Pengertian Gas Ideal, Hukum Boyle, Charles dan Gay Lussac

Gas dapat dipandang secara mikroskopik dan secara makroskopik. Contoh beberapa besaran makroskopik misalnya volume, tekanan, suhu. Besaran-besaran ini secara langsung dapat diukur di laboratorium. Besaran-besaran lain seperti laju, partikel, momentum partikel, energi kinetik partikel adalah besaran mikroskopik. Besaran ini tidak dapat diukur secara langsung di laboratorium.


Dalam uraian kali ini, tinjauan dibatasi pada gas ideal. Dalam kenyataannya, sifat gas semacam gas ideal tidak ada. Tetapi gas dianggap pada tekanan rendah dan pada suhu kamar dapat dianggap sudah mempunyai sifat mendekati gas ideal.

Teori kinetik gas menjelaskan sifat-sifat gas (misalnya tekanan) dengan menggunakan hukum-hukum Newton terhadap gerak molekul-molekul (atau partikel-partikel) gas dan beberapa anggapan terhadap gas (gas ideal). Beberapa anggapan dasar yang dibuat untuk gas ideal dalam teori kinetik adalah sebagai berikut.

1. Gas terdiri dari partikel-partikel yang disebut molekul.
2. Partikel-partikel gas bergerak dalam lintasan lurus dengan kelajuan tetap dan geraknya adalah acak.
3. Gerak partikel hanya disebabkan oleh tumbukan partikel lain ataupun dengan dinding wadahnya. Ini berarti antar partikel dianggap tidak ada gaya tarik-menarik.
4. Dalam semua tumbukan antarpartikel gas, baik antarpartikel ataupun dengan dinding wadahnya tidak ada kehilangan energi (tumbukan lenting sempurna).
5. Selang waktu tumbukan antar partikel berlangsung secara singkat.
6. Volum partikel gas sangat kecil dibandingkan dengan wadah yang ditempatinya sehingga dapat diabaikan.
7. Untuk semua partikel gas berlaku hukum-hukum Newton tentang gerak.

Beberapa istilah besaran yang digunakan dalam persoalan gas ideal.

Pengertian Satu Molekul dengan Satu Mol

Satu mol gas adalah sejumlah gas yang mengandung N_o molekul. N_o adalah bilangan Avogadro, yang dalam ilmu kimia nilai,

N_o = 6,02 x 10²³ molekul/mol

Karena kita sering menggunakan satuan SI, yaitu kg, maka dalam fisika lebih sering menggunakan nilai N_o sebagai berikut.

N_o = 6,02 x 10²⁶ molekul/kmol

Massa Molekul dan Massa Satu Molekul

Massa molekul adalah massa satu kilomol zat yang dinyatakan dalam kg. Misalnya, massa molekul C-12 adalah 12 kg/kmol; M gas hidrogen = 2 kg/kmol, M gas O₂ = 32 kg/mol. (Dalam ilmu kimia, massa molekul, M, bisa dinyatakan dalam g/mol, misalnya M C-12 = 12 g/mol).

Massa satu molekul suatu zat (m_o) adalah massa satu molekul zat yang dinyatakan dalam kg. Karena 1 mol setiap zat mengandung N_o molekul, maka massa satu molekul zat dinyatakan oleh :

m_o = M/N_o

Perhatikan, untuk satuan M dalam kg/kmol, maka haruslah N_o = 6,02 x 10²⁶ molekul/kmol, dan satuan m_o yang diperoleh adalah kg.

Hubungan banyak mol dengan massa total gas

Misalkan massa total gas = m kg, maka banyak mol gas (n) adalah :

n = m/M

Hubungan banyak mol dengan jumlah molekul

Misalkan jumlah molekul yang terkandung dalam suatu gas N molekul, maka banyak mol gas adalah

n = N/N_o

Hukum Boyle

Robert Boyle (1627-1691) melakukan percobaan untuk menyelidiki hubungan tekanan dengan volume gas dalam suatu wadah tertutup pada suhu konstan. Hubungan tersebut pertama kali dinyatakan pada tahun 1666, yang dikenal sebagai Hukum Boyle.

Jika suhu gas yang berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) dijaga konstan, tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.


Pada gambar di atas jika dalam sebuah ruang tertutup terdapat gas ideal yang suhunya dibuat tetap, persamaan keadaan gas hanya ditentukan oleh tekanan (P) dan volume (V) gas, sehingga pada gas akan berlaku suatu persamaan :

PV = Konstan

atau

P₁ V₁ = P₂ V₂

Persamaan keadaan gas untuk suhu tetap ini disebut Hukum Boyle. Jika kita buat grafik berhubungan antara tekanan gas terhadap volume gas akan diperoleh grafik seperti pada gambar berikut.


Jika tekanan gas diturunkan, berarti volume gas diperbesar. Sebaliknya, jika tekanan dinaikkan, volume gas akan mengecil, dengan suhu gas tetap.

Hukum Charles dan Gay Lussac

Jacques Charles (1746-1823) dan Joseph Gay Lussac (1778-1805) menyelidiki hubungan antara suhu dengan volume tekanan tetap. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Charles dan Gay Lussac yang berbunyi sebagai berikut :

Jika tekanan gas dalam bejana tertutup (tidak bocor) dijaga konstan, volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya.

Secara sistematis, pernyataan di atas dapat ditulis :

V/T = Konstan

atau

V₁/T₁ = V₂/T₂

Ket :
V = Volume (m³)
T = Suhu mutlak (K)

Jika suhu gas dinyatakan dalam t^oC, suhu mutlak gas T dalam satuan kelvin dihitung dengan persamaan

T = t + 273

Hubungan antar suhu dengan tekanan pada volume tetap juga berhasil diselidiki oleh Charles dan Gay Lussac yang dinyatakan dengan hukumnya sebagai berikut.

Jika volume gas yang berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) dijaga konstan, tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya.

Secara sistematis, pernyataan di atas dapat ditulis

P/T = Konstan

atau

P₁/T₁ = P₂/T₂

Tetapi dalam keadaan lain, suhu gas tidak dapat dipertahankan tetap. Untuk keadaan itu berlaku Hukum Boyle Gay Lussac.