Pemuaian Gas

Persamaan  yang memperlihatkan perubahan volume zat cair akibat pemuaian, ternyata tidak cukup untuk mendeskripsikan pemuaian gas. Hal ini karena pemuaian gas tidak besar, dan karena gas umumnya memuai untuk memenuhi tempatnya. Persamaan tersebut hanya berlaku jika tekanan konstan. Volume gas sangat bergantung pada tekanan dan suhu. Dengan demikian, akan sangat bermanfaat untuk menentukan hubungan antara volume, tekanan, temperatur, dan massa gas. Hubungan seperti ini disebut persamaan keadaan. Jika keadaan sistem berubah, kita akan selalu menunggu sampai suhu dan tekanan mencapai nilai yang sama secara keseluruhan.
a. Hukum Boyle
Untuk jumlah gas tertentu, ditemukan secara eksperimen bahwa sampai pendekatan yang cukup baik, volume gas berbanding terbalik dengan tekanan yang diberikan padanya ketika suhu dijaga konstan, yaitu: P V 1 ∝ (T konstan) dengan P adalah tekanan absolut (bukan “tekanan ukur”). Jika tekanan gas digandakan menjadi dua kali semula, volume diperkecil sampai setengah nilai awalnya. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Boyle, dari Robert Boyle (1627 - 1691), yang pertama kali menyatakan atas dasar percobaannya sendiri. Grafik tekanan (P ) terhadap volume gas (V ) untuk suhu tetap tampak seperti pada Gambar 6.12. Hukum Boyle juga dapat dituliskan: PV = konstan, atau P1 V1 = P2 V2 ............ (6.13) dengan: P = tekanan gas pada suhu tetap (Pa) V = volume gas pada suhu tetap (m3 ) P1 = tekanan gas pada keadaan I (Pa) P2 = tekanan gas pada keadaan II (Pa) V1 = volume gas pada keadaan I (m3 ) V2 = volume gas pada keadaan II (m3 ) Persamaan (6.13) menunjukkan bahwa pada suhu tetap, jika tekanan gas dibiarkan berubah maka volume gas juga berubah atau sebaliknya, sehingga hasil kali PV tetap konstan.
b. Hukum Charles
Suhu juga memengaruhi volume gas, tetapi hubungan kuantitatif antara V dan T tidak ditemukan sampai satu abad setelah penemuan Robert Boyle. Seorang ilmuwan dari Prancis, Jacques Charles (1746 - 1823) menemukan bahwa ketika tekanan gas tidak terlalu tinggi dan dijaga konstan, volume gas bertambah terhadap suhu dengan kecepatan hampir konstan, yang diilustrasikan seperti pada Gambar 6.13.

Perlu kita ingat bahwa semua gas mencair pada suhu rendah, misalnya oksigen mencair pada suhu -183 o C. Dengan demikian, grafik tersebut pada intinya merupakan garis lurus dan jika digambarkan sampai suhu yang lebih rendah, akan memotong sumbu pada sekitar -273 o C.
Untuk semua gas, grafik hubungan antara volume V dan suhu T dapat digambarkan seperti pada Gambar 6.13 tersebut, dan garis lurus selalu menuju kembali ke -273 o C pada volume nol. Hal ini menunjukkan bahwa jika gas dapat didinginkan sampai -273 o C, volumenya akan nol, lalu pada suhu yang lebih rendah lagi volumenya akan negatif. Hal ini tentu saja tidak masuk akal. Bisa dibuktikan bahwa -273 o C adalah suhu terendah yang mungkin, yang disebut suhu nol mutlak, nilainya ditentukan -273,15 o C. Nol mutlak sebagai dasar untuk skala suhu yang dikenal dengan nama skala mutlak atau Kelvin, yang digunakan secara luas pada bidang sains. Pada skala ini suhu dinyatakan dalam derajat Kelvin, atau lebih mudahnya, hanya sebagai kelvin (K) tanpa simbol derajat. Selang antarderajat pada skala Kelvin sama dengan pada skala Celsius, tetapi nol untuk skala Kelvin (0 K) dipilih sebagai nol mutlak itu sendiri. Dengan demikian, titik beku air adalah 273,15 K (0 o C) dan titik didih air adalah 2 6K Sehingga hubungan antara skala Kelvin dan Celsius dapat dituliskan: TK = TC + 273,15 ....................... (6.14)
Pada Gambar 6.14 menunjukkan grafik hubungan volume gas dan suhu mutlak, yang merupakan garis lurus yang melewati titik asal. Ini berarti sampai pendekatan yang baik, volume gas dengan jumlah tertentu berbanding lurus dengan suhu mutlak ketika tekanan dijaga konstan. Suhu juga memengaruhi volume gas, tetapi hubungan kuantitatif antara V dan T tidak ditemukan sampai satu abad setelah penemuan Robert Boyle. Seorang ilmuwan dari Prancis, Jacques Charles (1746 - 1823) menemukan bahwa ketika tekanan gas tidak terlalu tinggi dan dijaga konstan, volume gas bertambah terhadap suhu dengan kecepatan hampir konstan, yang diilustrasikan seperti pada Gambar 6.13. Perlu kita ingat bahwa semua gas mencair pada suhu rendah, misalnya oksigen mencair pada suhu -183 o C. Dengan demikian, grafik tersebut pada intinya merupakan garis lurus dan jika digambarkan sampai suhu yang lebih rendah, akan memotong sumbu pada sekitar -273 o C.
c. Hukum Gay Lussac
Hukum Gay Lussac berasal dari Joseph Gay Lussac (1778 - 1850), menyatakan bahwa pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak, dituliskan: P T ∝ atau T P = konstan, atau 2 2 1 1 T P T P = .............. (6.16) dengan: P = tekanan gas pada volume tetap (Pa) T = suhu mutlak gas pada volume tetap (K) P1 = tekanan gas pada keadaan I (Pa) P2 = tekanan gas pada keadaan II (Pa) T1 = suhu mutlak gas pada keadaan I (K) T2 = suhu mutlak gas pada keadaan II (K) Contoh nyata dalam kehidupan sehari-hari adalah botol yang tertutup atau kaleng aerosol, jika dilemparkan ke api, maka akan meledak karena naiknya tekanan gas di dalamnya. Hukum-hukum gas dari Boyle, Charles, dan Gay Lussac didapatkan dengan bantuan teknik yang sangat berguna di dalam sains, yaitu menjaga satu atau lebih variabel tetap konstan untuk melihat akibat dari perubahan satu variabel saja. Hukum-hukum ini dapat digabungkan menjadi satu hubungan yang lebih umum antara tekanan, volume, dan suhu dari gas dengan jumlah tertentu: PV ∝T . Hubungan ini menunjukkan bahwa besaran P, V, atau T akan berubah ketika yang lainnya diubah. Percobaan yang teliti menunjukkan bahwa pada suhu dan tekanan konstan, volume V dari sejumlah gas di tempat tertutup berbanding lurus dengan massa m dari gas tersebut, yang dapat dituliskan: PV ∝ mT.