Electrical Engineering Learning of Andalas University: Bab 5 Gas

Chapter 5: Gas (5.5 - 5.8)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Tujuan

1. TUJUAN

Mengetahui dan memahami Stoikiometri Gas
Mengetahui dan memahami Hukum Dalton tentang Tekanan Parsial
Mengetahui dan memahami Teori Kinetik Gas
Mengetahui dan memahami Penyimpangan dari Perilaku Gas Ideal
Mampu Memahami Prinsip Uji

2. ALAT DAN BAHAN

A. Alat

Tabung Reaksi

Labu Erlenmeyer

Gelas Beaker Kimia

Kawat uji

Pembakar Bunsen

B. Bahan

Litium

Natrium

Kalium

3. DASAR TEORI

5.5 Stoikiometri Gas [kembali]

Stoikiometri gas adalah salah satu jenis stoikiometri dimana gas terlibat dalam menghitung jumlah relatif reaktan dan produk .Stoikiometri gas berlaku jika gas yang dihasilkan dianggap ideal, dan suhu, tekanan, serta volume gas diketahui. Stoikiometri gas menggunakan gas ideal dengan volume 22,4 L.

Gambar 5.1 Perhitungan stoikiometri yang melibatkan gas.

5.6 Hukum Dalton Tentang Tekanan Parsial [kembali]

Pada tahun 1801, Dalton merumuskan hukum yang menyatakan bahwa tekanan total suatu campuran gas merupakan jumlah dari tekanan yang diberikan oleh masing-masing gas yang ada dalam campuran.

Gambar menggambarkan hukum Dalton.

Pada tabung 1 berisi gas A ,dan pada tabung 2 berisi gas B dengan T dan V yang sama pada kedua tabung. Kedua gas memiliki persamaan gas ideal sebagai berikut:

Dalam campuran gas A dan B, tekanan total PT adalah hasil dari tabrakan kedua jenis molekul, A dan

B, dengan dinding wadah. Jadi, menurut hukum Dalton,

Untuk mengetahui bagaimana setiap tekanan parsial terkait dengan tekanan total, pertimbangkan lagi kasus campuran dua gas A dan B. Dengan membagi PA dengan PT , didapatkan persamaan

Di mana XA disebut fraksi mol A.Fraksi mol selalu lebih kecil dari 1. Secara umum, fraksi mol komponen i dalam campuran diberikan oleh

Perhatikan bahwa jumlah fraksi mol untuk campuran gas harus sama dengan satu. Jika hanya ada dua komponen, maka

Jika suatu sistem mengandung lebih dari dua gas, maka tekanan parsial dari komponen ke-i terkait dengan tekanan total diberikan oleh

Pi = XiPT

5.6.1 Aplikasi Hukum Dalton Tekanan Parsial

Hukum tekanan parsial Dalton berguna untuk menghitung volume gas yang dikumpulkan di atas permukaan air. Misalnya, jika potasium klorat (KClO₃) dipanaskan, akan terurai menjadi KCl dan O₂:

2KClO₃(s) → 2KCl(s) + 3O₂(g)

Gas oksigen dapat dikumpulkan di atas permukaan air, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.3. Awalnya, botol terbalik sepenuhnya diisi dengan air. Ketika gas oksigen dihasilkan, gelembung-gelembung gas naik ke atas dan memindahkan air dari botol. Metode pengumpulan gas ini didasarkan pada asumsi bahwa gas tersebut tidak bereaksi dengan air dan tidak mudah larut di dalamnya. Asumsi ini berlaku untuk gas oksigen, tetapi tidak untuk gas seperti NH₃, yang mudah larut dalam air. Gas oksigen yang dikumpulkan dengan cara ini tidak murni, karena uap air juga ada dalam botol. Total tekanan gas sama dengan jumlah tekanan yang diberikan oleh gas oksigen dan uap air:

Akibatnya, harus dibiarkan tekanan yang disebabkan oleh keberadaan uap air ketika menghitung jumlah O₂ yang dihasilkan

Gambar 5.3 Peralatan untuk mengumpulkan gas di atas air. Oksigen yang dihasilkan oleh pemanasan kalium klorat (KClO₃) bersama sejumlah kecil mangan dioksida (MnO₂), yang mempercepat reaksi, digelembungkan melalui air dan dikumpulkan dalam botol seperti yang ditunjukkan. Air yang awalnya ada dalam botol didorong ke bak oleh gas oksigen.

TABEL 5.1 Tekanan Uap Air Tiap Suhu

Gambar 5.4 Tekanan uap air sebagai fungsi suhu. Perhatikan bahwa pada titik didih air (100°C) tekanannya adalah 760 mmHg, yang persis sama dengan 1 atm.

5.7 Teori Kinetik Molekul Gas [kembali]

Pada abad ke-19 beberapa orang fisikiawan terutama Ludwig Boltzmann dan James Clerk Maxwell, menemukan bahwa sifat fisik gas dapat dijelaskan dalam hal pergerakan masing- masing molekul. Gerakan molekul ini adalah bentuk energi, yang didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja atau untuk menghasilkan perpindahan. Temuan Maxwell, Boltzmann, dan lainnya menghasilkan sejumlah generalisasi tentang perilaku gas yang sejak itu dikenal sebagai teori kinetika molekul gas, atau dapat disebut teori kinetika gas. Inti dari teori kinetika gas adalah asumsi sebagai berikut:

1. Gas terdiri dari molekul-molekul yang terpisah antara satu sama lain dengan jarak yang jauh lebih besar daripada dimensi molekul-molekul itu sendiri. Molekul dapat dianggap sebagai "titik-titik" yang memiliki massa tetapi volumenya dapat diabaikan.

2. Molekul-molekul gas senantiasa bergerak secara tetap dengan arah yang acak, dan molekul-molekul gas sering bertabrakan antara satu sama lain. Tabrakan antar molekul bersifat elastis sempurna. Dengan kata lain, energi dapat ditransfer dari satu molekul ke molekul yang lain sebagai akibat dari tabrakan. Namun demikian, energi total semua molekul dalam suatu sistem tetap sama.

3. Molekul-molekul gas tidak memberikan gaya tarik maupun gaya tolak antara satu sama lain.

4. Energi kinetik rata-rata molekul sebanding dengan suhu gas dalam Kelvin. Setiap dua gas apa pun pada suhu yang sama akan memiliki energi kinetik rata-rata yang sama. Energi kinetik rata-rata dari suatu molekul diberikan oleh

di mana m adalah massa molekul dan 𝒗 adalah kecepatannya. Bilah horizontal menunjukkan nilai rata-rata. Kuantitas 𝒗² (bar) disebut rata-rata kuadrat kecepatan; rata-rata itu adalah rata-rata dari kuadrat kecepatan semua molekul:

di mana N adalah jumlah molekul. Asumsi ke-4 memungkinkan untuk menuliskan

sehingga,

Dari keempat inti sari, dapat disimpulkan bahwa berdasarkan teori kinetik gas, tekanan gas adalah hasil tumbukan antara molekul- molekul dan dinding wadahnya. Tekanan gas dipengaruhi oleh frekuensi tabrakan per satuan luas dan seberapa "kuat" molekul gas menarik dinding.

5.7.1 Aplikasi Teori Kinetik Gas

1. Kompresibilitas Gas. Karena molekul dalam fasa gas dipisahkan oleh jarak yang besar, gas dapat dikompresi dengan mudah untuk menempati volume yang lebih kecil.

2. Hukum Boyle. Tekanan yang diberikan oleh gas dihasilkan sebagai akibat tumbukan molekul-molekulnya pada dinding wadah. Laju tumbukan, atau jumlah tumbukan molekul dengan dinding per detik, sebanding dengan kerapatan jumlah (yaitu, jumlah molekul per satuan volume) gas.

3. Hukum Charles. Karena rata-rata energi kinetik molekul gas sebanding dengan suhu mutlak sampel, menaikkan suhu akan meningkatkan energi kinetik rata-rata. Akibatnya, molekul akan bertabrakan dengan dinding wadah lebih sering dan dengan pengaruh yang lebih besar jika gas dipanaskan, dan dengan demikian tekanan meningkat. Volume gas akan mengembang sampai tekanan gas seimbang dengan tekanan eksternal yang tetap.

4. Hukum Avogadro. Kita telah menunjukkan bahwa tekanan gas berbanding lurus dengan kerapatan dan suhu gas. Karena massa gas berbanding lurus dengan jumlah mol (n) gas, dapat direpresentasikan kerapatan dengan n/V. Karena itu

Untuk dua gas, dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dari rumus diatas diketahui bahwa C adalah konstanta proporsionalitas. Jadi, untuk dua gas dalam kondisi tekanan, volume, dan suhu yang sama (yaitu, ketika P₁ = P₂, T₁ = T₂, dan V₁ = V₂), maka n₁ = n₂

5. Hukum Tekanan Parsial Dalton. Jika molekul-molekul tidak saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak satu sama lain, maka tekanan yang diberikan oleh satu jenis molekul tidak terpengaruh oleh adanya gas lain. Akibatnya, tekanan total diberikan oleh jumlah tekanan masing-masing gas.

Distribusi Kecepatan Molekul .

Seperti yang kita ketahui, Teori kinetika gas memungkinkan untuk menyelidiki gerakan molekul secara lebih rinci. Namun terjadi masalah yang telah diduga, itu adalah gerakan molekul yang benar-benar acak dan tidak dapat di prediksi. Sehingga menimbulkan suatu pertanyaan pada saat tertentu, berapa banyak molekul yang bergerak dengan kecepatan tertentu?. Untuk menjawab pertanyaan ini, Maxwell menganalisis perilaku molekul gas pada temperature berbeda dan mendapatkan hasil yang disajikan dalam bentuk kurva seperti gambar 5.5 (a) dan (b)

Gambar (a) menunjukkan kurva distribusi kecepatan menurut Maxwell yang tipikal untuk gas nitrogen pada tiga suhu berbeda. Pada suhu tertentu, kurva distribusi memberi informasi tentang jumlah molekul yang bergerak dengan kecepatan tertentu. Puncak setiap kurva mewakili kecepatan yang paling mungkin, yaitu kecepatan dari molekul-molekul dengan jumlah terbanyak. Perhatikan bahwa kecepatan yang paling mungkin meningkat seiring meningkatnya suhu (puncaknya bergeser ke kanan). Selain itu, kurva juga mulai turun dengan meningkatnya suhu, menunjukkan bahwa jumlah molekul yang lebih banyak bergerak dengan kecepatan yang lebih besar. Gambar (b) menunjukkan distribusi kecepatan dari tiga gas pada suhu yang sama. Perbedaan dalam kurva dapat dijelaskan dengan mencatat bahwa molekul yang lebih ringan rata-rata bergerak lebih cepat daripada molekul yang lebih berat.

Distribusi kecepatan molekul dapat di aplikasikan sebagai peralatan yang ditunjukkan pada Gambar 5.6 (a) dan 5.6 (b)

Adapun gambar 5.6 (a) merupakan peralatan untuk mempelajari distribusi kecepatan molekul pada suhu tertentu. Pompa vakum menyebabkan molekul bergerak dari kiri ke kanan seperti yang ditunjukkan. Sedangkan gambar 5.6 (b) merupakan penyebaran deposit pada detektor memberikan kisaran kecepatan molekul, dan kerapatan deposit sebanding dengan jumlah molekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda.

Akar Rata-Rata Kuadrat Kecepatan

Salah satu hasil dari teori kinetik gas adalah bahwa total energi kinetik satu mol gas sama dengan ³/₂RT. Sebelumnya ditunjukkan bahwa energi kinetik rata-rata dari satu molekul adalah ½m𝒗² dan dapat dituliskan :

di mana NA adalah bilangan Avogadro dan m adalah massa molekul tunggal. Karena NAm = ℳ, persamaan di atas dapat disusun ulang untuk mendapatkan

Dengan mengambil akar kuadrat dari kedua belah sisi diperoleh

Persamaan di atas menunjukkan bahwa akar rata-rata kuadrat kecepatan gas meningkat dengan meningkatnya akar kuadrat suhunya (dalam Kelvin). Karena ℳ muncul dalam penyebut, maka semakin berat gas, semakin lambat molekulnya bergerak.

Difusi Gas

Difusi gas adalah proses penyebaran gas secara bertahap yang mengacu pada senyawa molekul gas dan molekul gas lainnya. Proses difusi gas membutuhkan waktu yang relative lama untuk diselesaikan seperti ilustrasi gambar 5.7 berikut

Gambar 5.7

Untuk menyelesaikan masalah difusi gas, pada tahun 1832 seorang ahli kimia yang bernama Skotlandia Thomas Graham menemukan bahwa di bawah kondisi suhu dan tekanan yang sama, laju difusi untuk gas berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari massa molarnya. Hasil penemuannya itu sekarang dikenal dengan “Hukum Difusi Gas”, yang dinyatakan secara matematis sebagai :

di mana r₁ dan r₂ adalah laju difusi gas 1 dan 2, dan ℳ₁ dan ℳ₂ masing-masing adalah massa molarnya.

Efusi Gas

Efusi adalah proses di mana gas di bawah tekanan luar dari satu kompartemen wadah ke wadah lain dengan melewati lubang kecil. Gambar 5.8 menunjukkan efusi gas ke dalam ruang hampa. Meskipun efusi berbeda dari difusi di alam, laju efusi gas memiliki bentuk yang sama dengan hukum difusi Graham. Balon karet helium berlapis lebih cepat daripada balon udara karena laju efusi melalui pori-pori karet lebih cepat untuk atom helium yang lebih ringan daripada untuk molekul udara. Secara industri, efusi gas digunakan untuk memisahkan isotop uranium dalam bentuk gas ²³⁵UF₆ dan ²³⁸UF₆. Dengan mengarahkan gas ke banyak tahap efusi, para ilmuwan dapat memperoleh isotop ²³⁵U yang sangat diperkaya, yang digunakan dalam pembuatan bom atom selama Perang Dunia II.

Gambar 5.8

Efusi gas dapat dirumuskan sebagai berikut :

5.8 Penyimpangan dari Perilaku Gas Ideal

Berikut ini adalah keadaan- keadaan saat gas berperilaku tidak ideal :

Gambar 5.9

Gambar 5.9 menunjukkan PV/RT diplotkan terhadap P untuk tiga gas nyata dan gas ideal pada suhu tertentu. Grafik ini memberikan uji perilaku gas ideal. Menurut persamaan gas ideal (untuk 1 mol gas), PV/RT sama dengan 1, terlepas dari tekanan gas nyata. (Ketika n = 1, PV = nRT menjadi PV = RT, atau PV/RT = 1.) Untuk gas nyata, ini berlaku hanya pada tekanan sedang (≤ 5 atm); penyimpangan signifikan terjadi ketika tekanan meningkat. Gaya tarik beroperasi di antara molekul-molekul pada jarak yang relatif dekat. Pada tekanan atmosfer, molekul-molekul dalam gas berjauhan dan gaya tariknya dapat diabaikan. Pada tekanan tinggi, kerapatan gas meningkat; molekul-molekulnya lebih dekat satu sama lain. Gaya antarmolekul kemudian dapat menjadi cukup signifikan untuk mempengaruhi gerakan molekul, dan gas tidak akan berperilaku ideal.

Gambar 5.10

Gambar 5.10 Pengaruh gaya antarmolekul pada tekanan yang diberikan oleh gas. Kecepatan molekul yang bergerak menuju dinding wadah (bola merah) dikurangi oleh gaya tarik yang diberikan oleh molekul tetangganya (bola abu-abu). Akibatnya, dampak yang dihasilkan molekul ini dengan dinding tidak sebesar jika tidak ada gaya antarmolekul yang hadir. Secara umum, tekanan gas yang diukur lebih rendah dari tekanan yang diberikan oleh gas jika berperilaku ideal.

RUMUS UNTUK MENCARI PERSAMAAN GAS NON IDEAL

Persamaan Van Der Walls :

Persamaan diatas untuk menyelesaikan persoalan gas non ideal dengan mengaitkan P, V, T, dan n. untuk memberikan kesepakan terbaik antara persamaan dan perilaku yang diamati dari gas terttentu,maka diperlukan konstanta Van Der Walls a dan b seperti tabel grafik 5.2 di bawah ini :

Tabel Grafik 5.2

4. PERCOBAAN

A. Prosedur Percobaan

Step 1:SUSUN dan SIAPKAN KOMPONEN

Step 2:RANGKAI KOMPONEN

Step 3: BUAT SIMULASI PADA PROTEUS

Step 4: MENCOBA RANGKAIAN

Step 5: MENERAPKAN RANGKAIAN

B. Gambar Rangkaian Simulasi

C. Prinsip Kerja

Saat test pin berlogika 0, maka tidak ada orang yang datang. Sehingga tidak ada tegangan yang keluar dari kaki Vout sensor pir dan tidak adanya arus yang mengalir melalui resitor, maka nilai tegangan yang terbaca pada kaki base transistor yaitu sebesar 0 volt dan transistor bc547 dalam keadaan off. Akibatnya tidak adanya tegangan dari power supply ke relay terus ke kaki collector lanjut ke kaki emittor dan diteruskan ke ground dan switch posisi ke arah kiri, rangkaian tidak tertutup atau berbentuk loop dan motor pun hidup

Pada saat test pin berlogika 1, yaitu pada saat ada orang datang, maka tegangan yang keluar dari Vout sensor terbaca sebesar 4,99 volt. Tegangan melalui resistor menuju basis transistor. Nilai tegangan yang terbaca pada basis transistor yaitu sebesar 0,82 volt. Tegangan sebesar itu cukup untuk mengaktifkan transistor. Aktifnya transistor, maka tegangan yang melalui relay akan diteruskan ke kaki kolektor transistor, kemudian menuju kaki emitor transistor dan diteruskan ke ground, sehingga relay menjadi aktif. Dengan aktifnya relay, maka posisi saklar berpindah yang menyebabkan loop menjadi tertutup. Tegangan dari baterai akan diteruskan ke led dan buzzer, sehingga led dan buzzer menjadi aktif.

Video Pembelajaran Materi