GAS DAN TITIK NOL ABSOLUT

Tujuan :

Setelah melakukan percobaan, dapat menerangkan kelakuan gas pada

volume konstan dengan kondisi tekanan dan temperatur yang berbeda.

Dapat mengerti prinsip kerja Hg-U manometer dan termometer gas.

Dapat membedakan antara skala Celcius dan skala Kelvin, dan

memperkirakan temperatur nol absolut.

Perincian kerja :

Menyelidiki kelakuan gas pada berbagai kondisi tekanan, temperatur (Hukum

gas).

Menggunakan Hg – U manometer.

Menentukan koefisisen ekspansi untuk udara.

Menentukan/memperkirakan temperatur titik nol absolut.

Menggunakan termometer digital dan termokopel.

Alat yang Digunakan :

Gelas kimia 500 ml 1 Buah

Labu leher bulat 1000 ml 1 Buah

Termometer 3 Buah

Manometer Hg – U 1 Buah

Pipa kaca dan pengaduk 1+1 Buah

Sumbat labu leher bulat 1 Buah

Klem + Selang 2+3 Buah

Penangas uap 1 Buah

Bahan yang digunakan :

Aquadest

Es

Dasar Teori :

Hukum-hukum gas :

Hukum Boyle

Penemuan bahwa tekanan udara dapat diukur dalam bentuk tinggi

kolom cairan, segera mendorong pengkajian yang cermat mengenai

perubahan volume contoh-contoh gas dengan berubahnya tekanan. Perilaku

yang dibuktikan oleh eksperimen yang serupa bersifat khas dari semua gas.

Pada temperatur konstan apa saja, makin besar tekanan suatu contoh gas,

makin kecil volumenya. Karena semua gas bertindak seperti ini disebut suatu

hukum alam. Pertama kali diperagakan kira-kira dalam tahun 1660 oleh

Robert Boyle, hukum ini dikenal dengan hukum Boyle. Jika temperatur tetap

konstan, volume suatu massa tertentu berbanding terbalik dengan tekanan.

Secara matematis dapat ditulis :

Dengan menggunakan data dari contoh khusus nampak bahwa

perkalian tekanan dan volume adalah konstan:

1.480 mm x 50 ml = 74.000 mm.ml

740 mm x 100 ml = 74.000 mm.ml

Artinya : v = Konstan jika dinyatakan secara matematis dengan cara lain.

…………… (1)

Lambang V1 dan P1 merujuk ke volume dan tekanan awal, V2 dan P2

merujuk ke volume dan tekanan pada kondisi baru atau yang telah diubah.

Memecahkan masalah-masalah Hukum Gas

Banyak diantara masalah yang berkaitan dengan hukum gas yang

dapat dipecahkan dengan cara sistematis yang sama. Pertama, harus

dipahami bahwa untuk memeriksa dengan lengkap suatu contoh gas, empat

besaran harus diketahui : Banyaknya materi yang ada (Dinyatakan dalam

massa atau banyaknya mol), Volume, Tekanan dan Temperatur. Kedua,

seringkali ternyata menolong untuk mendaftar satu perangkat kondisi yang

memberikan gas itu dalam keadaan aslinya dan seperangkat lain yang

memerikan gas itu dalam keadaan yang telah berubah. Biasanya problem itu

dapat dirumuskan sebagai problem dimana suatu besaran anu dalam

keadaan berubah harus dicari.

Katakan terdapat gas dengan massa tertentu m, menghuni volume asli

V1, pada tekanan tertentu P1, dan gas itu diubah ke tekanan P2. problemnya

ialah menghitung volume V2 dalam keadaan terubahkan. Informasi tambahan

ialah bahwa temperatur awal dan akhir sama, sebesar T. Tentu saja

diandaikan (Biasanya tidak disebut) bahwa tak ada kebocoran dalam alat,

sehingga massa gas juga konstan. Dapatlah informasi ini ditata dalam tabel

berikut:

m V P T

Asli k V1

(diketahui)

P1

(diketahui)

k

Diubah k V2 (?) P2

(diketahui)

k

Untuk menyatakan bahwa suatu variabel tidak berubah, ditulis

lambang k, yang menunjukkan suatu tetapan (konstanta). Mentabelkan

informasi itu akan memperjelas bahwa hanya tekanan dan volume berubah,

dan karena itu hukum Boyle dapat diterapkan.

Pengaruh Temperatur

Jika kuantitas tertentu gas dikurung pada tekanan konstan dalam

sebuah bejana, volume gas akan berubah dengan temperatur. Gas terkurung

diatas cairan dalam suatu silinder berskala yang diselubungi suatu selubung

lewat mana dapat dialirkan suatu cairan pada temperatur tertentu. bila

temperatur dinaikkan, volume gas bertambah, bila diturunkan volume

berkurang. Dengan menaik turunkan labu pengatur permukaan cairan,

permukaan dalam labu ; dengan cara ini tekanan gas yang terkurung dapat

dijaga agar konstan dan sama dengan tekanan udara luar (tekanan gas

dapat juga dibuat konstan dibawah atau diatas tekanan udara luar, dengan

meletakkan labu itu pada posisi yang benar).

Katakan suatu silinder mengandung 100 ml udara kering pada 0C.

Tabel 4-1 mencantumkan volume udara itu pada pelbagai temperatur lain.

Untuk mengurung udara dibawah –38,87C, haruslah digunakan cairan lain

pengganti merkurium, karena merkurium membeku pada dan dibawah

temperatur itu ; juga diatas 100C penguapan merkurium mulai menambah

volume gas yang terkurung.

Tabel 4.1 Perubahan volume udara dengan berubahnya

temperatur, pada tekanan konstan.

Temperatur, C

273

200

150

100

50

0

- 50

Volume, ml

200

173

155

137

128

100

82

- 100

- 150

63

45

Data dari tabel dialurkan pada grafik pada gambar 4.3. Dalam jangka

temperatur yang luas, terdapat hubungan garis lurus antara perubahan

temperatur dan perubahan volume. Pada temperatur yang sangat rendah,

udara akan mencair. Volume mengecil secara mendadak bila terbentuk

cairan. Hubungan garis lurus antara temperatur dan volume menunjukkan

bahwa perubahan dalam volume gas berbanding lurus dengan perubahan

temperatur, artinya :

ΔV α ΔT

Kesebandingan ini pertama-tama dijumpai oleh ilmuan Perancis, Jacque

Charles kira-kira dalam tahun 1787 dan dinyatakan dalam rumus umum oleh

J.L. Gay-Lussac dalam tahun 1802.

Skala Mutlak Temperatur

Ekstrapolasi garis lurus dalam Gambar 4.3 mendorong ke gagasan

bahwa seandainya temperatur cukup direndahkan volume yang dihuni oleh

udara itu akan menjadi nol. Meskipun sukar dibayangkan bahwa materi dapat

bervolume nol, temperatur yang berkaitan dengan “volume nol” pada grafik

itu sangat penting artinya. Temperatur ini, yang menurut perhitungan adalah

273,15 dibawah 0Celcius, disebut nol mutlak. Meskipun ekstrapolasi

sederhana seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.3 menyatakan bahwa

temperatur nol mutlak itu ada, baru dalam tahun 1848 Lord Kelvin secara

meyakinkan memperagakan berlakunya skala temperatur mutlak.

Pada skala Kelvin itu, nol mutlak diberi harga 0K. suatu perubahan

1K sama besarnya dengan perubahan 1C, sehingga titik beku air, yang

273,15 derajat diatas nol mutlak, mempunyai harga sebesar 273,15K pada

skala Kelvin. Mengubah 0C ke K, 273 (lebih tepat 273,15) harus ditambahkan

ke temperatur Celcius.

Tak terdapat temperatur tertinggi yang dapat dihitung karena tak

dikenal data atas teoritis untuk temperatur. Temperatur didalam matahari

diperkirakan setinggi 30.000.000 K ; temperatur yang dicapai dalam ledakan

bom hidrogen diperkirakan 100.000.000 K.

Hukum Charles

Dalam gambar 4.3 grafik garis lurus temperatur suatu gas versus

volumenya menunjukkan bahwa perubahan dalam besaran – besaran ini

berbanding lurus satu sama lain. Namun, angka banding langsung antara

volume dan temperatur tak diperoleh jika temperatur yang digunakan diambil

dari skala Celsius atau Fahrenheit. Bilangan dalam skala-skala ini hanyalah

harga relatif. Baik 0C maupun 0F tidak menyatakan ketiadaan temperatur,

karena pada masing-masing skala ini masih dapat dibaca temperatur

“dibawah nol”.

Karena hanya dalam skala mutlak nol berarti tak ada temperatur,

rujukan apa saja ke angka banding langsung antara volume dan

temperatur haruslah menyebut bahwa digunakan harga-harga mutlak.

Pernyataan hubungan ini dikenal sebagai hukum Charles. Jika

tekanan tak berubah, volume gas dengan massa tertentu, berbanding

lurus dengan temperatur mutlak. Secara matematis,

V α T

Dengan menggunakan data dari tabel dan mengubah ke

temperatur mutlak, nampak bahwa koefisien volume dibagi oleh

temperatur mutlak suatu konstanta :

Artinya, V/T = suatu konstanta, atau :

……………. (2)

Hubungan antara Tekanan dan Temperatur

Terutama dinegeri subtropis, setelah diukur pada pagi hari yang

dingin, tekanan udara dalam ban ditengah hari dimusim panas dapat naik

secara menyolok setelah mobil dikendarai beberapa jam. Sementara itu

volume ban praktis tidak bertambah. Hubungan antara tekanan dan

temperatur pada volume konstan tidak lazim dirujuk ke nama penemunya,

agaknya karena hubungan ini dikenal secara bertahap oleh beberapa

penyelidik. Kadang-kadang diberi nama menurut nama Joseph Gay-Lussac

dan kadang-kadang menurut nama Guillaume Amontons, yang

menghubungkan tekanan gas ke temperaturnya dan membuat suatu

termometer gas atas dasar ini dalam tahun 1703. sumbangan kedua ilmuan

ini akan kita hargai dengan menyebut hubungan itu hukum Gay Lussac dan

Amontons. Tekanan gas dengan massa tertentu berbanding lurus dengan

temperatur mutlak, bila volume tidak berubah. Dinyatakan secara matematis:

P α T

Atau P/T = suatu konstanta. Pernyataan yang setara adalah

……………. (3)

Aplikasi hukum-hukum gas pada percobaan

Percobaan kali ini akan diselidiki hubungan antara tekanan dan

temperatur gas pada volume konstan. Selanjutnya akan digunakan hubungan

antara tekanan dan temperatur untuk membuat kurva antara tekanan vs

temperatur. Dari hukum Charles dapat diketahui bahwa jika sejumlah volume

gas dijaga agar tekanannya konstan, maka volume gas akan berbanding

lurus dengan temperatur absolut.

Dapat dilihat pula bahwa dari ekstrapolasi terhadap garis lurus akan

diperoleh harga volume nol, pada temperatur –273C atau 0K. Tetapi karena

volume pada tekanan konstan dan tekanan pada volume konstan adalah

berbanding lurus terhadap temperatur (hukum Gay Lussac) volume pada

grafik 4.3 (sumbuY) dapat diganti dengan tekanan, sehingga diperoleh grafik

yang sejenis (tekanan vs temperatur) jika kita lakukan ekstrapolasi terhadap

garis lurus maka akan diperoleh harga tekanan nol, pada temperatur –273C

atau 0K.

Untuk membuat grafik tekanan vs temperatur paling sedikit dibutuhkan

3 titik yang diukur pada volume konstan.

Isi labu gelas dengan udara dan dihubungkan dengan pipa karet

vakum (vacum rubber hose). Setelah labu gelas didinginkan hingga 0C,

tekanan udara dalam labu akan turun. Hal ini dapat diukur dengan Hg – U

manometer p antara nol mmHg dan kenaikan tinggi kolom pada sisi kiri

sesuai dengan penurunan tekanan. Dengan demikian diperoleh :

P0 = Patm – ΔP

T0 = 0C atau 273K

P0 adalah tekanan pada 0C atau 273K, ini adalah titik pertama pada

grafik antara tekanan vs temperatur. Jika temperatur dalam labu yang

berisi udara dinaikkan 1C atau 1K tekanan akan bertambah sebanding

dengan kenaikan temperatur (pers 3 Hukum Gay Lussac).

P0 = P1 P1 = Tekanan pada T1

T0 T1 T1 = 1C atau 274K

Dengan demikian dapat kita tulis :

=

Atau dalam bentuk yang lebih umum

Pt = Po ( 1 + Δt)………..(4)

Perbedaan temperatur dalam C atau K

Pt = Tekanan pada temperatur t

Δt = Temperatur dalam C

= 1/273 K-1 (koefisien ekspansi untuk gas ideal)

Persamaan (4) adalah bentuk persamaan dari grafik, tekanan vs temperatur

yang ada, yang percobaan ini divariasikan untuk temperatur 0 – 100C. Jika

P0 (tekanan pada 0C) diketahui, tekanan Pt pada temperatur (C) yang lain

dapat dihitung.

Jika garis lurus pada grafik tekanan vs temperatur diekstrapolasi

hingga Pt = C, maka dari persamaan (4) dapat dilihat temperatur yang sesuai

adalah sekitar –273C, atau 0K.

Koefisien ekspansi ……………… (4)

Hanya berlaku untuk gas ideal.

Tapi pada kenyataannya tidak terdapat gas ideal. Semua gas akan

mencair pada kondisi temperatur dan tekanan tertentu. dengan demikian

grafik vs tekanan untuk gas nyata hanya beralaku untuk range tertentu, tetapi

dalam range ini untuk kebanyakan gas nyata hampir sama, seperti dapat

dilihat pada tabel :

Koefisien ekspansi γ - untuk beberapa gas :

Udara 0,003674 K-1

H2 0,003663 K-1

He 0,003660 K-1

CO2 0,003726 K-1

Untuk tujuan-tujuan praktis dapat kita asumksikan bahwa pada

temperatur dan tekanan lingkungan, H2, helium dan udara berkelakuan

mendekat gas ideal sebab jauh dari titik cairnya (embunnya). Pada

percobaan ini udara ditentukan dengan persamaan (4) :

Pt1 = Po (1 + γ Δt1) atau Po = Pt / (1 + γ Δ t1)

Pt2 = Po (1+ γ Δt2) atau Po = Pt / (1 + γ Δ t2)

Dari dua persamaan diatas diperoleh :

Prinsip Termometer gas

Pada termometer gas penentuan temperatur didasarkan pada prinsip

alat ukur tekanan dengan hukum Gay – Lussac.Dengan dapat digerakkannya

tabung sebelah kanan, maka permukaan Hg pada kaki sebelah kiri dapat

diatur pada ketinggian hL dengan menyentuh jarum), oleh sebab itu volume

gas dalam labu dapat dibuat konstan untuk setiap pengukuran temperatur.

Perbedaan tekanan yang diakibatkan kenaikan temperatur sebanding dengan

perbedaan tinggi permukaan h = hr – hL (mmHg).

Adanya perbedaan temperatur t1 dan t2 akan mengakibatkan

perbedaan tinggi permukaan Hg, h1 dan h2. dari hubungan tekanan h1 dan h2

serta dari tekanan barometer b kita peroleh tekanan dalam labu A.

P1 = b + h1 P2 = b + h2

Sesuai dengan persamaan (4) maka :

P2 = P1 (1 + γ Δ t) jika P1 = Tekanan pada 0C (camp. Air – es)

Prosedur Pengerjaan

Ditempatkan labu gelas pada sandaran dan dihubungkan dengan Hg – U

manometer,

Dicatat temperatur dan tekanan ruang serta diatur agar Hg – U manometer

pada posisi 0 mmHg,

Dimasukkan labu gelas secara keseluruhan kedalam air es, di tunggu agar

permukaan Hg menjadi konstan,

Dikeluarkan dari air es dan dibiarkan labu menjadi panas sesuai dengan

temperatur ruangan,

Diambil waterbath dan dimasukkan labu secara lengkap didalamnya,

dipanaskan sekitar 30C, dicatat temperatur sesungguhnya jika temperatur

sudah konstan,

Air dipanaskan hingga mencapai suhu 40C dicatat temperatur sesungguhnya

jika temperatur sudah konstan (diulangi untuk suhu 50C dan 60C),

Dihitung tekanan P didalam labu dari perbedaan tekanan dan tekanan

barometer b untuk tiap temperatur yang sesuai

Dibuat grafik tekanan P dan temperatur dan ekstrapolasi garis yang terbentuk

sampai P = 0 mmHg, untuk temperatur digunakan skala C atau K

Ditentukan udara dari pengukuran P pada 0C dan titik didih t b dengan

menggunakan persamaan 5 dan dibuat hubungan antara tekanan dan

temperatur.

Data Pengamatan:

Pembacaan pada manometer (volume konstan) → pada saat dipanaskan

Temperatur (C) h (mmHg) p (mmHg)

75 38 38

70 20 21

65 8 11

60 5 5

55 3 1

50 8 8

45 11 11

40 18 18

Pembacaan pada manometer (volume konstan) → pada saat didinginkan

Temperatur (oC) ∆h (mmHg) ∆p (mmHg)

28 42 102

24 43 103

20 44 104

Volume labu : 1.140 cm3

Diameter selang : 8 mm = 0,8 cm

VIII. Perhitungan :

T = 0C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 8 cm

= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 4 cm

= 1.140 cm3 – 2,0096 cm

= 1.137,9904 cm3 = 1.137,9904 ml

Untuk T = 0C

Dik:

To = 0C = 273K

P1 = Pruang = 746 mmHg

T1 = Truang = 31 + 273K = 304K

V1 = 1.140 cm3

Dit:

P0C = ….?

Penyelesaian:

Untuk T = 30C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 0 cm

= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 0 cm

= 1.140 cm3 – 0 cm

= 1.140 cm3 = 1.140 ml

Untuk T = 40C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 6 cm

= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 3 cm

= 1.140 cm3 – 1,5072 cm

= 1.138,4928 cm3 = 1.138,4928 ml

Untuk T = 50C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 12,4 cm

= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 6,2 cm

= 1.140 cm3 – 3,1149 cm

= 1.136,8851 cm3 = 1.136,8851 ml

Untuk T = 60C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 19,4 cm

= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 9,7 cm

= 1.140 cm3 – 4,8733 cm

= 1.135,1267 cm3 = 1.135,1267 ml

Untuk harga koefisien ekspansi

Dimana :

P2 = T

P1 = R

Δt2 = 333K – 304K = 29K

Δt1 = 273K – 304K = 31K

IX. Pembahasan hasil percobaan :

Percobaan ini bertujuan untuk menyelidiki hubungan antara tekanan

dan temperatur gas pada volume konstan. Hubungan ini dapat dilihat dari

gambar grafik. Dilihat dari grafik tampak jelas masih terdapat kesalahan

dalam percobaan.

Koefisien ekspansi untuk gas ideal yaitu 0,00366 K-1, namun dalam

kenyataannya dalam percobaan kami memperoleh beda yang sangat

jauh. Ini mungkin diakibatkan karena semua gas akan mencair pada

tekanan dan temperatur tertentu.

Sesuai dengan hukum gay lussac dan Amontons tentang hubungan

tekanan dan temperatur diperoleh bahwa tekanan udara di dalam labu

bulat berbanding lurus dengan temperatur mutlak bila volumenya tidak

berubah. Artinya semakin besar tekanan di dalam labu maka temperatur

di dalam labu pun akan meningkat jika volumenya tetap.

Pada temperatur di bawah suhu ruang dalam artian 0oC diperoleh Hg-

U manometer bergerak ke arah labu sehingga volume udara di dalam

labu mengecil dan sebaliknya pada temperatur di atas suhu ruang dalam

artian setelah air dipanaskan dari 30C sampai 60C volume udara dalam

labu bertambah sehingga cairan Hg-U manometer bergerak ke arah

berlawanan

Grafik hubungan antara Tekanan dengan Temperatur

X. Kesimpulan :

Tekanan pada suhu 30C adalah

Tekanan pada suhu 40C adalah

Tekanan pada suhu 50C adalah

Tekanan pada suhu 60C adalah

Dari hasil percobaan disimpulkan bahwa Koefisien ekspansi dari udara

dalam ruangan pada saat praktikum adalah

XI. Jawaban Pertanyaan :

Pada thermometer gas, pada kaki sebelah kiri Hg dapat digerak-

gerakkan untuk menjaga agar permukaan Hg pada kaki kiri konstan

(volume yang tetap dalam labu A mengikuti hukum Gay Lussac). Pada

percobaan ini tabung Hg – U manometer adalah tetap. Apa akibatnya.

Berikan pernyataan dan buat perkiraan untuk menunjukan

kemungkinan perbedaan besarnya tekanan di dalam labu.

Akan berakibat volume gas didalam labu akan dapat kita buat

konstan untuk setiap pengukuran temperatur.

Kita dapat memperkirakan besarnya beda tekanan yang terjadi

didalam labu karena tekan gas dengan cara memperhatikannya

pada tabung Hg – U manometer besarnya skala yang ditunjukan

oleh kedua sisi Hg, dengan jalan mengukur jauhnya setiap sisi dan

hal ini dijadikan besarnya beda tekanan yang terjadi didalam labu.

Yang mana dari 2 temperatur tetap (fix points) dalam skala Celcius

dan bagaimana cara mengukurnya ?

Yaitu 0C, diukur dengan menggunakan thermometer raksa,

dengan melihat skalanya pada thermometer yang terdapat didalam

labu bulat dan ditunggu selama 2 menit hingga suhu konstan.

Bagaimana hubungan antara skala Celcius dan Kelvin !

Skala celcius jika dihubungkan dengan skala Kelvin maka harga

temperatur 0C akan setara dengan 273K (tetapi sebenarnya yang

tepat adalah 273,15K), dan jika celcius ingin dikompersikan

kedalam Kelvin maka cukup tinggal menambahkan besarnya xC

dengan 273K

Apa defenisi titik nol absolut !

Titik nol absolut adalah temperature yang berkaitan dengan volume

nol yang menurut perhitungan adalah 273,17 derajat dibawah 0C

Bagaimana caranya mengkalibrasi (secara kasar) thermometer gas,

jika tidak terdapat thermometer yang tepat ; sedang yang ada hanya

barometer.

Untuk pertanyaan ini tidak terjawab, karena berhubung tidak

dipraktekkan.

XII. Daftar pustaka :

Sienko M.J, Experimental Chemistry, MC Graw-Hill, Singapore, 1985.