GAS DAN TITIK NOL ABSOLUT

1. Tujuan:

- Setelah melakukan percobaan kita dapat

menerangkan kelakuan gas pada volume konstan dengan kondisi tekanan

dan temperatur yang berbeda.

- Kita dapat mengerti prinsip kerja Hg-U

manometer dan termometer gas.

- Kita dapat membedakan antara skala Celcius dan

skala Kelvin, dan memperkirakan temperatur nol absolut.

2. Perincian kerja:

- Menyelidiki kelakuan gas pada berbagai kondisi

tekanan dan temperatur (Hukum gas).

- Menggunakan Hg – U manometer.

- Menentukan koefisisen ekspansi untuk udara.

- Menentukan/memperkirakan temperatur titik nol

absolut.

- Menggunakan termometer digital dan termokopel.

3. Alat dan bahan:

A. Alat:

- Gelas kimia 5000 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

- Heater Spiral 1 Buah

B. Bahan

- Air

4. Dasar teori:

Hukum-hukum gas :

- Hukum Boyle

Penenmuan 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 volumeny. 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 :

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.

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

P1.V2 = P2.V2 atau V1/V2 = P2/P1

Banyak diantara masalah yang berkaitan dengan hukum gas yang

dapat dipecahkan dengan cara sistematis yang sama. Pertama, harus

difahami 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 mendaftarsatu

perangkat kondisi yang memerikan 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 00

C. Tabel 4-1 mencantumkan volume udara itu pada pelbagai

temperatur lain. Untuk mengurung udara dibawah – 38,870 C, haruslah

digunakan cairan lain pengganti merkurium, karena merkurium

membeku pada dan dibawah temperatur itu; juga diatas 1000 C

penguapan merkurium mulai menambah volume gas yang terkurung.

Tabel 4.1 Perubahan volume udara dengan berubahnya temperatur,

pada tekanan konstan.

Temperatur, 0 C Volume, ml

273200150100500

- 50- 100- 150

200173155137128100828345

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.V

olum

e m

l

-273 -200 -100 0 100 200

Temperatur 0 C

Gambar 4.3 suatu grafik daripada data dalam tabel 4-1 yang menunjukkan bahwa pada tekanan

konstan, perubahan volume suatu gas berbanding lurus dengan perubahan temperatur

- Skala Mutlak Temperatur

Ekstrapolasi garis lurus dalam Gambar 4.3 mendorong kegagasan

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 273,150 dibawah 00 Ceelcius,

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 0 K. suatu perubahan 1 K sama besarnya

dengan perubahan 10 C, sehingga titik beku air, yang 273,15 derajat

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

Volume berkurang secara mendadak kesuatu harga kurang dari 1 mililiter, karena gas berubah menjadi cairan

50

0

Ekstrapolasi putus-putus menunjukkan bagaimanan gas itu diharapkan berperilaku seandainya dapat didinginkan terus tanpa mencair

200

100

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

ditambahkan ketemperatur 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 00 C maupun 00 F tidak

menyatakan ketiadaan temperatur, karena pada masing-masing skala

ini masih dapat dibaca temperatur “dibawah nol”.

Karena hanya dalam skala mutlak 0 berarti tak ada temperatur,

rujukan apa saja keangka 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 :

155 ml = 0,366 ml/K150+273 K

100 ml = 0,366 ml/K 0+273 K

82 ml = 0,368 ml/K-50+273 K

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

kenama 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

ketemperaturnya 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 –2730 C atau 0 K. Tetapi

karena volume pada tekanan konstan dan tekanan pada volume konstan

adalah berbanding lurus terhadaptemperatur (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 –2730 C atau 0 K.

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

(vacuum rubber hose). Setelah labu gelas didinginkan hingga 00 C,

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

manometer p antara 0 mmHg dan kenaikan tinggi kolom pada sisi kiri

sesuai dengan penurunan tekanan. Dengan demikian diperoleh :

P0 = Patm – ΔP

T0 = 00 C atau 273 K

P0 adalah tekanan pada 00 C atau 273 K, ini adalah titik pertama pada

grafik antara tekanan vs temperatur. Jika temperatur dalam labu yang

berisi udara dinaikkan 10 C atau 1 K tekanan akan bertambah sebanding

dengan kenaikan temperatur (pers 3 Hukum Gay Lussac).

P0 = P1 P1 = Tekanan pada T1

T0 T1 T1 = 10 C atau 274 K

Dengan demikian dapat kita tulis :

=

Atau dalam bentuk yang lebih umum

Pt = Po ( 1 + Δt)………..(4)

Perbedaan temperatur dalam 0 C atau K

Pt = Tekanan pada temperatur t

Δt = Temperatur dalam 0 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 – 1000 C. Jika P0 (tekanan pada 00 C) diketahui, tekanan Pt pada

temperatur (0 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 –2730 C, atau 0 K.

Koefisien ekspansi

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 9dengan

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 00 C (camp. Air – es)

5. Prosedur kerja:

Menempatkan labu gelas pada sandaran dan

menghubungkanmya dengan Hg – U manometer.

Mencatat temperatur dan tekanan ruangan.

Memasukkan labu gelas secara keseluruhan

kedalam air-es, menunggu hingga permukaan Hg menjadi konstan.

Mencek temperatur campuran air-es, kemudian mencatat perbedaan tinggi

permukaan Hg (Δp).

Membuang air-es kemudian membiarkan labu

menjadi panas sesuai dengan temperatur ruangan.

Mengambil waterbath, kemudian memasukkan

labu secara keseluruhan kedalamnya. Kemudian memanaskan hingga

sekitar 400 C, jika temperatur sudah konstan mencatat temperatur dan juga

tekananya (Δp). (melakukan juga dengan suhu 600 C dan 800 C)

Membuat grafik tekanan P vs temp (t0 ).

Menentukan γ udara.

6. Data Pengamatan:

Temperatur (0C) h (mmHg) p (mmHg)

0 77 670

27 0 747

36 55 802

45 72 819

60 109 856

Volume labu : 1140 cm3

Diameter selang : 8 mm = 0,8 cm

7. Perhitungan :

T = 0 0 C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1140 cm3 - π / 4 . 0,82 . ½ 3,85 cm3

= 1140 cm3 –1,93424cm3

= 1138,06576 cm3

Dik:

To = 0oC = 273 K

P1 = Pruang = 747 mmHg

T1 = Truang = 270 C + 273 = 300 K

V1 = 1140 cm3

Dit:

P0oC = ….?

Penyelesaian:

P0 = =

Untuk T = 270C

V = Vlabu – π / 4 . d2 . t

= 1140 cm3 - π / 4 . 0,82 . 0

= 1140 cm3

P27 = =

Untuk T = 360 C

V = Vlabu + π / 4 . d2 . t

= 1140 cm3 + π / 4 . 0,82 . 2,75 cm3

= 1140 cm3 + 1,3816 cm3

= 1141,3816 cm3

P36 = = =

768,4787 mmHg

Untuk T = 450 C

V = Vlabu + π / 4 . d2 . t

= 1140 cm3 + π / 4 . 0,82 . 3,6 cm3

= 1140 cm3 + 1,80864 cm3

= 1141,80864 cm3

P45 = = =

790,566 mmHg

Untuk T = 600 C

V = Vlabu + π / 4 . d2 . t

= 1140 cm3 + π / 4 . 0,82 . 5,45 cm3

= 1140 cm3 + 2,73808 cm3

= 1142,73808 cm3

P60 = = =

827,183 mmHg

=

8. 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 Amomtons 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 di peroleh Hg-U

manometer bergerah ke arah labu sehingga volume udara di dalam labu

mengecil dan sebaliknya pad temperatur di atas suhu ruang dalam artian

setelah air dipanaskan dari 40oC sampai 80oC volume udara dalam labu

bertambah sehingga cairan Hg-U manometer bergerak ke arah berlawanan

9. Kesimpulan:

Dari hasil percobaan disimpulkan bahwa Koefisien

ekspansi dari udara adalah 0,003675 K-1

10. Saran:

- Hati-hati dalam menggunakan pipa U yang berisi Hg karena bila

pecah, Hg akan menguap dan bersifat racun.

- Serempaklah dalam melakukan pembacaan data.

- Amati dengan seksama jangan sampai terdapat kebocoran pada tutup

labu maupun pada selang.

11. Daftar pustaka:

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