GAS DAN TITIK NOL ABSOLUT

I. Tujuan :
 Setelah melakukan percobaan, dapat menerangkan kelakuan gas pada volume konstan dengan kondisi tekanan dan temperatur yang berbeda.
 Dapat mengerti prinsip kerja Hg-U manometer dan termometer gas.
 Dapat membedakan antara skala Celcius dan skala Kelvin, dan memperkirakan temperatur nol absolut.

II. Perincian kerja :
 Menyelidiki kelakuan gas pada berbagai kondisi tekanan, temperatur (Hukum gas).
 Menggunakan Hg – U manometer.
 Menentukan koefisisen ekspansi untuk udara.
 Menentukan/memperkirakan temperatur titik nol absolut.
 Menggunakan termometer digital dan termokopel.

III. Alat yang Digunakan :
 Gelas kimia 5.000 ml 1 Buah
 Labu leher bulat 1.000 ml 1 Buah
 Termometer 3 Buah
 Manometer Hg – U 1 Buah
 Pipa kaca dan pengaduk 1+1 Buah
 Sumbat labu leher bulat 1 Buah
 Klem + Selang 2+3 Buah
 Heater Spiral 1 Buah

IV. Bahan yang digunakan :
 Air demineral dan Es

V. Dasar teori :
 Hukum-hukum gas :
 Hukum Boyle
Penemuan bahwa tekanan udara dapat diukur dalam bentuk tinggi kolom cairan, segera mendorong pengkajian yang cermat mengenai perubahan volume contoh-contoh gas dengan berubahnya tekanan. Perilaku yang dibuktikan oleh eksperimen yang serupa bersifat khas dari semua gas. Pada temperatur konstan apa saja, makin besar tekanan suatu contoh gas, makin kecil volumenya. Karena semua gas bertindak seperti ini disebut suatu hukum alam. Pertama kali diperagakan kira-kira dalam tahun 1660 oleh Robert Boyle, hukum ini dikenal dengan hukum Boyle. Jika temperatur tetap konstan, volume suatu massa tertentu berbanding terbalik dengan tekanan. Secara matematis dapat ditulis :


Dengan menggunakan data dari contoh khusus nampak bahwa perkalian tekanan dan volume adalah konstan:
1.480 mm x 50 ml = 74.000 mm.ml
740 mm x 100 ml = 74.000 mm.ml

Artinya : v = Konstan jika dinyatakan secara matematis dengan cara lain.
…………… (1)

Lambang V1 dan P1 merujuk ke volume dan tekanan awal, V2 dan P2 merujuk ke volume dan tekanan pada kondisi baru atau yang telah diubah.

 Memecahkan masalah-masalah Hukum Gas
Banyak diantara masalah yang berkaitan dengan hukum gas yang dapat dipecahkan dengan cara sistematis yang sama. Pertama, harus dipahami bahwa untuk memeriksa dengan lengkap suatu contoh gas, empat besaran harus diketahui : Banyaknya materi yang ada (Dinyatakan dalam massa atau banyaknya mol), Volume, Tekanan dan Temperatur. Kedua, seringkali ternyata menolong untuk mendaftar satu perangkat kondisi yang memberikan gas itu dalam keadaan aslinya dan seperangkat lain yang memerikan gas itu dalam keadaan yang telah berubah. Biasanya problem itu dapat dirumuskan sebagai problem dimana suatu besaran anu dalam keadaan berubah harus dicari.
Katakan terdapat gas dengan massa tertentu m, menghuni volume asli V1, pada tekanan tertentu P1, dan gas itu diubah ke tekanan P2. problemnya ialah menghitung volume V2 dalam keadaan terubahkan. Informasi tambahan ialah bahwa temperatur awal dan akhir sama, sebesar T. Tentu saja diandaikan (Biasanya tidak disebut) bahwa tak ada kebocoran dalam alat, sehingga massa gas juga konstan. Dapatlah informasi ini ditata dalam tabel berikut:
m V P T
Asli k V1 (diketahui) P1 (diketahui) k
Diubah k V2 (?) P2 (diketahui) k

Untuk menyatakan bahwa suatu variabel tidak berubah, ditulis lambang k, yang menunjukkan suatu tetapan (konstanta). Mentabelkan informasi itu akan memperjelas bahwa hanya tekanan dan volume berubah, dan karena itu hukum Boyle dapat diterapkan.

 Pengaruh Temperatur
Jika kuantitas tertentu gas dikurung pada tekanan konstan dalam sebuah bejana, volume gas akan berubah dengan temperatur. Gas terkurung diatas cairan dalam suatu silinder berskala yang diselubungi suatu selubung lewat mana dapat dialirkan suatu cairan pada temperatur tertentu. bila temperatur dinaikkan, volume gas bertambah, bila diturunkan volume berkurang. Dengan menaik turunkan labu pengatur permukaan cairan, permukaan dalam labu ; dengan cara ini tekanan gas yang terkurung dapat dijaga agar konstan dan sama dengan tekanan udara luar (tekanan gas dapat juga dibuat konstan dibawah atau diatas tekanan udara luar, dengan meletakkan labu itu pada posisi yang benar).
Katakan suatu silinder mengandung 100 ml udara kering pada 0C. Tabel 4-1 mencantumkan volume udara itu pada pelbagai temperatur lain. Untuk mengurung udara dibawah –38,87C, haruslah digunakan cairan lain pengganti merkurium, karena merkurium membeku pada dan dibawah temperatur itu ; juga diatas 100C penguapan merkurium mulai menambah volume gas yang terkurung.

Tabel 4.1 Perubahan volume udara dengan berubahnya temperatur, pada tekanan konstan.
Temperatur, C Volume, ml
273
200
150
100
50
0
- 50
- 100
- 150 200
173
155
137
128
100
82
63
45

Data dari tabel dialurkan pada grafik pada gambar 4.3. Dalam jangka temperatur yang luas, terdapat hubungan garis lurus antara perubahan temperatur dan perubahan volume. Pada temperatur yang sangat rendah, udara akan mencair. Volume mengecil secara mendadak bila terbentuk cairan. Hubungan garis lurus antara temperatur dan volume menunjukkan bahwa perubahan dalam volume gas berbanding lurus dengan perubahan temperatur, artinya :
ΔV α ΔT

Kesebandingan ini pertama-tama dijumpai oleh ilmuan Perancis, Jacque Charles kira-kira dalam tahun 1787 dan dinyatakan dalam rumus umum oleh J.L. Gay-Lussac dalam tahun 1802.



 Skala Mutlak Temperatur
Ekstrapolasi garis lurus dalam Gambar 4.3 mendorong ke gagasan bahwa seandainya temperatur cukup direndahkan volume yang dihuni oleh udara itu akan menjadi nol. Meskipun sukar dibayangkan bahwa materi dapat bervolume nol, temperatur yang berkaitan dengan “volume nol” pada grafik itu sangat penting artinya. Temperatur ini, yang menurut perhitungan adalah 273,15 dibawah 0Celcius, disebut nol mutlak. Meskipun ekstrapolasi sederhana seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.3 menyatakan bahwa temperatur nol mutlak itu ada, baru dalam tahun 1848 Lord Kelvin secara meyakinkan memperagakan berlakunya skala temperatur mutlak.

Pada skala Kelvin itu, nol mutlak diberi harga 0K. suatu perubahan 1K sama besarnya dengan perubahan 1C, sehingga titik beku air, yang 273,15 derajat diatas nol mutlak, mempunyai harga sebesar 273,15K pada skala Kelvin. Mengubah 0C ke K, 273 (lebih tepat 273,15) harus ditambahkan ke temperatur Celcius.
Tak terdapat temperatur tertinggi yang dapat dihitung karena tak dikenal data atas teoritis untuk temperatur. Temperatur didalam matahari diperkirakan setinggi 30.000.000 K ; temperatur yang dicapai dalam ledakan bom hidrogen diperkirakan 100.000.000 K.

 Hukum Charles
Dalam gambar 4.3 grafik garis lurus temperatur suatu gas versus volumenya menunjukkan bahwa perubahan dalam besaran – besaran ini berbanding lurus satu sama lain. Namun, angka banding langsung antara volume dan temperatur tak diperoleh jika temperatur yang digunakan diambil dari skala Celsius atau Fahrenheit. Bilangan dalam skala-skala ini hanyalah harga relatif. Baik 0C maupun 0F tidak menyatakan ketiadaan temperatur, karena pada masing-masing skala ini masih dapat dibaca temperatur “dibawah nol”.
Karena hanya dalam skala mutlak nol berarti tak ada temperatur, rujukan apa saja ke angka banding langsung antara volume dan temperatur haruslah menyebut bahwa digunakan harga-harga mutlak. Pernyataan hubungan ini dikenal sebagai hukum Charles. Jika tekanan tak berubah, volume gas dengan massa tertentu, berbanding lurus dengan temperatur mutlak. Secara matematis,
V α T
Dengan menggunakan data dari tabel dan mengubah ke temperatur mutlak, nampak bahwa koefisien volume dibagi oleh temperatur mutlak suatu konstanta :




Artinya, V/T = suatu konstanta, atau :

……………. (2)



 Hubungan antara Tekanan dan Temperatur
Terutama dinegeri subtropis, setelah diukur pada pagi hari yang dingin, tekanan udara dalam ban ditengah hari dimusim panas dapat naik secara menyolok setelah mobil dikendarai beberapa jam. Sementara itu volume ban praktis tidak bertambah. Hubungan antara tekanan dan temperatur pada volume konstan tidak lazim dirujuk ke nama penemunya, agaknya karena hubungan ini dikenal secara bertahap oleh beberapa penyelidik. Kadang-kadang diberi nama menurut nama Joseph Gay-Lussac dan kadang-kadang menurut nama Guillaume Amontons, yang menghubungkan tekanan gas ke temperaturnya dan membuat suatu termometer gas atas dasar ini dalam tahun 1703. sumbangan kedua ilmuan ini akan kita hargai dengan menyebut hubungan itu hukum Gay Lussac dan Amontons. Tekanan gas dengan massa tertentu berbanding lurus dengan temperatur mutlak, bila volume tidak berubah. Dinyatakan secara matematis:
P α T
Atau P/T = suatu konstanta. Pernyataan yang setara adalah

……………. (3)


 Aplikasi hukum-hukum gas pada percobaan
Percobaan kali ini akan diselidiki hubungan antara tekanan dan temperatur gas pada volume konstan. Selanjutnya akan digunakan hubungan antara tekanan dan temperatur untuk membuat kurva antara tekanan vs temperatur. Dari hukum Charles dapat diketahui bahwa jika sejumlah volume gas dijaga agar tekanannya konstan, maka volume gas akan berbanding lurus dengan temperatur absolut.
Dapat dilihat pula bahwa dari ekstrapolasi terhadap garis lurus akan diperoleh harga volume nol, pada temperatur –273C atau 0K. Tetapi karena volume pada tekanan konstan dan tekanan pada volume konstan adalah berbanding lurus terhadap temperatur (hukum Gay Lussac) volume pada grafik 4.3 (sumbuY) dapat diganti dengan tekanan, sehingga diperoleh grafik yang sejenis (tekanan vs temperatur) jika kita lakukan ekstrapolasi terhadap garis lurus maka akan diperoleh harga tekanan nol, pada temperatur –273C atau 0K.
Untuk membuat grafik tekanan vs temperatur paling sedikit dibutuhkan 3 titik yang diukur pada volume konstan.
Isi labu gelas dengan udara dan dihubungkan dengan pipa karet vakum (vacum rubber hose). Setelah labu gelas didinginkan hingga 0C, tekanan udara dalam labu akan turun. Hal ini dapat diukur dengan Hg – U manometer p antara nol mmHg dan kenaikan tinggi kolom pada sisi kiri sesuai dengan penurunan tekanan. Dengan demikian diperoleh :
P0 = Patm – ΔP
T0 = 0C atau 273K
P0 adalah tekanan pada 0C atau 273K, ini adalah titik pertama pada grafik antara tekanan vs temperatur. Jika temperatur dalam labu yang berisi udara dinaikkan 1C atau 1K tekanan akan bertambah sebanding dengan kenaikan temperatur (pers 3 Hukum Gay Lussac).


P0 = P1 P1 = Tekanan pada T1
T0 T1 T1 = 1C atau 274K

Dengan demikian dapat kita tulis :
=
Atau dalam bentuk yang lebih umum
Pt = Po ( 1 + Δt)………..(4)
Perbedaan temperatur dalam C atau K
Pt = Tekanan pada temperatur t
Δt = Temperatur dalam C
= 1/273 K-1 (koefisien ekspansi untuk gas ideal)

Persamaan (4) adalah bentuk persamaan dari grafik, tekanan vs temperatur yang ada, yang percobaan ini divariasikan untuk temperatur 0 – 100C. Jika P0 (tekanan pada 0C) diketahui, tekanan Pt pada temperatur (C) yang lain dapat dihitung.
Jika garis lurus pada grafik tekanan vs temperatur diekstrapolasi hingga Pt = C, maka dari persamaan (4) dapat dilihat temperatur yang sesuai adalah sekitar –273C, atau 0K.
Koefisien ekspansi ……………… (4)

Hanya berlaku untuk gas ideal.
Tapi pada kenyataannya tidak terdapat gas ideal. Semua gas akan mencair pada kondisi temperatur dan tekanan tertentu. dengan demikian grafik vs tekanan untuk gas nyata hanya beralaku untuk range tertentu, tetapi dalam range ini untuk kebanyakan gas nyata hampir sama, seperti dapat dilihat pada tabel :

Koefisien ekspansi γ- untuk beberapa gas :

Udara 0,003674 K-1
H2 0,003663 K-1
He 0,003660 K-1
CO2 0,003726 K-1

Untuk tujuan-tujuan praktis dapat kita asumksikan bahwa pada temperatur dan tekanan lingkungan, H2, helium dan udara berkelakuan mendekat gas ideal sebab jauh dari titik cairnya (embunnya). Pada percobaan ini udara ditentukan dengan persamaan (4) :
Pt1 = Po (1 + γ Δt1) atau Po = Pt / (1 + γ Δ t1)
Pt2 = Po (1+ γ Δt2) atau Po = Pt / (1 + γ Δ t2)
Dari dua persamaan diatas diperoleh :


 Prinsip Termometer gas
Pada termometer gas penentuan temperatur didasarkan pada prinsip alat ukur tekanan dengan hukum Gay – Lussac.Dengan dapat digerakkannya tabung sebelah kanan, maka permukaan Hg pada kaki sebelah kiri dapat diatur pada ketinggian hL dengan menyentuh jarum), oleh sebab itu volume gas dalam labu dapat dibuat konstan untuk setiap pengukuran temperatur. Perbedaan tekanan yang diakibatkan kenaikan temperatur sebanding dengan perbedaan tinggi permukaan h = hr – hL (mmHg).
Adanya perbedaan temperatur t1 dan t2 akan mengakibatkan perbedaan tinggi permukaan Hg, h1 dan h2. dari hubungan tekanan h1 dan h2 serta dari tekanan barometer b kita peroleh tekanan dalam labu A.
P1 = b + h1 P2 = b + h2

Sesuai dengan persamaan (4) maka :
P2 = P1 (1 + γ Δ t) jika P1 = Tekanan pada 0C (camp. Air – es)

VI. Prosedur Pengerjaan
 Ditempatkan labu gelas pada sandaran dan dihubungkan dengan Hg – U manometer,
 Dicatat temperatur dan tekanan ruang serta diatur agar Hg – U manometer pada posisi 0 mmHg,
 Dimasukkan labu gelas secara keseluruhan kedalam air es, di tunggu agar permukaan Hg menjadi konstan,
 Dikeluarkan dari air es dan dibiarkan labu menjadi panas sesuai dengan temperatur ruangan,
 Diambil waterbath dan dimasukkan labu secara lengkap didalamnya, dipanaskan sekitar 30C, dicatat temperatur sesungguhnya jika temperatur sudah konstan,
 Air dipanaskan hingga mencapai suhu 40C dicatat temperatur sesungguhnya jika temperatur sudah konstan (diulangi untuk suhu 50C dan 60C),
 Dihitung tekanan P didalam labu dari perbedaan tekanan dan tekanan barometer b untuk tiap temperatur yang sesuai
 Dibuat grafik tekanan P dan temperatur dan ekstrapolasi garis yang terbentuk sampai P = 0 mmHg, untuk temperatur digunakan skala C atau K
 Ditentukan udara dari pengukuran P pada 0C dan titik didih t b dengan menggunakan persamaan 5 dan dibuat hubungan antara tekanan dan temperatur.

VII. Data Pengamatan:
Temperatur (C) h (mmHg) p (mmHg)
6 77 670
16 0 747
31 0 802
40 72 819
50 109 856

Volume labu : 1.140 cm3
Diameter selang : 8 mm = 0,8 cm
VIII. Perhitungan :
 T = 0C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 8 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 4 cm
= 1.140 cm3 – 2,0096 cm
= 1.137,9904 cm3 = 1.137,9904 ml

 Untuk T = 0C
Dik:
To = 0C = 273K
P1 = Pruang = 746 mmHg
T1 = Truang = 31 + 273K = 304K
V1 = 1.140 cm3
Dit:
P0C = ….?
Penyelesaian:



 Untuk T = 30C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 0 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 0 cm
= 1.140 cm3 – 0 cm
= 1.140 cm3 = 1.140 ml



 Untuk T = 40C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 6 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 3 cm
= 1.140 cm3 – 1,5072 cm
= 1.138,4928 cm3 = 1.138,4928 ml


 Untuk T = 50C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 12,4 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 6,2 cm
= 1.140 cm3 – 3,1149 cm
= 1.136,8851 cm3 = 1.136,8851 ml



 Untuk T = 60C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 19,4 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 9,7 cm
= 1.140 cm3 – 4,8733 cm
= 1.135,1267 cm3 = 1.135,1267 ml



 Untuk harga koefisien ekspansi
Dimana :
P2 = T
P1 = R
Δt2 = 333K – 304K = 29K
Δt1 = 273K – 304K = 31K




IX. Pembahasan hasil percobaan :
Percobaan ini bertujuan untuk menyelidiki hubungan antara tekanan dan temperatur gas pada volume konstan. Hubungan ini dapat dilihat dari gambar grafik. Dilihat dari grafik tampak jelas masih terdapat kesalahan dalam percobaan.
Koefisien ekspansi untuk gas ideal yaitu 0,00366 K-1, namun dalam kenyataannya dalam percobaan kami memperoleh beda yang sangat jauh. Ini mungkin diakibatkan karena semua gas akan mencair pada tekanan dan temperatur tertentu.
Sesuai dengan hukum gay lussac dan Amontons tentang hubungan tekanan dan temperatur diperoleh bahwa tekanan udara di dalam labu bulat berbanding lurus dengan temperatur mutlak bila volumenya tidak berubah. Artinya semakin besar tekanan di dalam labu maka temperatur di dalam labu pun akan meningkat jika volumenya tetap.
Pada temperatur di bawah suhu ruang dalam artian 0oC diperoleh Hg-U manometer bergerak ke arah labu sehingga volume udara di dalam labu mengecil dan sebaliknya pada temperatur di atas suhu ruang dalam artian setelah air dipanaskan dari 30C sampai 60C volume udara dalam labu bertambah sehingga cairan Hg-U manometer bergerak ke arah berlawanan






Grafik hubungan antara Tekanan dengan Temperatur



























X. Kesimpulan :
 Tekanan pada suhu 30C adalah
 Tekanan pada suhu 40C adalah
 Tekanan pada suhu 50C adalah
 Tekanan pada suhu 60C adalah
 Dari hasil percobaan disimpulkan bahwa Koefisien ekspansi dari udara dalam ruangan pada saat praktikum adalah

XI. Jawaban Pertanyaan :
 Pada thermometer gas, pada kaki sebelah kiri Hg dapat digerak-gerakkan untuk menjaga agar permukaan Hg pada kaki kiri konstan (volume yang tetap dalam labu A mengikuti hukum Gay Lussac). Pada percobaan ini tabung Hg – U manometer adalah tetap. Apa akibatnya. Berikan pernyataan dan buat perkiraan untuk menunjukan kemungkinan perbedaan besarnya tekanan di dalam labu.
 Akan berakibat volume gas didalam labu akan dapat kita buat konstan untuk setiap pengukuran temperatur.
 Kita dapat memperkirakan besarnya beda tekanan yang terjadi didalam labu karena tekan gas dengan cara memperhatikannya pada tabung Hg – U manometer besarnya skala yang ditunjukan oleh kedua sisi Hg, dengan jalan mengukur jauhnya setiap sisi dan hal ini dijadikan besarnya beda tekanan yang terjadi didalam labu.
 Yang mana dari 2 temperatur tetap (fix points) dalam skala Celcius dan bagaimana cara mengukurnya ?
 Yaitu 0C, diukur dengan menggunakan thermometer raksa, dengan melihat skalanya pada thermometer yang terdapat didalam labu bulat dan ditunggu selama 2 menit hingga suhu konstan.
 Bagaimana hubungan antara skala Celcius dan Kelvin !
 Skala celcius jika dihubungkan dengan skala Kelvin maka harga temperatur 0C akan setara dengan 273K (tetapi sebenarnya yang tepat adalah 273,15K), dan jika celcius ingin dikompersikan kedalam Kelvin maka cukup tinggal menambahkan besarnya xC dengan 273K
 Apa defenisi titik nol absolut !
 Titik nol absolut adalah temperature yang berkaitan dengan volume nol yang menurut perhitungan adalah 273,17 derajat dibawah 0C
 Bagaimana caranya mengkalibrasi (secara kasar) thermometer gas, jika tidak terdapat thermometer yang tepat ; sedang yang ada hanya barometer.
 Untuk pertanyaan ini tidak terjawab, karena berhubung tidak dipraktekkan.

XII. Daftar pustaka :
 Sienko M.J, Experimental Chemistry, MC Graw-Hill, Singapore, 1985.