Fisika, SMA, Topik Belajar

Gas Ideal: Sifat, Hukum, dan Rumusnya | Fisika Kelas 11

December 5, 2022February 16, 2023 by annisa

Hai, Teman KOCO! Sudah siap menerima materi dari Minco? Yap, kali ini Minco akan ajak kamu untuk belajar tentang teori kinetik gas, khususnya gas ideal. Pada materi ini, Minco bakal ngenalin kamu sama berbagai sifat dari gas ideal, hukum-hukum yang membahas tentang gas ideal seperti Boyle, Charles, dan Gay-Lussac, hingga rumus persamaannya. Nah, penasaran apa itu gas ideal? Yuk, langsung simak penjelasannya di bawah ini!

Apa Itu Gas Ideal?

Perlu kamu ketahui, pembahasan kita kali ini masuk ke dalam teori kinetik gas, dimana teori ini yang membahas sifat-sifat gas (mikroskopis) berdasarkan tinjauan energi dan gaya antara partikel-partikelnya, termasuk gas ideal. Jadi, gas ideal adalah kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang tidak saling berinteraksi. Jarak antar partikel dari gas ideal ini pun cukup jauh dan bergerak secara acak. Selain itu, gas ideal ini mempunyai sifat dan interaksi yang lebih sederhana dibandingkan gas-gas lain seperti gas yang kita hirup atau gas yang keluar dari kendaraan bermotor.

Sifat Gas Ideal

Ada beberapa sifat dari gas ideal yang perlu kamu ketahui, yaitu:

Jumlah partikelnya banyak.
Tidak ada gaya tarik-menarik (interaksi) antarpartikel.
Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan.
Setiap tumbukan antarpartikel gas dengan dinding ruangan terjadi secara lenting sempurna.
Partikel gas yang berada di suatu ruangan tersebar secara merata.
Setiap partikel gas bergerak secara acak ke segala arah.
Berlaku hukum Newton tentang gerak.
Energi kinetik rata-rata molekul gas sebanding dengan suhu mutlaknya.
Tidak memiliki volume dan gaya antar partikelnya diabaikan, kecuali tumbukan.

Konsep Mol Pada Gas Ideal

Untuk menyatakan banyaknya zat pada gas ideal, maka kamu bisa menggunakan sebuah besaran yang disebut sebagai jumlah zat dengan satuan standar internasionalnya adalah mol. Dalam 1 mol zat sendiri terdapat 6,022 x 10²³ partikel yang terkandung di dalamnya. Persamaan rumusnya yaitu:

Keterangan:

n = Jumlah zat (mol)
m = Massa zat (g atau kg)
Mr = Massa molekul relatif (g/mol atau kg/mol)
N = Jumlah partikel
N_A = Bilangan Avogadro (6,022.10²³ partikel/mol)

Persamaan Umum Gas Ideal

Gas ideal mempunyai beberapa persamaan umum yang perlu kamu ketahui, yaitu:

Keterangan:

P = Tekanan gas (Pa);
Mr = Massa molekul relatif (kg/mol);
V = Volume gas (m³);
Na = Bilangan Avogadro = 6,02 × 10²³ partikel/mol
m = Massa 1 partikel gas (kg);
R = Tetapan gas ideal (8,314 × 10³ J/kmol.K;
k = Konstanta Boltzman (1,38 × 10^-23 J/K);
N = Jumlah partikel gas;
n = Jumlah mol (mol);
ρ = Massa jenis gas (kg/m³); dan
T = Suhu gas (K).

Hukum Tentang Gas Ideal

Keadaan suatu gas pada ruang tertutup ditentukan oleh tekanan, volume, suhu, dan jumlah molekul suatu gas. Berdasarkan percobaan dan pengamatan yang dilakukan oleh para ilmuwan, ditemukan beberapa hukum yang menerangkan hubungan variabel keadaan suatu gas tersebut, di antaranya yaitu:

Hukum Boyle

Dalam hukum Boyle dinyatakan bahwa, “jika suhu suatu gas dijaga konstan, maka tekanan gas akan berbanding terbalik terhadap volumenya”. Pernyataan lain dari hukum ini adalah hasil kali antara tekanan dan volume suatu gas pada suhu tertentu adalah tetap atau konstan. Keadaan gas dengan suhu tetap ini disebut isotermal. Secara matematis, persamaan keadaannya dapat dituliskan sebagai berikut:

Keterangan:

P₁ = Tekanan gas pada keadaan 1 (N/m²)
P₂ = Tekanan gas pada keadaan 2 (N/m²)
V₁ = Volume gas pada keadaan 1 (m³)
V₂ = Volume gas pada keadaan 2 (m³)

Hukum Charles

Selain hukum Boyle, gas ideal juga dijelaskan dalam hukum Charles yang menyatakan bahwa temperatur mutlak dan volume gas akan berbanding lurus saat tekanan dan jumlah zatnya dijaga dengan tetap. Pernyataan lain dari hukum ini adalah hasil bagi antara volume dan suhu suatu gas pada tekanan tertentu adalah tetap. Keadaan gas dengan tekanan tetap ini disebut isobarik. Kamu bisa menggunakan rumus keadaan berikut ini:

Keterangan:

T₁ = Suhu gas pada keadaan 1 (K)
T₂ = Suhu gas pada keadaan 2 (K)
V₁ = Volume gas pada keadaan 1 (m³)
V₂ = Volume gas pada keadaan 2 (m³)

Hukum Gay Lussac

Ditemukan pada tahun 1802 oleh Joseph Louis Gay-Lussac, hukum ini menyatakan bahwa “jika volume suatu gas dijaga konstan, tekanan gas akan sebanding dengan suhu mutlaknya”. Artinya, proses berlangsung dalam keadaan isokhorik (volume tetap). Persamaan rumusnya adalah sebagai berikut:

Keterangan:

T₁ = Suhu gas pada keadaan 1 (K)
T₂ = Suhu gas pada keadaan 2 (K)
P₁ = Tekanan gas pada keadaan 1 (N/m²)
P₂ = Tekanan gas pada keadaan 2 (N/m²)

Hukum Boyle-Gay Lussac

Sesuai namanya, hukum ini menggabungkan pernyataan dari hukum Boyle dan Gay Lussac, dimana dinyatakan bahwa “hasil kali antara tekanan dan volume dibagi temperatur pada sejumlah partikel atau mol gas adalah tetap”. Secara matematis, persamaan keadaannya dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:

T₁ = Suhu gas pada keadaan 1 (K)
T₂ = Suhu gas pada keadaan 2 (K)
P₁ = Tekanan gas pada keadaan 1 (N/m²)
P₂ = Tekanan gas pada keadaan 2 (N/m²)
V₁ = Volume gas pada keadaan 1 (m³)
V₂ = Volume gas pada keadaan 2 (m³)

Tekanan Gas Ideal

Adanya tekanan gas di dalam ruang tertutup diakibatkan oleh adanya benturan-benturan partikel gas pada dinding tempat gas berada. Besarnya tekanan gas dapat dituliskan sebagai fungsi energi kinetik rata-rata molekul berikut:

Keterangan:

P = Tekanan gas (N/m²)
V = Volume gas (m³)
m = Massa partikel gas (kg)
N = Jumlah partikel gas
v = Kecepatan rata-rata partikel gas (m/s)
Ek = Energi kinetik rata-rata partikel gas (J)

Energi Kinetik Gas

Sesuai dengan sifat gas ideal, tiap partikel gas akan selalu bergerak dengan energi kinetik tertentu. Besarnya energi kinetik gas ideal dapat dirumuskan sebagai berikut:

Untuk N partikel

Keterangan:

EK = Energi kinetik rata-rata molekul (J)
k = Konstanta Boltzman (1,38×10^–23J/K)
T = Suhu gas (K)
N = Jumlah partikel
n = Jumlah mol gas (mol)
R = Tetapan gas (8,314 J/mol∙K)

Energi Dalam

Perlu kamu ketahui bahwa sejumlah gas ideal mengandung N partikel dan setiap partikel memiliki energi kinetik tertentu. Jumlah energi kinetik partikel-partikel gas ideal tersebut inilah yang dinamakan dengan energi dalam gas (U). Berkaitan dengan derajat kebebasannya, energi dalam dari berbagai gas dapat dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

U = Energi dalam gas (J)
N = Jumlah partikel gas
k = Konstanta Boltzman (1,38 × 10^–23J/K)
T = Suhu gas (K)
n = Jumlah mol gas (mol)
R = Tetapan gas (8,314 J/mol∙K)

Contoh Soal Gas Ideal

1. Gas ideal berada di dalam suatu ruang pada mulanya mempunyai volume V dan suhu T. Jika gas dipanaskan sehingga suhunya berubah menjadi 5/4 T dan tekanan berubah menjadi 2P maka volume gas berubah menjadi….

Jawaban:

Volume gas berubah menjadi 5/8 kali volume awal.

2. Suatu gas monoatomik memiliki energi dalam 6 kJ dan berada pada suhu 27^o C. Tentukan banyaknya mol gas tersebut!

Jawaban:

3. Diketahui Sebanyak 0,01 mol gas yang terdapat dalam tangki yang bervolume 100 liter serta bersuhu 87°C. Maka apabila diketahui percepatan gravitasi 10 m/s^2, jadi tentukan tekanan gas tersebut!

Jawaban: