Jurusan Fisika FMIPA UGM

Presentasi berjudul: "Jurusan Fisika FMIPA UGM"— Transcript presentasi:

1 Jurusan Fisika FMIPA UGM
TEORI KINETIK GAS Dr. Kuwat Triyana Jurusan Fisika FMIPA UGM

2 Aplikasi teori kinetik (molekul) gas
Pembuatan bandeng/ayam presto (tulang lunak) Mesin uap (kereta uap/PLTU) Terbentuknya angin dan perubahan cuaca Memanaskan makanan/minuman dengan microwave oven Mengapa pesawat terbang termasuk helikopter dapat terbang? Bagaimana mengukur ketinggiannya?

3 Unsur yang berwujud gas pada tekanan 1 atm dan suhu 25C

4 Kompoisis udara yang kita hirup
Komposisi atmosfer bumi Senyawa %(Volume) Fraksi mola Nitrogen 78.08 0.7808 Oxygen 20.95 0.2095 Argon 0.934 Carbon dioxide 0.033 Methane 2 x 10-4 2 x 10-6 Hydrogen 5 x 10-5 5 x 10-7 a. Fraksi mol = kompoen mol /total mol dalam campuran.

5 Teori Kinetik Gas Teori Kinetik (atau teori kinetik pada gas)  menjelaskan sifat-sifat makroscopik gas (tekanan, suhu, atau volume) dengan memperhatikan komposisi molekular mereka dan gerakannya. Tekanan gas tidaklah disebabkan oleh denyut-denyut statis di antara molekul-molekul, seperti yang diduga Isaac Newton, melainkan disebabkan oleh tumbukan antarmolekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda-beda. Dikenal pula sebagai Teori Kinetik-Molekular atau Teori Tumbukan atau Teori Kinetik pada Gas.

6

7 Model Gas Ideal Terdiri atas partikel (atom atau molekul) yang jumlahnya besar Partikel-partikel tersebut tersebar merata dalam seluruh ruang Partikel-partikel tersebut bergerak acak ke segala arah Jarak antar partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel Tidak ada gaya interaksi (atraktif/repulsif) antar partikel kecuali bila bertumbukan Semua tumbukan (antar partikel atau dengan dinding) bersifat lenting sempurna dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat Mempunyai volume yang sangat kecil dibanding volume wadahnya. Mempunyai energi kinetik yang bertambah dengan kenaikan suhu. Hukum Newton tentang gerak berlaku

8 Model Gas Ideal Terdiri atas partikel (atom atau molekul) yang jumlahnya besar Partikel-partikel tersebut tersebar merata dalam seluruh ruang Partikel-partikel tersebut bergerak acak ke segala arah Jarak antar partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel Tidak ada gaya interaksi antar partikel kecuali bila bertumbukan Semua tumbukan (antar partikel atau dengan dinding) bersifat lenting sempurna dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat Hukum Newton tentang gerak berlaku

9 Persamaan Keadaan Gas Ideal
P = Tekanan gas [N.m-2] V = Volume gas [m3] n = Jumlah mol gas [mol] N = Jumlah partikel gas NA = Bilangan Avogadro = R = Konstanta umum gas = 8,314 J.mol-1 K-1 kB = Konstanta Boltzmann = 1,38 x J.K-1 T = Temperatur mutlak gas [K]

10 Tekanan Gas Tekanan gas
Didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu luasan. Satuan tekanan adalah: atm, mm Hg, torr, lb/in.2 dan kilopascal (kPa). 1 atm = mm Hg (eksak) 1 atm = 760 torr 1 atm = lb/in.2 1 atm = kPa Gaya Luasan

11 Tekanan Gas dan Efeknya
Kaleng berisi air sebagian saat dipanaskan akan terbentuk uap di dalamnya Ketika kaleng kemudian didinginkan, ternyata kaleng menjadi penyok, tahukan anda apa penyebabnya? Tangki yang siang harinya masih utuh, pada pagi hari juga penyok, tahukan anda apa penyebabnya?

12 Manometer untuk mengukur tekana n gas

13 Tekanan Atmosfer Tekanan atmosfer
Adalah tekanan oleh kolom udara dari atas atmosfer ke permukaan bumi 10 km 0.2 atm 4 km 0.5 atm permukaan air laut 1 atm

14 Ketinggian dan tekanan atmosfer
Sekitar 1 atmosfer di atas permukaan air laut. Bergantung pada ketinggian dan cuaca. Semakin tinggi lokasi, semakin rendah. Lebih tinggi saat hujan dibanding saat cerah/tidak hujan.

15 Hukum gas ideal Robert Boyle (1627-1691)
Pada temperatur konstan  P >> bila V << dan sebaliknya P berbanding terbalik dgn V  PV = konstan Berlaku pada hampir semua gas dengan kerapatan rendah

16 Hukum Boyles pada Pernafasan
Selama menghirup, Paru-paru mengembang. Tekanan dalam paru-paru menurun. Udara mengalir ke tekanan yang lebih rendah (masuk paru-paru). Copyright © by Pearson Education, Inc. Publishing as Benjamin Cummings

17 Hukum Boyles pada Pernafasan
Selama melepaskan nafas (exhalation), Volume paru-paru menyusut. Tekanan dalam paru-paru meningkat. Udara mengalir dari tekanan yang lebih besar (ke luar). Copyright © by Pearson Education, Inc. Publishing as Benjamin Cummings

18 Jacques Charles (1746-1823) Gay Lussac (1778-1850)
Pada kerapatan rendah, untuk gas Temperatur absolut sebanding dengan tekanan pada volume konstan Temperatur absolut sebanding dengan volume pada tekanan konstan PV = CT C sebanding dengan jumlah gas sehingga PV = NkT N = jumlah molekul gas k = konstanta Boltzman 1,381 x J/K

19 Terkadang lebih mudah menyatakan jumlah gas dalam mol daripada dalam molekul sehingga
PV = nRT N = n NA NA = bilangan avogadro 6,022 x 1023 molekul/mol n = jumlah mol gas R = konstanta gas umum = 8,314 J/mol.K = 0,08206 L.atm/mol.K

20 Persamaan keadaan gas ideal PV = nRT
Gas ideal didefinisikan sebagai gas dimana PV/nT konstan untuk seluruh tekanan. Persamaan keadaan gas ideal PV = nRT Massa molar M, massa 1 mol unsur/senyawa Massa molar 12C = 12 g/mol Massa n mol gas m = nM Kerapatan gas ideal Pada temperatur tertentu, kerapatan gas ideal sebanding dengan tekanan Perilaku gas ideal  perilaku gas nyata pada kerapatan dan tekanan rendah Untuk sejumlah gas tertentu PV/T = konstan, sehingga dapat ditulis

21 Tekanan parsial (Hukum Dalton)
Hukum Dalton: tekanan total campuran gas merupakan jumlah seluruh tekanan masing-masing gas penyususnnya. Copyright © Houghton Mifflin Company.All rights reserved. 13

22 Tekanan parsial saat menyelam
Di darat Kedalaman 30 m Depth (ft) Pressure (atm) 1 33 2 66 3

23 P V Scuba Diving and the Gas Laws 5.6 Depth (ft) Pressure (atm) 1 33 2
1 33 2 66 3 P V 5.6

24 Gas dalam Darah Dalam aru-paru, O2 memasuki darah, sementara CO2 dari darah dilepas. Dalam jaringan, O2 memasuki sel-sel, yang melepaskan CO2 ke dalam darah. Copyright © by Pearson Education, Inc. Publishing as Benjamin Cummings

25 Gas dalam Darah Dalam tubuh,
O2 mengalir ke dalam jaringan (tissue) karena tekanan parsial O2 lebih tinggi di dalam darah, dan lebih rendah di dalam jaringan. CO2 mengalir keluar jaringan karena tekanan parsial CO2 lebih tinggi di dalam jaringan, dan lebih rendah di dalam darah. Tekanan parsial dalam darah dan jaringan Gas Oxygenated Blood Deoxygenated Blood Tissues O or less CO or greater

26 Gas Exchange During Breathing
Copyright © by Pearson Education, Inc. Publishing as Benjamin Cummings

27 Interpretasi molekuler tentang temperatur: teori kinetik gas
Temperatur gas adalah ukuran energi kinetik rata2 molekul2 gas Asumsi-asumsi Gas terdiri dari sejumlah molekul yang bertumbukan elastik satu sama lain dan dgn dinding wadah Molekul terpisah secara rata2 oleh jarak yang besar dibandingkan dgn diameter masing2 dan tidak saling memberikan gaya kecuali bila bertumbukan  gas ideal Tanpa adanya gaya eksternal, tidak ada posisi yang dicenderungi oleh molekul dalam wadah dan tidak ada kecenderungan arah vektor kecepatan

28 Tekanan Gas Ideal Tinjau N buah partikel suatu gas ideal dalam kotak, masing-masing dengan kecepatan: ………….

29 Tinjau 1 partikel ... Kecepatan partikel mula2:
Kecepatan partikel setelah menumbuk dinding kanan (asumsi: tidak ada tumbukan antar partikel): Perubahan momentum partikel: Selang waktu partikel tsb dua kali menumbuk dinding kanan: Besarnya momentum yg diberikan partikel pada dinding kanan tiap satuan waktu:

30 Bagaimana dengan N partikel ?
Besarnya momentum total yg diberikan N buah partikel pada dinding kanan tiap satuan waktu: Tekanan gas pada dinding kanan: Tetapi dan sehingga

31 Temperatur Gas Ideal Dari persamaan dan persamaan gas ideal
dapat diperoleh hubungan atau sehingga Energi kinetik translasi partikel gas

32 Energi Dalam Gas Ideal Dari hubungan terakhir di atas dapat dituliskan
yaitu energi kinetik gas, yg juga merupakan energi total dan energi dalam gas Perbandingan dengan eksperimen ? Kapasitas kalor pada volume tetap: atau kapasitas kalor pd tekanan tetap: Perbandingan CP dan CV adalah suatu konstanta:

33 Bandingkan dengan hasil eksperimen ...
Persesuaian dengan hasil eksperimen hanya terdapat pada gas mulia monoatomik saja !

34 Penyimpangan nilai CP dan CV pada gas-gas selain gas mulia monoatomik ?
Penyimpangan nilai CV, CP dan  pada gas-gas selain gas monoatomik (tabel) disebabkan oleh kontribusi energi kinetik rotasi dan vibrasi disamping energi kinetik translasi. Contoh molekul diatomik (misalnya H2, O2, NaCl, dll.)

35 Energi (kinetik) total gas diatomik:
Kontribusi tambahan pada energi kinetik translasi (thd sub-x, y dan z) diasosiasikan dengan energi kinetik rotasi (thd sb-x dan z) dan energi kinetik vibrasi (thd sb-y): Ix = Iz : momen inersia thd sb x & z K : Konstanta “pegas” M : Massa tereduksi m1 dan m2 Energi (kinetik) total gas diatomik:

36 Asas Ekipartisi Energi
Asas Ekipartisi Energi: untuk tiap derajat kebebasan yang energinya berbanding dengan kuadrat variabel bebasnya, energi rata-ratanya adalah 1/2 kBT Jadi untuk molekul gas diatomik: ; ; Dari tabel, hasil eksperimen utk gas diatomik,   1,40 !

37 Ketidaksesuaian dgn hasil eksperimen?
Pada kenyataannya, CV gas diatomik bergantung pada suhu! Hasil eksperimen CV dari gas H2 *) Pada temperatur rendah molekul diatomik (H2) hanya bertranslasi saja; pada temperatur kamar molekul H2 bertranslasi dan berotasi; pada temperatur tinggi molekul H2 bertranlasi, berotasi dan bervibrasi. vibrasi rotasi translasi

38 Hasil eksperimen dari suhu rotasi & vibrasi beberapa gas diatomik

39 } } Persamaan Van der Waals dan gas tak ideal Koreksi tekanan
Koreksi volume P = tekanan gas V =  volume total (wadah gas) a  = ukuran atraktif antar partikel  b  = volume tanpa partikel  n  = jumlah mol R  = konstanta gas universal  T  = temperatur absolut