulan. Aneh ya, mengapa jenis atmosfir setiapplanet berbeda-beda ? Bulan malah tidak kebagian rejeki… (atmosfer = lapisan udara yang menyelimuti planet)

Catatan :

Sebelum mempelajari topik ini, sebaiknya pelajari terlebih dahulu Teori atom dan Teori kinetik, wujud-wujud zat, hukum-hukum gas dan hukum gas ideal. Tujuannya biar dirimu lebih nyambung dengan penjelasan gurumuda. Ok, tancap gas…

Besaran Yang Menyatakan Sifat Makroskopis dan Mikroskopis Gas

Pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas, gurumuda sudah menjelaskan beberapa besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas. Besaran-besaran yang dimaksud adalah suhu alias temperatur (T), volume (V), tekanan (T) dan massa (m). Ketiga besaran ini bisa diukur secara langsung. Suhu bisa kita ukur dengan termometer. Volume juga bisa diukur. Apalagi tekanan dan massa… Nah, selain besaran makroskopis, terdapat juga besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas. Besaran-besaran yang menyatakan sifat mikroskopis antara lain kecepatan atau kelajuan (v), gaya (F), momentum (P) dan energi kinetik (EK) atom-atom atau molekul-molekul penyusun gas. Berbeda dengan besaran makroskopis, besaran mikroskopis tidak bisa diukur secara langsung. Ya iyalah, atom atau molekul saja tidak kelihatan Walaupun demikian, kita bisa mengetahui sifat mikroskopis gas dengan meninjau keterkaitan antara besaran makroskopis dengan besaran mikroskopis.

Sebelum meninjau hubungan antara besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas (suhu, volume dan tekanan) dengan besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas (kecepatan, gaya, momentum dan energi kinetik), terlebih dahulu kita pahami kembali konsep teori kinetik gas dan gas ideal. Kedua konsep dasar ini sangat penting dan tentu saja berkaitan dengan pembahasan kita kali ini. Ikuti saja jalan ceritanya… Orang sabar disayang pacar

Teori Kinetik Gas

Perlu diketahui bahwa pemahaman kita mengenai sifat mikroskopis gas sebenarnya didasarkan pada teori kinetik gas. Teori kinetik gas merupakan pengembangan dari teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom atau molekul dan atom atau molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan. Dugaan teori kinetik ini cocok dengan situasi dan kondisi atom atau molekul penyusun gas. Gaya tarik antara atom-atom atau molekul-molekul penyusun gas sangat lemah, karenanya atom atau molekul bisa bergerak sesuka hatinya.

Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK) dan momentum (p). Energi kinetik : EK = ½ mv². Sedangkan momentum : p = mv. Kayanya bukan cuma energi kinetik (EK) dan momentum (p) saja, tetapi gaya (F) juga. Atom atau molekul khan jumlahnya banyak tuh. Ketika mereka bergerak ke sana kemari, pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan. Jadi gaya muncul karena adanya perubahan momentum ketika terjadi tumbukan. Ingat lagi pembahasan mengenai impuls dan momentum. Energi kinetik, momentum dan gaya merupakan inti pembahasan kita pada materi dinamika (hukum newton, impuls dan momentum). Kita bisa mengatakan bahwa Teori kinetik gas sebenarnya menerapkan ilmu dinamika pada tingkat atom atau molekul penyusun zat gas.

Konsep Gas Ideal (berdasarkan sifat makroskopis gas)

Pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang lebar mengenai tiga besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas riil (gas riil = gas nyata. Contoh : oksigen, karbondioksida, dkk). Ketiga besaran yang dimaksud adalah Suhu (T), volume (V) dan Tekanan (P). Hubungan antara ketiga besaran makroskopis ini dinyatakan dalam Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay Lussac. Perlu diketahui bahwa ketiga hukum ini hanya berlaku untuk gas riil yang memiliki tekanan dan massa jenis (massa jenis = massa / volume) yang tidak terlalu besar. Ketiga hukum ini juga hanya berlaku untuk gas riil yang suhunya tidak mendekati titik didih.

Karena hukum om Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac tidak berlaku untuk semua kondisi gas riil, maka kita bisa membuat model gas ideal alias gas sempurna. Gas ideal tidak ada dalam kehidupan sehari-hari; yang ada dalam kehidupan sehari-hari cuma gas riil alias gas nyata. Gas ideal hanya bentuk sempurna yang sengaja dibuat untuk membantu analisis kita, mirip seperti benda tegar dan fluida ideal. Jadi kita menganggap hukum Boyle, hukumCharles dan hukum Gay-Lussac berlaku untuk semua kondisi gas ideal. Adanya model gas ideal ini juga sangat membantu kita dalam meninjau hubungan antara ketiga hukum gas di atas. Dengan kata lain, model gas ideal membantu kita meninjau hubungan antara besaran-besaran makroskopis gas. Hubungan antara besaran-besaran makroskopis gas telah dioprek dalam pembahasan mengenai Hukum-Hukum Gas dan Hukum Gas Ideal.

Hukum gas ideal dinyatakan dalam dua persamaan yang membuat diriku dan dirimu mabuk kepayang — PV = nRT (hukum gas ideal dalam jumlah mol) dan PV = NkT (hukum gas ideal dalam jumlah molekul). Kita menganggap bahwa gas ideal memenuhi kedua persamaan ini. Dengan kata lain, hukum gas ideal berlaku untuk semua kondisi gas ideal, baik ketika tekanan atau massa jenis gas ideal sangat besar maupun ketika suhu gas ideal mendekati titik didih. Sebaliknya, hukum gas ideal tidak berlaku untuk semua kondisi gas riil. Hukum gas ideal hanya berlaku ketika tekanan dan massa jenis gas riil tidak terlalu besar. Hukum gas ideal juga hanya berlaku ketika suhu gas riil tidak mendekati titik didih. Dari uraian singkat ini, kita bisa mengatakan bahwa gas riil memiliki kemiripan sifat dengan gas ideal hanya ketika massa jenis dan tekanan gas riil tidak terlalu besar + ketika suhu gas riil tidak mendekati titik didih.

Konsep gas ideal yang sudah gurumuda jelaskan panjang pendek di atas baru ditinjau berdasarkan sifat makroskopis. Walaupun gas ideal hanya merupakan model ideal saja, gas ideal tetap dianggap sebagai gas yang terdiri dari atom atau molekul yang bergerak bebas hilir mudik ke sana kemari. Karenanya, alangkah baiknya jika kita bahas juga konsep gas ideal ditinjau dari sudut pandang mikroskopis….

Konsep Gas Ideal (berdasarkan sifat mikroskopis gas)

Berikut ini beberapa uraian singkat yang menggambarkan kondisi mikroskopis gas ideal, yang didasarkan pada teori kinetik gas :

1. Gas ideal terdiri dari partikel-partikel, yang dinamakan molekul-molekul. Jumlah molekul sangat banyak. Molekul-molekul gas ideal bisa saja terdiri dari satu atom atau beberapa atom. Setiap molekul mempunyai massa (m) dan bergerak secara acak/sembarangan ke segala arah dengan laju tertentu (v).

2. Jarak antara setiap molekul lebih besar dari diameter masing-masing molekul.

3. Molekul-molekul tersebut mematuhi hukum gerak (hukum mekanika warisan eyang Newton) dan saling berinteraksi ketika terjadi tumbukan.

4. Tumbukan antara molekul dengan molekul atau antara molekul dengan dinding wadah merupakan tumbukan lenting sempurna dan setiap tumbukan terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Ingat ya, pada tumbukan lenting sempurna, berlaku hukum kekekalan energi (energi sebelum tumbukan = energi setelah tumbukan) dan hukum kekekalan momentum (momentum sebelum tumbukan = momentum setelah tumbukan).

Sampai di sini dirimu belum puyeng khan piss… Ok, kita lanjutkan perjalanan menuju pengoprekan rumus-rumus.

Hubungan antara sifat makroskopis dan sifat mikroskopis gas

Setelah puas jalan-jalan dengan gas ideal, sekarang mari kita tinjau hubungan kuantitatif antara besaran makroskopis dan besaran mikrokopis gas. Besaran-besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas adalah suhu (T), volume (V) dan tekanan (P). Sedangkan besaran-besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas adalah kecepatan aatau kelajuan (v), momentum (p), gaya (F) dan energi kinetik (EK) atom atau molekul penyusun gas. Dari pada kelamaan, nanti rumusnya bisa basi… Jadi lebih baik langsung kita oprek saja dalam tempo yang sesingkat-singkatnya….

Untuk membantu menurunkan hubungan ini, kita tinjau sejumlah molekul gas dalam sebuah wadah tertutup. Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…. Atom atau molekulnya suangat banyak, tapi kalau gambar semua nanti tanganku pegal-pegal. he2… Anggap saja satu butir ini mewakili teman-temannya yang lain. Oya, ukuran atom atau molekul sangat kecil sehingga tidak bisa dilihat. Warnanya juga belum tentu hitam Gambar di bawah diperbesar. Btw, Ini cuma ilustrasi saja…

Panjang sisi kotak = l dan luas penampangnya = A.

Ingat ya, si molekul juga punya massa (m). Ketika hilir mudik ke sana ke mari, molekul bergerak dengan laju tertentu (v). Karena wadah tertutup maka pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan antara molekul dengan dinding wadah yang mempunyai luas permukaan A.

Untuk mempermudah analisis, kita cukup meninjau tumbukan yang terjadi pada dinding sebelah kiri (dinding yang sejajar dengan sumbu z). Terlebih dahulu kita tinjau tumbukan yang dialami oleh satu molekul. Sebut saja molekul 1. Massa molekul 1 = m₁ dan laju gerakannya = v₁. Arah gerakan ke kiri ditetapkan bernilai negatif, sedangkan arah gerakan ke kanan ditetapkan bernilai positif.

Kita bisa mengandaikan bahwa sebelum menumbuk dinding wadah, gerakan molekul sejajar sumbu x dan arah gerakannya ke kiri. Karenanya terdapat komponen kecepatan pada sumbu x yang bernilai negatif (-v_1x). Karena punya massa (m₁) dan kecepatan (-v_1x), maka si molekul tentu saja punya momentum (p₁ = -m₁v_1x). Ini adalah momentum awal. Ketika menumbuk dinding, molekul memberikan gaya aksi pada dinding. Karena terdapat gaya aksi, maka dinding memberikan gaya reaksi. Adanya gaya reaksi dari dinding membuat si molekul bergerak kembali ke kanan. Istilah gaulnya, si molekul dipantulkan kembali. Karena arah gerakannya ke kanan maka komponen kecepatan molekul bernilai positif (v_1x). Momentum molekul setelah tumbukan adalah : p₂ = m₁v_1x. Ini adalah momentum akhir. Besarnya perubahan momentum akibat adanya tumbukan adalah :

Momentum total = momentum akhir – momentum awal

p_total = p₂ – p₁

p_total = m₁v_1x - (-m₁v_1x)

p_total = 2m₁v_1x

2m₁v_1x = momentum total untuk satu kali tumbukan. Karena tumbukan molekul merupakan tumbukan lenting sempurna, maka tumbukan yang terjadi tidak hanya sekali tetapi berulang kali. Ingat ya, pada tumbukan lenting sempurna berlaku hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum. Energi dan momentum sebelum tumbukan = energi dan momentum setelah tumbukan. Karenanya si molekul tidak akan pernah berhenti bergerak (energi kekal). Kecepatan molekul juga tidak pernah berkurang (momentum kekal)…

Setelah bertumbukan dengan dinding sebelah kiri, molekul bergerak ke kanan hingga menumbuk dinding sebelah kanan. Setelah menumbuk dinding sebelah kanan, molekul bergerak kembali ke kiri untuk menumbuk dinding sebelah kiri lagi. Karena panjang sisi kotak = l, maka setelah menumbuk dinding sebelah kiri untuk pertama kalinya, molekul akan menempuh jarak sejauh 2l sebelum menumbuk dinding sebelah kiri untuk kedua kalinya (2l = jarak pergi pulang). Sambil lihat gambar, biar tidak bingung… Ketika bergerak sejauh 2l, molekul pasti memerlukan selang waktu tertentu (sebut saja delta t). Besarnya selang waktu (delta t) yang diperlukan molekul untuk bergerak sejauh 2l, secara matematis ditulis seperti ini :

Bisa dikatakan bahwa Delta t adalah selang waktu antara setiap tumbukan. Ketika menumbuk dinding, molekul memberikan gaya aksi pada dinding. Karena mendapat gaya aksi maka dinding memberikan gaya reaksi. Adanya gaya reaksi tersebut membuat molekul bergerak lagi ke kanan. Dalam hal ini arah gerakan molekul berubah. Mula-mula molekul bergerak ke kiri (-v₁x), setelah menumbuk dinding, molekul bergerak ke kanan (v₁x). Perubahan arah gerakan menyebabkan terjadinya perubahan momentum (momentum akhir – momentum awal = m₁v_1x – (-m₁v_1x) = 2m₁v_1x). Kita bisa mengatakan bahwa perubahan momentum terjadi karena adanya gaya total yang diberikan oleh dinding. Ingat lagi hukum II Newton dalam bentuk momentum. Besarnya gaya total yang diberikan oleh dinding, secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Pada kotak di atas hanya digambarkan satu butir molekul. Ini tidak berarti bahwa molekul gas yang ada dalam kotak cuma satu. Satu butir molekul tersebut Cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya terdapat banyak sekali molekul gas… Besarnya gaya total untuk semua molekul gas yang ada dalam kotak, secara matematis bisa ditulis seperti ini :

F = F₁ + F₂ + F₃ +….. + F_n

F₁ = gaya total untuk molekul 1

F₂ = gaya total untuk molekul 2

F₃ = gaya total untuk molekul 3

…… = dan seterusnya

F_n = gaya total untuk molekul 4

Jumlah molekul sangat banyak, sehingga kita cukup menulis simbol n. Simbol n = molekul yang terakhir. Lebih simpel dan tidak bikin pusink

m₁ = massa molekul 1, m₂ = massa molekul 2, m₃ = massa molekul 3, m_n = massa molekul terakhir. m₁ + m₂ + m₃ + ….. + m_n = m (massa gas yang ada dalam kotak). l = panjang sisi kotak. Semua molekul pasti menempuh l yang sama… Kita oprek lagi persamaan di atas :

v₁²x = kecepatan molekul 1, v₂²x = kecepatan molekul 2, v₃³x = kecepatan molekul 3, v_n²x = kecepatan molekul terakhir. Kecepatan setiap molekul berbeda-beda, karenanya kita perlu menghitung kecepatan rata-rata semua molekul. Untuk menghitung kecepatan rata-rata molekul, kita bisa membagi kecepatan semua molekul dengan jumlah molekul. Dalam teori kinetik gas, jumlah molekul biasanya diberi simbol N. Secara matematis, kecepatan rata-rata semua molekul ditulis seperti ini :

Kita gabungkan persamaan 2 dengan persamaan 1 :

Pada penjelasan sebelumnya, gurumuda membuat pengandaian bahwa gerakan molekul sejajar dengan sumbu x. Pengandaian ini dibuat untuk mempermudah analisis saja. Dalam kenyataannya, semua molekul gas dalam kotak bergerak ke segala arah secara acak alias sembarangan. Karena gerakannya terjadi secara acak, maka selain mempunyai komponen kecepatan rata-rata pada sumbu x, molekul juga mempunyai komponen kecepatan rata-rata pada sumbu y atau sumbu z. Dengan demikian, kecepatan rata-rata molekul gas = jumlah total komponen kecepatan rata-rata pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z. Secara matematis ditulis seperti ini :

Karena molekul bergerak secara acak, maka komponen kecepatan pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z memiliki besar yang sama. Secara matematis ditulis seperti ini :

Kita gabungkan persamaan b dengan persamaan a :

Kita masukkan persamaan c ke dalam persamaan 3 (tuh di atas) :

F = besarnya gaya yang diberikan oleh molekul-molekul gas pada dinding wadah yang mempunyai luas permukaan A. Istirahat dulu dunk, masa gak capek

Hubungan antara Tekanan (P) dengan Besaran Mikroskopis

Tekanan (P) merupakan salah satu besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas. Pada kesempatan ini kita mencoba meninjau Tekanan berdasarkan sifat mikroskopis gas.

Besarnya Tekanan yang diberikan oleh molekul gas pada dinding yang memiliki luas penampang A adalah :

Ini dia persamaan yang dicari.

Keterangan :

Hubungan antara Suhu alias Temperatur (T) dengan Besaran Mikroskopis

Selain tekanan, salah satu besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas adalah suhu (T). Sebelumnya kita sudah mengoprek Tekanan. Kali ini giliran si suhu alias temperatur. Sekarang tataplah persamaan Tekanan di atas dengan penuh kelembutan…

Apabila kita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan V, maka persamaan Tekanan gas di atas berubah bentuk menjadi seperti ini :

Sekarang kita bongkar pasang ruas kanan persamaan ini :

Dirimu masih ingat persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul ? Kalo lupa, neh persamaannya :

Sekarang perhatikan persamaan a dan persamaan b. Mirip tapi tak sama ya…. Ruas kirinya sama, sedangkan ruas kanannya hampir sama. Karena ruas kirinya sama, maka kedua persamaan tersebut bisa kita gabungkan….

Jika kita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan 3/2 maka persamaan ini akan berubah bentuk menjadi seperti ini :

Keterangan :

Tataplah persamaan Suhu mutlak vs Energi Kinetik translasi di atas. Tampak bahwa suhu alias temperatur (T) berbanding lurus dengan Energi Kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas. Semakin besar suhu, semakin besar energi kinetik tranlasi rata-rata; sebaliknya semakin kecil suhu, semakin kecil energi kinetik translasi rata-rata. Kita bisa menyimpulkan bahwa suhu merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul.

Persamaan suhu mutlak vs Energi Kinetik translasi 2 bisa dioprek ke dalam bentuk yang berbeda :

Keterangan :

n = jumlah mol (mol)

R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

T = Suhu mutlak (K = Kelvin)

EK rata2 Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas (Kgm²/s² = Joule)

Keterangan rumus :

Ayo kita lakukan pembuktian rumus :

Catatan :

Pertama, energi kinetik translasi tuh energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau molekul yang melakukan gerak translasi. gerak translasi bisa berupa gerak lurus, gerak miring atau gerak parabola. Temannya energi kinetik translasi adalah energi kinetik rotasi. Energi kinetik rotasi = energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau molekul yang melakukan gerak rotasi…

Kedua, energi kinetik translasi rata-rata pada persamaan di atas hanya berlaku untuk gas monoatomik saja. Gas monoatomik tuh seperti He (helium), Ar (Argon) dkk… Selain gas monoatomik, ada juga yang namanya gas diatomik. Contoh gas diatomik adalah O₂ (oksigen), N₂ (nitrogen), CO (karbon monooksida) dkk. Ada juga yang namanya gas poliatomik. Contohnya CO₂ (karbondioksida) dkk…. Monoatomik = satu atom, diatomik = dua atom, poliatomik = banyak atom. Jadi gas monoatomik terdiri dari satu atom saja, gas diatomik terdiri dari dua atom dan gas poliatomik terdiri dari banyak atom… Energi kinetik translasi rata-rata untuk gas diatomik dan poliatomik akan kita oprek pada episode berikutnya (Pada pembahasan mengenai Teorema Ekipartisi Energi)

Ketiga, suhu mutlak harus dinyatakan dalam skala Klevin (K). Kalau suhu masih dalam skala Celcius (^oC), oprek terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin (K).

Keempat, persamaan 1 dan persamaan 2 di atas tidak hanya berlaku pada zat gas saja, tetapi juga berlaku pada zat cair dan zat gas….

Contoh soal :

Berapakah energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul dalam gas pada suhu 40 ^oC ?

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K

T = 40 ^oC + 273 = 313 K

Kecepatan Akar Kuadrat Rata-rata (v_rms)

Kecepatan akar kuadrat rata-rata = root mean square = v_rms. Kita bisa menurunkan persamaan v_rms dengan mengobok-obok persamaan Suhu vs Energi Kinetik translasi di atas.

Keterangan :

v rms = kecepatan atau laju akar kuadrat rata-rata (m/s)

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10^-23 J/K)

T = Suhu mutlak (K = Kelvin)

m = massa (kg)

Persamaan v rms di atas bisa diobok2 ke dalam bentuk lain :

Keterangan :

v rms = kecepatan atau laju akar kuadrat rata-rata (m/s)

R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

N_A = Jumlah molekul per mol = Bilangan avogadro (N_A = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol)

T = suhu (K)

M = massa molekul = massa molar (kg/kmol atau gram/mol)

Disribusi Kelajuan Molekul

Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, setiap molekul dalam gas tidak mempunyai laju yang sama. v_rms yang telah diturunkan di atas merrupakan laju rata-rata dari molekul-molekul dalam gas. Ada molekul yang lajunya lebih besar dari v_rms, ada juga molekul yang lajunya lebih kecil dari v_rms.

Pada tahun 1859, om James Clerk Maxwell (1831-1879) berhasil menemukan distribusi laju molekul-molekul dalam gas secara teoritis (tidak pake percobaan, tapi pake hitung-hitungan). Distribusi laju molekul temuan Om maxwell ini diperoleh berdasarkan teori kinetik, karenanya lebih tepat untuk molekul-molekul gas ideal. Distribusi laju molekul om Maxwell tampak seperti grafik di bawah…. Btw, dirimu ngerti distribusi tidak ? distribusi tuh apa ya…. bingung juga nyari bahasa sederhananya. Distribusi tuh penyebaran atau sebaran….

Pada tahun 1920, beberapa om ilmuwan melakukan percobaan untuk menyelidiki distribusi laju molekul-molekul gas riil alias gas nyata. Ternyata distribusi laju molekul gas riil yang ditemukan melalui percobaan persis seperti temuan om Maxwell. Hebat juga ya si om Maxwell… Kayanya rambutnya dah pada rontok tuh

Catatan :

Ketika kerapatan alias massa jenis gas cukup tinggi, distribusi laju molekul gas riil yang diperoleh melalui eksperimen ternyata tidak cocok dengan distribusi laju molekul gas yang diturunkan oleh om maxwell secara teori. Dengan demikian, distribusi maxwell yang didasarkan pada teori kinetik gas “klasik” (menggunakan mekanika Newton) bersifat terbatas. Distribusi laju molekul gas pada kerapatan yang tinggi bisa dijelaskan dengan prinsip-prinsip kuantum. Mengenai hal ini akan dibahas pada episode yang akan datang (fisika kuantum etc).

Distribusi laju molekul gas riil yang diperoleh melalui percobaan tampak seperti gambar di bawah…

Gambar ini menunjukkan distribusi laju molekul gas riil untuk dua suhu yang berbeda. Grafik distribusi laju molekul yang diperoleh melalui percobaan ini cocok dengan persamaan v rms yang telah kita oprek di atas (v rms berbanding lurus dengan suhu). Karena v rms berbanding lurus dengan suhu maka ketika suhu semakin meningkat (T₂), kurva distribusi laju molekul semakin bergeser ke kanan (v rms makin besar).

E_A (energi aktivasi) merupakan energi kinetik minimum yang diperlukan untuk terjadinya reaksi kimia. Dari grafik di atas, tampak bahwa semakin tinggi suhu, jumlah molekul yang memiliki energi kinetik lebih besar dari energi aktivasi (E_A) semakin banyak. Ini yang menjadi alasan, mengapa semakin tinggi suhu, semakin cepat terjadinya reaksi kimia. Semakin tinggi suhu, energi kinetik molekul juga semakin besar. Karena energi kinetik molekul besar, maka ketika terjadi tumbukan, molekul-molekul tersebut bisa saling menempel… Jadi tidak perlu pake heran kalau semakin tinggi suhu, semakin cepat terjadi reaksi kimia. Pernah praktikum kimia ? Kalau pernah, dirimu lebih nyambung dengan penjelasan ini. Kalau belum, nanti pas mau praktikum, buka lagi blog gurumuda ya

Uda dulu ya… neh dah 20 halaman lho di ms word… Oya, sebelum pamitan, mari kita obok-obok laju rms beberapa gas berikut ini. Nanti kita akan membuat perbandingan antara v rms gas dengan kelajuan lepas (kelajuan lepas tuh kelajuan minimum yang diperlukan untuk kabur dari permukaan bumi. Melancong ke luar angkasa). Makin besar v rms gas, makin besar kemungkinan si gas bertamasya ke luar angkasa…

Contoh soal 1 :

Tentukan v_rms dari molekul Nitrogen (N₂) dalam udara yang bersuhu 20 ^oC… (massa molekul Nitrogen = 28 gram/mol = 28 kg/kmol)

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K = 1,38 x 10^-23 (kg m²/s²)/K

T = 20 ^oC + 273 = 293 K

Massa molar/Massa molekul N₂ (M) = 2 x 14 u = 2 x14 gram/mol = 28 gram/mol = 28 kg/kmol (massa atom N = 14 u. lihat tabel periodik unsur)

Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (N_A) = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol

Massa Nitrogen (m) = ?

Laju rms Nitrogen (v rms) = ?

Contoh soal 2 :

Tentukan v_rms dari Helium (He) dalam udara yang bersuhu 20 ^oC…. (massa molekul Helium = 4 gram/mol = 4 kg/kmol)

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K

T = 20 ^oC + 273 = 293 K

Massa molar/Massa molekul He (M) = 4 u = 4 gram/mol = 4 kg/kmol (massa atom He = 4 u. lihat tabel periodik unsur)

Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (N_A) = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol

Massa He (m) = ?

Laju rms He (v rms) = ?

Contoh soal 3 :

Tentukan v_rms dari Hidrogen (H₂) dalam udara yang bersuhu 20 ^oC…. (massa molekul Hidrogen = 2 gram/mol = 4 kg/kmol)

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K

T = 20 ^oC + 273 = 293 K

Massa molar/Massa molekul Hidrogen (M) = 2 x 1 u = 2 u = 2 gram/mol = 2 kg/kmol (massa atom H = 1 u. lihat tabel periodik unsur)

Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (N_A) = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol

Massa H₂ (m) = ?

Laju rms H₂ (v rms) = ?

Contoh soal 4 :

Tentukan laju rms dari molekul oksigen (O₂) dalam udara yang bersuhu 20 ^oC… (massa molekul O₂ = 32 gram/mol = 44 kg/kmol)

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K

T = 20 ^oC + 273 = 293 K

Massa molar/Massa molekul Oksigen (M) = 2 x 16 u = 32 u = 32 gram/mol = 32 kg/kmol (massa atom O = 16 u. lihat tabel periodik unsur)

Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (N_A) = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol

Massa O₂ (m) = ?

Laju rms H₂ (v rms) = ?

Contoh soal 5 :

Tentukan laju rms dari molekul karbondioksida (CO₂) dalam udara yang bersuhu 20 ^oC… (massa molekul CO₂ = 44 gram/mol = 44 kg/kmol)

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K = 1,38 x 10^-23 (kg m²/s²)/K

T = 30 ^oC + 273 = 293 K

Massa molar/Massa molekul CO₂ (M) = 12 u + (2 x 16 u) = 12 u + 32 u = 44 u = 44 gram/mol = 44 kg/kmol (massa atom C = 12 u, massa atom O = 16 u. Lihat tabel periodik unsur)

Jumlah molekul/mol = Bilangan Avogadro (N_A) = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol

Massa CO₂ (m) = ?

Laju rms CO₂ (v rms) = ?

Sekarang mari kita bandingkan v_rms beberapa jenis gas… Gurumuda tulis lagi hasil pengoprekan soal di atas :

v_rms Hidrogen (H₂) = 1917 m/s = 1,92 km/s (pada suhu 20 ^oC)

v_rms Helium (He) = 1355,7 m/s = 1,36 km/s (pada suhu 20 ^oC)

v_rms Nitrogen (N₂) = 510,75 m/s = 0,51 km/s (pada suhu 20 ^oC)

v_rms Oksigen (O₂) = 478,4 m/s = 0,48 km/s (pada suhu 20 ^oC)

v_rms karbondioksida (CO₂) = 407,6 m/s = 0,41 km/s (pada suhu 20 ^oC)

Gas yang memiliki laju rms terbesar adalah Hidrogen dan yang terkecil adalah Karbondioksida.

Sekarang coba bandingkan dengan kelajuan lepas di permukaan bumi (kelajuan lepas = 11,2 km/s). Kelajuan lepas tuh kelajuan minimum yang diperlukan untuk kabur dari planet bumi (keluar dari medan gravitasi bumi). Ingat lagi materi hukum kakek Newton tentang gravitasi….

Apabila v rms molekul gas hanya 1/6 kali kelajuan lepas (1/6 x 11,2 km/s = 1,86 km/s), maka cukup banyak molekul gas yang kelajuannya lebih besar dari kelajuan lepas (ingat distribusi laju molekul yang sudah dioprek di atas). Pada suhu 20 ^oC, v rms gas Hidrogen = 1,92 km/s (> 1,86 km/s). Sedangkan v rms gas helium pada suhu 20 ^oC = 1,36 km/jam (mendekati 1,86 km/s). Neh baru pada suhu 20 ^oC. Semakin besar suhu, semakin besar v rms. Semakin besar v rms, peluang untuk jalan-jalan ke luar angkasa semakin besar. Karenanya dirimu jangan pake heran kalau Helium dan Hidrogen bebas tuh tidak ada di atmosfir kita… Mereka sedang tamasya di luar angkasa. Sebaliknya, v rms oksigen dkk cukup kecil sehingga mereka dilarang bertamsya ke luar angkasa. Kalau Oksigen juga kabur, nanti dirimu dan diriku bisa lemas tak berdaya. Mau bernapas pake apa ? Jangan tanya gurumuda mengapa helium dan hidrogen bebas dibiarkan jalan-jalan ke luar angkasa, sedangkan oksigen, nitrogen dkk dikurung di permukaan bumi. Anggap saja ini takdir…

Seandainya diameter bumi makin kecil dan pemanasan global juga bikin udara makin panas, maka gas oksigen dkk pun ikut2an kabur.. huft… Matilah kita

Besarnya kelajuan lepas planet dan laju rms molekul gas menentukan jenis atmosfir yang dimiliki oleh planet atau satelit. Kelajuan lepas planet venus = 10,3 km/s. Katanya atmosfir planet venus penuh dengan gas CO₂… v rms CO₂ sangat kecil jadi agak sulit kabur. si venus senang mengoleksi gas CO₂. Cocok untuk pemanasan global di venus. Kalau Yupiter mau beda sendiri. Kelajuan lepas yupiter = 60 km/s. Cukup besar karena diameter si yupiter khan lumayan besar. Hidrogen tidak bisa kabur dari atmosfir yupiter… Apalagi helium dkk…

Wah, apalagi ini… Baru baca judulnya langsung mumet kali ini topiknya agak garing jadi kita serius dulu ya, kawan ya… jangan langsung kabur gitu dunk. Persamaan keadaan = persamaan yang menyatakan keadaan alias kondisi gas, seperti suhu, tekanan, volume dan massa gas. Van der walls bukan sejenis stom walls tapi nama seorang fisikawan Belanda, J. D. van der Waals (1837-1923). Persamaan keadaan van der Waals sebenarnya merupakan persamaan keadaan gas, mirip seperti persamaan keadaan gas ideal. Bedanya, persamaan gas ideal tidak bisa memberikan hasil yang akurat apabila tekanan dan massa jenis alias kerapatan gas riil cukup besar. Sedangkan persamaan keadaan van der Waals bisa memberikan hasil yang lebih akurat.

Adanya persamaan ini berawal dari keprihatinan om Waals akan keterbatasan persamaan keadaan gas ideal. Karena pingin mengabadikan namanya dalam ilmu fisika maka om waals memodifikasi persamaan keadaan gas ideal, dengan menambahkan beberapa faktor yang turut mempengaruhi kondisi gas riil, ketika tekanan dan massa jenis gas riil cukup besar.

Catatan :

Tekanan gas biasanya berbanding terbalik dengan volume. Apabila tekanan gas bertambah, maka volume gas berkurang. Atau sebaliknya, jika volume gas berkurang maka tekanan gas bertambah. Ketika volume gas berkurang, kerapatan gas biasanya bertambah (kerapatan =massa jenis = massa/Volume). Bisa dikatakan bahwa tekanan berbanding lurus dengan kerapatan. Kalau tekanan gas besar, maka kerapatan gas juga besar . Sebaliknya, kalau tekanan gas kecil, maka kerapatan gas juga kecil. Tekanan gas juga berbanding lurus dengan suhu. Ingat lagi pembahasan mengenai hukum-hukum gas. Jika tekanan gas bertambah, suhu gas meningkat.Kita bisa menyimpulkan bahwa apabila tekanan gas bertambah, maka suhu dan kerapatan gas ikut2an bertambah, sedangkan volume gas berkurang.

Ketika volume gas berkurang, jarak antara molekul menjadi lebih dekat. Untuk memudahkan pemahamanmu, perhatikan gambar di bawah. Titik hitam mewakili molekul. Gambar ini disederhanakan menjadi dua dimensi. Anggap saja ini gambar 3 dimensi… volume kotak = panjang x lebar x tinggi. Volume kotakbisa dianggap sebagai volume gas. Btw, ini cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya, molekul-molekul gas tidak diam seperti titik dalam kotak di bawah. Molekul-molekul gas selalu bergerak…

Jarak antara molekul dalam kotak bervolume besar cukup jauh (gambar kiri). Sebaliknya jarak antara molekul dalam kotak bervolume kecil (gambar kanan) cukup dekat. Pada saat jarak antara molekul menjadi lebih dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Mirip seperti ketika dirimu mendekatkan sepotong besi pada magnet. Kalau jarakantara magnet dan besi cukup jauh, magnet tidak bisa menarik besi. Tapi kalau jarak antara magnet dan besi dekat, si besi langsung ditarik semakin dekat. Ini cuma ilustrasi saja… dirimu jangan membayangkan molekul seperti magnet dan besi. Kalau magnet dan besi saling nempel, molekul tidak saling nempel Kasusnya beda… Ketika molekul-molekul hendak berciuman, elektron-elektron yang berada pada bagian luar molekul saling tolak menolak (gaya tolak elektris). Akibatnya, molekul-molekul tidak bisa saling nempel… Dari uraian singkat ini, bisa dikatakan gaya tarik menarik antara molekul turut mempengaruhi kondisi gas. Karenanya gaya tarik menarik antara molekul perlu diperhitungkan juga…

Di samping itu, pada saat tekanan gas cukup besar sehingga volume gas menjadi kecil, jarak antara molekul-molekul menjadi lebih dekat. Dalam hal ini, molekul-molekul memenuhi hampir seluruh volume gas. Karena molekul-molekul juga mempunyai ukuran (diameter atom = 10^-10 m) maka kita juga perlu memperhitungkan volume molekul-molekul tersebut…

Karena merasa prihatin dengan keterbatasan persamaan keadaan gas ideal (PV = nRT), om van der Waals menurunkan sebuah persamaan keadaan, dengan memperhitungkan volume molekul dan interaksi yang terjadi antara molekul-molekul. Persamaan yang diturunkan oleh om van der Waals merupakan hasil modifikasi persamaan keadaan gas ideal PV = nRT.

Keterangan :

P = Tekanan gas (N/m² = Pa)

V = Volume gas (m³)

R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

T = Suhu alias temperatur (K)

a = Konstanta empiris (nilainya bergantung pada gaya tarik menarik antara molekul gas)

b = konstanta empiris (mewakili volume satu mol molekul gas)

n = Jumlah mol (mol)

bn = Volume total dari molekul-molekul gas

Konstanta a dan b diperoleh melalui eksperimen. Nilai konstanta a dan b bergantung pada jenis gas.

n²/V² = perbandingan kuadrat jumlah mol (n) dengan kuadrat volume gas (V). Nilai n²/V² bergantung pada tekanan dan kerapatan gas. Apabila tekanan gas (P) besar, maka volume gas (V) menjadi kecil. Semakin kecil V, semakin besar n²/V²… Ketika volume gas kecil (n²/V² besar) maka jarak antara molekul menjadi lebih dekat…. Semakin dekat jarak antara molekul, semakin besar kemungkinan terjadi interaksi antara molekul-molekul tersebut (bertumbukan, saling tarik menarik). Karenanya n²/V² berbanding lurus dengan konstanta a (bandingkan dengan persamaan van der Waals di atas – ruas kiri). Semakin besar nilai n²/V², semakin besar juga gaya tarik antara molekul-molekul (a). Sebaliknya, apabila tekanan gas (P) kecil, maka volume gas (V) menjadi besar. Semakin besar V, semakin kecil n²/V². Semakin kecil n²/V², gaya tarik antara molekul juga semakin kecil. Karenanya ketika tekanan gas kecil/tidak terlalu besar, an²/V² bisa diabaikan…

(V – bn) = Selisih antara volume gas dengan volume total molekul-molekul gas. Konstanta b menyatakan besarnya volume satu mol molekul gas. n = jumlah mol. Hasil kaliantara b dan n (bn) = jumlah volume total molekul-molekul gas. Jika tekanan gas (P) semakin besar maka volume gas (V) semakin kecil. Semakin kecil V, semakin kecil (V – bn). Ini berarti jarak antara molekul bertambah dekat dan tentu saja gaya tarik antara molekul-molekul semakin besar. Sebaliknya, jika tekanan gas semakin kecil, maka volume gas semakin besar. Semakin besar volume gas, semakin besar (V – bn). Semakin besar (V – bn), semakin kecil gaya tarik antara molekul-molekul gas. Dengan demikian, ketika tekanan gas tidak terlalu besar, (V – bn) bisa diabaikan….

Kita bisa mengatakan bahwa persamaan keadaan van der Waals menggambarkan keadaan gas riil secara lebih teliti dibandingkan dengan persamaan gasideal. Ketika tekanan dan kerapatan gas cukup besar maka persamaan van der Waals memberikan hasil yang lebih akurat. Btw, apabila tekanan gas tidak terlalu besar, maka (an ²/V²) dan (V – bn) bisa diabaikan, sehingga persamaan keadaan van der Waals akan berubah menjadi persamaan keadaan gas ideal (Hukum gas ideal). Sekian dan sampai jumpa lagi di episode berikutnya… semoga dirimu tidak pusink2 setelah bergulat dengan om waals