GAS DAN TITIK NOL ABSOLUT

I. 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.

II. 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.

III. Alat yang Digunakan :

Gelas kimia 5.000 ml 1 Buah

Labu leher bulat 1.000 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

Heater Spiral 1 Buah

. Bahan yang digunakan :

Air demineral dan Es

V. 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 Volume, ml 273 200 150 100 50 0 - 50 - 100 - 150

200 173 155 137 128 100 82 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)

VI. 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.

VII. Data Pengamatan:

Temperatur (C) h (mmHg) p (mmHg) 6 77 670 16 0 747 31 0 802 40 72 819 50 109 856

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.

Makassar, 18 November 2003Praktikan

Yan Mailapa Lotong03 33 049