TERMOMETER GAS VOLUME KONSTAN
I. Latar Belakang
Hukum mengenai termodinamika tidak pernah lepas dari variabel suhu, tekanan, dan volume. Persamaan yang dihasilkan sangatlah unik, karena dengan mengubah 2 variabel tertentu dan 1 variabel konstan maka akan didapatkan hasil persamaan yang berbeda-beda. Dari keterkaitan 3 variabel tersebut dapat diaplikasikan sebagai termometer gas volume tetap. Dimana dengan menjaga volumenya konstan (tetap), saat temperature (suhu) diubah maka akan terjadi perubahan pula pada tekanannya(Zemansky,1954).
Oleh karena itu dilakukanlah percobaan termometer gas volume konstan ini, untuk dapat memahami lebih dalam mengenai termometer gas volume konstan serta mengaplikasikannya.
II. Tujuan Percobaan
2.1 Untuk menginvestigasi hubungan antara variabel termodinamik suhu dan tekanan suatu gas (udara) pada volume tetap
2.2 Untuk menentukan nilai nol mutlak dan dibandingkan dengan nilai referensi
III. Dasar Teori
Termometer gas volume tetap merupakan termometer yang dibuat berdasarkan pada perubahan tekanan gas karena adanya perubahan temperatur (suhu) dengan menjaga tetap volumenya. Jadi, pada temperatur gas volume tetap, thermometric propertynya adalah tekanan gas (P), karena tekanan gas tidak dapat terlihat maka yang dapat terukur dari thermometer ini adalah perubahan panjang kolom air raksa sebagai sesuatu yang berubah akibat interaksi termal(Moran,2004).
Gas ideal didefinisikan sebagai salah satu dimana semua tumbukan antara atom atau molekul bersifat elastis sempurna dan dimana tidak ada kekuatan menarik antarmolekul. Sesuatu dapat memvisualkan sebagai kumpulan bola sempurna keras yang bertabrakan tetapi dinyatakan tidak berinteraksi satu sama lain. Dalam gas seperti itu, semua energi internal dalam bentuk energi kinetik dan perubahan energi internal diserta dengan perubahan suhu. Gas ideal dapat dicirikan oleh tiga variabel keadaan yaitu, tekanan mutlak (P), volume (V), dan suhu mutlak (T) dengan persamaan sebagai berikut :
PV = nRT = NKT ..........(1)
Hukum gas ideal dapat dipandang ketika muncul dari tekanan kinetik molekul gas bertabrakan dengan dinding wadah sesuai dengan Hukum Newton. Tetapi terdapat pola unsur statistik dalam penentuan energi kinetik rata-rata molekul. Suhu diambil secara proporsional dengan energi kinetik rata-rata molekul dan memanggil gagasan tentang temperature-kinetik. Satu mol gas ideal pada keadaan STP menempati 22,4 liter(Jorena,2009).Untuk memperbaiki keadaan gas ideal pada suhu dan tekanan tertentu, pada tahu 1873 fisikawan asal Belanda bernama Johaner Diderik Van Der Waals mengusulkan persamaan gas yang dikenal dengan persamaan Van Der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal dengan cara menambah faktor koreksi pada volume dan tekanan. Volume memerlukan faktor koreksi karena partikel-partikel gas nyata mempunyai volume yang tidak dapat diabaikan, sehingga Van Der Waals mengurangi volume gas terukur dengan volume efektif total molekul-molekul gas sebesar nb dengan tujuan untuk memperhatikan ukuran partikel-partikel gas, dengan persamaan :
Videal = Veksternal - nb ..........(2)
Videal merupakan volume gas ideal, Veksternal
adalah volume yang terukur pada waktu percobaan, n yaitu jumlah mol, dan b adalah
konstanta Van Der Waals. Faktor koreksi yang kedua yaitu tekanan, maka besar
jumlah molekul persatuan volume, maki besar jumlah tumbukan yang dialami oleh
dinding wadah serta makin besar pula gaya tarik-menarik yang dialami oleh
molekul-molekul gas yang hampir menumbuk dinding wadah, karena itu faktor
koreksi untuk tekanan adalah a(n2/V2) dengan a adalah
konstanta, dan n merupakan jumlah mol gas. Dengan memasukan kedua faktor
koreksi tersebut ke dalam persamaan gas ideal, maka diperoleh persamaan Van Der
Waals sebagai berikut :
Bila dibandingkan dengan persamaan ideal, persamaan Van Der
Waals ini dapat digunakan pada gas nyata dengan besaran suhu dan tekanan lebih
besar. Disamping itu juga, persamaan Van Der Waals dapat menjelaskan
penyimpangan nyata dan gas ideal. Walaupun demikian, persamaan Van Der Waals
ini belum dapat secara sempurna menggambarkan sifat-sifat gas sehingga
digunakan persamaan lain yang dikenal dengan persamaan Virial(Irwansyah,1997).
Termometer gas yang hampir sempurna adalah termometer gas
volume konstan. Prinsip kerja termometer gas volume konstan yaitu volume gas
dijaga agar selalu tetap atau tidak berubah, ketika suhu bertambah, tekanan gas
juga bertambah
Didalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas
dijaga agar selalu tetap dengan cara menaikkan atau menurunkan pipa 2 sehingga
permukaan air raksa dalam pipa 1 selalu berada pada tanda acuan. Jika suhu
meningka tekanan gas dalam tabung juga meningkat. Dikarenakan pipa 2 harus
diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan. Tekanan gas dapat
diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2(Vienik,1991).
Nol mutlak atau nol absolut adalah suhu dimana molekul tidak
bergerak (relatif terhadap molekul lain secara keseluruuhan). Berada pada
temperature (suhu) yang rendah memiliki konsekuensi termodinamika, contohnya
pada nol absolut semua gerakan molekular tidak berhenti tetapi tidak memiliki
energi yang cukup untuk berpindah ke sistem lain. Oleh karena itu dapat
dikatakan bahwa pada temperatur nol kelvin energi molekular bernilai minimal.
Dengan melakukan ekstrapolasi dapat ditentukan bahwa pada suhu -273,15°C
tekanan mutlak gas sama dengan nol, ini berlaku untuk sembarang gas. Hasil
ekstrapolasi suhu pada tekanan nol ini selanjutnya digunakan sebagai dasar
skala suhu dengan nilai nol pada suhu tersebut. Hal ini dikenal dengan skala
suhu kelvin(Holman,2006)
0 K = -273,15°C dan 273,15°C = 0°C ..........(4)
TK = TC + 273,15 ..........(5)
Regresi linier atau metode kuadrat terkecil adalah salah
satu metode untuk menentukan garis lurus terbalik dari sebaran data yang
memiliki atau dibentuk memiliki kecenderungan mendekati garis lurus atau
persamaan linear. Metode ini dianggap sebagai metode terbaik dengan
penyimpangan terkecil jika dibandingkan dengan metode-metode lainnya, karena
metode kuadrat terkecil mermperhitungkan aspek penyimpangan atau kesalahan
secara persamaan statistika dengan persamaan sebagai berikut :
y = a + bx ..........(6)
dengan x dan y merupakan variabel bebas, sedangkan a dan b
merupakan parameter(Cromer,2006).
Dalam matematika, ekstrapolasi adalah proses memperikarkan
nilai suatu variabel melampaui interval pengamatan aslinya berdasarkan
hubungannya dengan variabel lainnya. Ekstrapolasi mirip dengan interpolasi
yaitu menghasilkan perkiraan diantara hasil pengamatan yang diketahui, namu
ekstrapolasi rentan terhadap ketidakpastian yang lebih tinggi dan terhadap resiko
yang lebih tinggi dalam menghasilkan yang tidak bermakna. Ekstrapolasi dapat
diartikan memperluas metode, yaitu mengasumsikan metode yang mirip dan dapat diaplikasian(Petrucci,2006).
IV. Metodologi Percobaan
4.1 Alat dan Bahan
a. Kontainer gas (1 buah), berfungsi sebagai wadah untuk menampung gas
b. Water Bath (1 buah), berfungsi sebagai wadah untuk menampung air yang nantinya air tersebut ditambah dengan air panas untuk memperhatikan antara kenaikan suhu dengan kenaikan tekanan
c. Pipa U (1 buah), sebagai objek percobaan yang menghubungkan antara kontainer gas dengan sisi terbuka yang bertindak sebagai reservoir
d. Selang (1 buah), sebagai penghubung antara komponen, baik kontainer gas dengan pipa U mapupun pipa U dengan reservoir
e. Alkohol (secukupnya), sebagai indikator perubahan suhu
f. Milimeter blok (secukupnya), untuk menandai perubahan ketinggian air raksa yang menunjukkan perubahan suhu
g. Air panas (secukupnya), berfungsi sebagai bahan pembanding antara kenaikan suhu dengan kenaikan tekanan
4.2 Gambar Alat dan Rangkaian Alat
4.3 Langkah Kerja
4.4 Metode Grafik
V. Data dan Analisa
5.2 Analisa Data
Prinsip
kerja pada percobaan ini adalah dengan cara menjaga volume gas agar selalu
konstan atau tidak berubah, yaitu melalui menaikan atau menurunkan pipa 2 (yang
terhubung dengan reservoir) sehingga permukaan alkohol dalam pipa 1 (yang
terhubung dengan kontainer gas) selalu berada pada tanda atau garis acuan,
sebab ketika suhu gas bertambah, tekanan gas juga bertambah. Tekanan gas dapat
diketahui dengan membaca selisih tinggi kolom alkohol antara pipa 2 dengan
tanda acuan pada pipa 1, kemudian selisih ketinggian ini (Δh) disubstitusi ke
dalam persamaan tekanan gas, dan suhu gas didapatkan melalui pengukuran gas
dalam kontainer menggunakan termometer.
Rekomendasi Laporan lain:
Pada
persamaan tekanan gas :
P
= P0 + ρ.g.h ..........(1)
dengan ρ adalah massa jenis alkohol atau air
raksa tergantung nilai dari P0, g adalah percepatan gravitasi, P0
adalah tekanan gas pada atmosfir dan h adalah ketinggian. P0
bernilai 76 cmHg (air raksa) setara dengan tekanan gas 1 atm, atau bisa
dimanipulasi menjadi 1290 cmC2H5OH (alkohol), yang
berarti ketinggian maksimum yang dapat dicapai alkohol adalah sebesar 1290 cm.
Persamaan (1) diatas dapat disederhanakan menjadi :
P
= P0 + Δh ..........(2)
persamaan (2) digunakan untuk
mempermudah perhitungan.
Percobaan
ini menggunakan persamaan gas ideal (pada grafik) daripada gas van der waals
(gas nyata), agar perhitungan yang dilakukan lebih mudah. Walaupun sebenarnya
gas ideal tidak pernah ada pada kehidupan nyata. Gas pada percobaan ini tidaklah
ideal, hal ini disebabkan oleh terpancarnya panas yang keluar akibat kontainer
gas yang tertutup kurang rapat, keluarnya panas melalui rambatan pada permukaan
kontainer gas, selang, dan pipa U.
Alkohol digunakan pada percobaan ini
karena alkohol dapat mengukur suhu yang sangat rendah, sebab alkohol memiliki
titik beku -144 °C. Menggunakan alkohol akan jauh lebih teliti dibandingkan
dengan air raksa, karena kenaikkan suhu yang sangat kecil menyebabkan alkohol mengalami
perubahan volume yang besar sehingga pengukuran ketinggian pada termometer dapat
teramati dengan jelas.
Grafik
dibuat dengan hubungan P(cmHg) dengan T(°C) dimana dari grafik dan perhitungan
manual diperoleh nilai nol mutlak. Temperatur nol multak adalah temperatur pada
saat molekul berhenti bergerak (relatif terhadap molekul lain secara
keseluruhan) yaitu pada suhu 0 K = -273,15 °C. Dianggap sebagai nol mutlak
dalam skala kelvin karena biasanya pengukuran temperatur bekerja pada
temperatur dimana molekul masih bergerak dan selau positif terhadap nol mutlak.
Dari perhitungan grafik manual diperoleh gradien sebesar (0,007 ± 0,002) dengan kesalahan
relatif sebesar 28,6% dan ketelitian sebesar 71,4% . Hasil yang diperoleh berbeda jauh
dengan literatur dimana suhu yang didapatkan pada perhitungan grafik manual
yaitu 10907°C yang mana nilai literatur sebesar -273,15°C. Adanya perbedaan yang
sangat jauh ini disebabkan oleh kesalahan yang dilakukan dalam pembuatan grafik
dan dalam pengambilan titik saat melakukan pem-plotan garis grafik.
Pada percobaan ini yang bertindak
sebagai variabel bebas adalah suhu (T) sebab terjadi variasi tinggi kolom
alkohol pada pipa U, sedangkan yang bertindak sebagai variabel terikatnya yaitu
tekanan (P). Selain variabel bebas dan variabel terikat didapatkan juga
variabel terkontrol, yaitu volume air pada water bath (V).
Dalam
percobaan ini digunakan perhitungan sebanyaak 3 metode. Metode-metode tersebut
antara lain, metode kuadrat terkecil, metode origin, dan metode grafik.
Digunakannya metode kuadrat terkecil agar didapaktan nilai-nilai nol mutlak
dari persamaan linier atau persamaan garis lurus. Metode grafik digunakan untuk
membandingkan nilai yang diperoleh dari metode kuadrat kecil dengan metode
grafik untuk mengetahui adanya perbedaan atau samanya nilai yang diperoleh, yang
mendekati atau menjauhi dari nilai literatur.
Berdasarkan
metode grafik dan metode kuadrat terkecil terkecil diperoleh nilai x sebesar -493°C dan -538,4°C. Nilai gradien menggunakan metode grafik origin sebesar 0,1449 dengan ketelitian sebesar 99,4%. Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi nilai akhir dari metode grafik dan metode
kuadrat terkecil antara lain seperti mengabaikan nilai 'ρg' pada persamaan
tekanan gas, menganggap gas tersebut adalah ideal, terjadinya kendala saat pengamatan
data karena perubahan ketinggian yang terjadi tidak cukup signifikan, suhu
ruangan yang rendah dan kelembapan yang tinggi dapat memepengaruhi tekanan yang
diberikan pada kontainer gas.
Nilai
nol mutlak pada metode kuadrat terkecil menggunakan persamaan sebagai berikut :
y
= a + bx ..........(3)
dengan y
adalah tekanan (P), x adalah nilai dari suhu (T), a adalah koefisien dari x,
dan b adalah konstanta (perpotong garis dengan sb y). Nilai y atau tekanan pada
saat suhu nol kelvin adalah nol, karena molekul berhenti bergerak pada keadaan
ini sehingga tidak terdapat tekanan apapun saat ini. Oleh karena itu persamaan
mencari nilai nol mutlak menjadi :
x = -a /b ..........(4)
dengan x sebagai nilai nol mutlak.
1 Pada persamaan gas ideal PV = nRT, pada volume konstan maka hubungan tekanan (P) dan suhu (T) berbanding lurus, jika suhu (T) naik maka nilai tekanan (P) juga ikut naik
2 Nilai suhu nol mutlak
a. Literatur = - 273,15°C
b. Metode kuadrat terkecil = - 538,4°C
c. Metode Grafik = 10907°C
d. Metode Origin = - 493°C
VII. Daftar Pustaka
Cromer.2006. Pemanasan Benda. Bandung : Cipta Karya.2 Nilai suhu nol mutlak
a. Literatur = - 273,15°C
b. Metode kuadrat terkecil = - 538,4°C
c. Metode Grafik = 10907°C
d. Metode Origin = - 493°C
VII. Daftar Pustaka
Holman.2006. Penerapan Ilmu Fisika. Jakarta : Tiga Serangkai.
Irwinsyah, H.1997. Gas dan Sifatnya. Jakarta : Erlangga.
Jorena.2009. Pengaruh suhu terhadap gap energi bahan. Jurnal Utan. Vol 3(2) : 456.
Moran, M.2004. Termodinamika Teknik. Jakarta : Erlangga.
Petrucci.2006. Fisika Dasar Mekanika. Jakarta : Salemba Teknik.
Vienik, A.1991. Thermodynamics Of Real Processes. Minsk : Nauka Tehnika.
Zemansky, Sears.1954. Dasar-Dasar Fisika Universitas. Jakarta : Bina Cipta.
VIII. Bagian Pengesahan
-
IX. Lampiran
