Hukum Boyle
(1662)
Hukum
Boyle mungkin adalah pernyataan paling awal dari persamaan keadaan. Pada 1662,
fisikawan dan kimiawan ternama Irlandia,
Robert
Boyle, melakukan serangkaian percobaan menggunakan tabung gelas
bentuk-J yang ujung bagian pendeknya tertutup.
Air
raksa ditambahkan ke dalam tabung, memerangkap sejumlah tetap
gas di ujung tabung yang pendek dan tertutup.
Kemudian perubahan volume gas diukur dengan teliti seiring
ditambahkannya air raksa sedikit demi sedikit ke dalam tabung. Tekanan gas
kemudian dapat ditentukan dengan menghitung perbedaan ketinggian air raksa di
bagian pendek tabung yang tertutup dan bagian panjang tabung yang terbuka.
Melalui percobaan ini, Boyle mencatat bahwa perubahan volume gas berbanding
terbalik dengan tekanan.
Persamaan di atas juga dapat dihubungkan
dengan Edme Mariotte dan
kadang disebut sebagai Hukum Mariotte.
Namun pekerjaan Mariotte tidak dipublikasikan hingga tahun 1676
Hukum Charles atau Hukum Charles dan Gay-Lussac (1787)
Pada
1787, fisikawan Perancis, Jacques Charles
menemukan bahwa oksigen, nitrogen, hidrogen, karbon dioksida, dan udara memuai
ke tingkat yang sama pada interval temperatur yang sama, pada lebih dari 80
kelvin. Kemudian, pada 1802, Joseph Louis Gay-Lussac
mempublikasikan hasil percobaan yang sama
Hukum tekanan parsial Dalton (1801)
Hukum
Tekanan Parsial Dalton: Tekanan sebuah campuran gas adalah sama
dengan jumlah tekanan masing-masing gas penyusunnya.
Secara
matematik, hal ini dapat direpresentasikan untuk n jenis gas, berlaku:
Hukum gas ideal (1834)
Pada
1834 Émile Clapeyron
menggabungkan Hukum Boyle dan Hukum Charles ke dalam
pernyataan pertama hukum gas ideal. Awalnya
hukum tersebut dirumuskan sebagai pVm=R(TC+267)
(dengan temperatur dinyatakan dalam derajat Celsius).
Namun, pekerjaan lanjutan mengungkapkan bahwa angka tersebut sebenarnya
mendekati 273,2, dan skala Celsius didefinisikan dengan 0 °C = 273,15 K,
Persamaan keadaan Van der Waals
Pada 1873, J. D. van der Waals
memperkenalkan persamaan
keadaan pertama yang diturunkan dengan asumsi sebuah volume
terbatas yang ditempati oleh molekul gas penyusun. Persamaan baru tersebut merevolusi studi
mengenai persamaan keadaan, dan makin dikenalkan melalui persamaan keadaan
Redlich-Kwong dan modifikasi Soave pada Redlich-Kwong.Contoh-contoh persamaan keadaan :
Pada persamaan-persamaan
di bawah ini, variabel-variabel didefinisikan sebagai berikut:
P = tekanan
V = volume
T = temperatur (K)
Suatu gas disebut gas ideal bila memenuhi hukum gas
ideal, yaitu hukum Boyle, Gay Lussac, dan Charles dengan persamaan P.V = n.R.T.
Akan tetapi, pada kenyataannya gas yang ada tidak dapat benar-benar mengikuti
hukum gas ideal tersebut. Hal ini dikarenakan gas tersebut memiliki deviasi
(penyimpangan) yang berbeda dengan gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada
temperatur tetap, nilai deviasinya akan semakin kecil dari hasil yang didapat
dari eksperimen dan hasilnya akan mendekati kondisi gas ideal. Namun bila
tekanan gas tesebut semakin bertambah dalam temperatur tetap, maka nilai
deviasi semakin besar sehingga hal ini menandakan bahwa hukum gas ideal kurang
sesuai untuk diaplikasikan pada gas secara umum yaitu pada gas nyata atau gas
riil.
Gas ideal memiliki deviasi (penyimpangan) yang lebih
besar terhadap hasil eksperimen dibanding gas nyata dkarenakan beberapa
perbedaan pada persamaan yang digunakan sebagai berikut:
·
Jenis gas
·
Tekanan gas.
Ketika jarak antar molekul menjadi semakin kecil, terjadi interaksi antar
molekul dimana tekanan gas ideal lebih besar dibanding tekanan gas nyata (Pnyata
< Pideal)
·
Volume gas.
Dalam gas ideal, volume gas diasumsikan sama dengan volume wadah karena gas
selalu menempati ruang. Namun dalam perhitungan gas nyata, volume molekul gas
tersebut juga turut diperhitungkan, yaitu: Vriil = Vwadah –
Vmolekul
Hukum
gas ideal klasik dapat dituliskan sebagai berikut:
Bentuk terakhir
adalah murni dalam suku-suku kuantitas intensif dan berguna ketika
mensimulasikan persamaan Euler
karena mengekspresikan hubungan antara energi dalam dan bentuk-bentuk energi
lain (seperti energi kinetik), sehingga memperkenankan simulasi untuk mematuhi
Hukum Pertama.Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hukum Charles, yakni hukum gas
ideal (persamaan (, disebut gas ideal.
Namun, didapatkan, bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak
secara ketat mengikuti hukum gas ideal.
Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari
perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan kata lain, semakin
kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya. Paling tidak ada dua alasan yang menjelaskan
hal ini. Peratama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume
gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan.
Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil.
Selain itu, ketika jarak antarmolekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi
antarmolekul akan muncul.
Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals
(1837-1923) mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai
persamaan keadaan van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia memodifikasi
persamaan gas ideal dengan cara sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi
pada P untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul, mengurangi dari suku V yang
menjelaskan volume real molekul gas
a dan b adalah nilai yang ditentukan secara eksperimen
untuk setiap gas dan disebut dengan tetapan van der Waals Semakin kecil nilai a
dan b menunjukkan bahwa perilaku gas semakin mendekati perilaku gas ideal.
Besarnya nilai tetapan ini juga berhubungan dengan kemudahan gas tersebut
dicairkan.
Gas yang mengikuti hukum Boyle
dan hokum Charles,
disebut gas ideal. Namun, didapatkan,
bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak secara ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap,
semakin kecil deviasinya
dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan dengan kata lain, semakin kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya.
Paling tidak, ada dua
alasan yang menjelaskan hal ini. Pertama, definisi temperatur absolut
didasarkan asumsi
bahwa volume gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan.Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil. Selain itu,
ketika jarak antarmolekul
semakin kecil, beberapa jenis interaksi antarmolekul akan muncul. Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai persamaan keadaan
van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia
memodifikasi persamaan gas ideal dengan cara
sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi pada p untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul; mengurango dari suku V yang menjelaskan volume
real molekul gas.
Persamaan van der Waals didasarkan pada tiga perbedaan
yang telah disebutkan diatas dengan memodifikasi persamaan gas ideal yang sudah
berlaku secara umum. Pertama, van der Waals menambahkan koreksi pada P dengan
mengasumsikan bahwa jika terdapat interaksi antara molekul gas dalam suatu
wadah, maka tekanan riil akan berkurang dari tekanan ideal (Pi) sebesar nilai
P’.
Nilai P’ merupakan hasil kali
tetapan besar daya tarik molekul pada suatu jenis jenis gas (a) dan kuadrat jumlah mol gas yang
berbanding terbalik terhadap volume gas tersebut, yaitu:
Kedua, van der Waals mengurangi volume total suatu gas
dengan volume molekul gas tersebut, yang mana volume molekul gas dapat
diartikan sebagai perkalian antara jumlah mol gas dengan tetapan volume molar
gas tersebut yang berbeda untuk masing-masing gas (V – nb).
Dalam persamaan gas ideal (PV = nRT), P (tekanan) yang
tertera dalam persamaan tersebut bermakna tekanan gas ideal (Pi), sedangkan V
(volume) merupakan volume gas tersebuT
Nilai a dan b didapat dari eksperimen dan disebut
juga dengan tetapan van der Waals. Semakin kecil nilai a dan b menunjukkan bahwa
kondisi gas semakin mendekati kondisi gas ideal. Besarnya nilai tetapan ini
juga berhubungan dengan kemampuan gas tersebut untuk dicairkan. Berikut adalah
contoh nilai a dan b pada beberapa gas.
|
a (L2 atm mol-2)
|
b (10-2
L mol-1)
|
H2
|
0.244
|
2.661
|
O2
|
1.36
|
3.183
|
NH3
|
4.17
|
3.707
|
C6H6
|
18.24
|
11.54
|
|
|
|
Tidak ada komentar:
Posting Komentar