MAKALAH KIMIA FISIKA

PERILAKU GAS

Oleh : Kelompok 1

Ambar Maresya 1306370796

Ardita Rizky P.A 1306402293

Fairuz Nawfal 1306413435

Nadia Tuada Afnan 1306413422

Nugrahirani Hijrianti 1306402766

TEKNOLOGI BIOPROSES

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK

OKTOBER 2014

1

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat

dan karunia-Nya yang telah dilimpahkan sehingga kami dapat menyelesaikan

makalah kimia fisika yang berjudul “PERILAKU GAS” ini dengan baik.

Makalah kimia fisika ini disusun sebagai salah satu tugas mata kuliah

kimia fisika dari pemicu 1. Selain itu, penulisan makalah ini bertujuan agar kami

dapat memahami prinsip dasar perilaku gas, suhu, tekanan, dan hukum-hukum gas

ideal sehingga dapat menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan materi-materi

tersebut dalam kehidupan sehari-hari.

Penulis banyak menerima masukan dan bantuan terkait penyusunan

makalah ini. Untuk itu, kami mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Ir. Setiadi, M.Eng., selaku dosen mata kuliah Kimia

Analitik yang telah berkenan memberikan pengarahan dan bimbingan

kepada kami selama mempelajari mata kuliah ini.

2. Kak Sabrina Zahra dan Kak Jason Gabriel Jonathan, selaku asisten

dosen mata kuliah Kimia Fisika yang telah membantu kami dalam

pemeriksaan tugas dan memberi informasi terkait cara menyelesaikan

tugas dan makalah.

3. Semua pihak yang telah membantu, baik secara langsung maupun

tidak langsung yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu.

Kami berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi seluruh rekan

mahasiswa serta seluruh kalangan masyarakat. Namun, kami menyadari bahwa

makalah ini masih memiliki banyak kekurangan dari segi ilmiah maupun

penyajiannya. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan kritik dan saran yang

membangun bagi perbaikan makalah di masa yang akan datang.

Depok, 20 Oktober 2014

Penulis

2

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .....................................................................1

DAFTAR ISI .............................................................................................2

BORANG KONTRIBUSI .................................................................................3

BAB I : TEORI .................................................................................4

BAB II : PROBLEM SET ....................................................................11

BAB III : KESIMPULAN ....................................................................20

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................21

LAMPIRAN ............................................................................................22

3

BORANG KONTRIBUSI

Kelompok 1

Nama NPM Kontribusi

Ambar Maresya 1306370796 - Mengerjakan soal

problem lapangan

kompresi gas

- Menggabungkan

makalah

Ardita Rizky P. A. 1306402293 - Mengerjakan materi

perilaku gas

- Mencetak makalah

Fairuz Nawfal H. 1306413435 - Mengerjakan materi

perilaku gas tentang

tekanan

- Membuat materi

hukum-hukum gas ideal

Nadia Tuada Afnan 1306413422 - Mengerjakan materi

kompresi gas

- Mengerjakan materi

hukum van der waals

Nugrahirani Hijrianti 1306402766 - Mengerjakan Problem

set 1.1 dan 1.22

- Membuat kesimpulan

4

BAB I

TEORI

1. Perilaku Gas

Gas adalah suatu wujud atau bentuk dari unsur-unsur tertentu di bumi.

Fasa unsur dalam bentuk gas umumnya memiliki ciri-ciri diantaranya memiliki

volume dan bentuknya menyesuaikan bentuk wadahnya, dapat dimampatkan,

dapat dengan mudah dicampur, serta memiliki angka kerapatan yang rendah.

Gas memiliki sifat fisika dan bisa dikatakan sebagai sebuah gas ketika

sudah bisa dispesifikasi berdasarkan volume, jumlah mol, tekanan, dan suhunya.

Namun, dari empat variabel ini, hanya tiga yang dapat dispesifikasi. Sisanya

sudah pasti mempunyai nilai. Untuk hal ini, terdapat suatu persamaan yang

disebut persamaan gas.

P = f(T, V, n)

Dan terdapat pula satu persamaan yang disebut persamaan gas ideal, yang dapat

ditulis sebagai berikut:

P = n.R.T/V

1.1 Tekanan

Tekanan dapat didefinisikan sebagai gaya yang diberikan per satuan luas

area dimana gaya tersebut diberikan. Semakin besar gaya yang diberikan, maka

semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. Sebaliknya, apabila luas areanya

semakin besar, maka tekanan yang dihasilkan akan berkurang. Untuk kasus gas,

tekanan yang dihasilkan oleh suatu gas berasal dari hantamannya ke dinding

tempat gas tersebut berada. Banyaknya jumlah hantaman yang diberikan membuat

gas tersebut menghasilkan sebuah gaya yang tunak, dan tekanan yang tunak pula.

Satuan Internasional untuk tekanan adalah Pascal (Pa). 1 Pa didefinisikan

sebagai 1 N m-2. Selain Pa, terdapat pula satuan yang digunakan secara luas di

seluruh dunia, seperti misalnya bar. 1 bar kurang lebih sama dengan 1 atm, atau

5

bila dikonversi menjadi Pa adalah 105 Pa. Satuan ini sering digunakan untuk

mengidentifikasi tekanan pada suatu keadaan, atau biasa ditulis sebagai pϴ.

Tekanan Tinggi Tekanan Rendah

Dinding yang dapat bergerak

Tekanan Sama

Tekanan rendah Tekanan tinggi

Gambar 1. Ilustrasi Kesetimbangan Mekanis

Ilustrasi diatas menggambarkan, bahwa apabila terdapat gas bertekanan

rendah dan tinggi dalam satu wadah yang dipisahkan oleh sebuah dinding yang

dapat bergerak (piston), maka gas dengan tekanan lebih tinggi akan

menggerakkan dinding tersebut dan menekan ke area dimana gas bertekanan

rendah berada. Namun akan ada saat ketika dua area yang dipisahkan piston

6

tersebut memiliki tekanan yang sama, sehingga tidak menggerakkan

pistontersebut. Kondisi ini disebut dengan kesetimbangan mekanis.

a) Pengukuran Tekanan

Tekanan dapat diukur menggunakan barometer. Barometer diciptakan oleh

Toricelli. Barometer awalnya merupakan sebuah tabung merkuri yang

dibalikkan lalu ditutup pada bagian atasnya. Ketika merkuri berada pada

kesetimbangan mekanis dengan tekanan atmosfer, maka tekanan pada bagian

dasar tabung sama dengan tekanan atmosfer di tempat tersebut. Itu berarti

tinggi merkuri dalam tabung tersebut sama dengan tekanan atmosfer.

Gambar 2. Barometer Klasik

(sumber: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Old-

barometers.jpg)

Gambar. 3. Cara Kerja Barometer Toricelli

7

(sumber:http://www.earthonlinemedia.com/ebooks/tpe_3e/circulation/

merc_barometer.jpg)

b) Bagaimana cara mengukur tekanan di dalam air?

Tekanan di dalam air disebut tekanan hidrostatis. Rumus dari tekanan ini

didapat dari penurunan rumus tekanan P = FA

. Dimana F = m.g . Massa (m)

sendiri merupakan nilai massa jenis air (C) dikalikan volume wadah air

tersebut (V). Volume wadah itu sendiri dapat dijabarkan sebagai luas

permukaan (A) dikalikan tinggi (h). Sehingga rumus tekanan dapat dijabarkan

sebagai P = ρ . A .h . g

A = ρ.h.g.

1.2 Suhu

Konsep suhu berkembang dari penelitian mengenai kondisi fisik seperti

adanya perubahan volume yang dapat terjadi ketika ada dua objek berbeda yang

saling terhubung satu sama lain. Dalam penelitian tersebut didapatkan adanya

pergerakan energi dari satu objek ke objek lain. Suhu merupakan besaran yang

menyatakan derajat panas atau dingin suatu benda yang menunjukkan adanya

aliran energi pada kondisi benda tersebut. Alat yang digunakan untuk mengukur

suhu disebut termometer.

Awal ditemukannya termometer yang dirancang berdasarkan penelitian,

suhu diukur dengan suatu kolom cairan yang akan menampilkan perbedaan tinggi

cairan pada kolom apabila kontak dengan es mencari dan juga dengan air

mendidih. Perbedaan tinggi cairan pada kolom ini dijadikan batas atas dan batas

bawah dari termometer dan ditetapkan dalam skala 100-0. 100 untuk titik tertinggi

ketika kontak dengan air mendidih, 0 untuk titik terendah ketika kontak dengan

es. Skala 100-0 ini dinyatakan dalam derajat Celsius (°C) sesuai nama penemunya

yaitu Anders Celcius.

Namun, terdapat perbedaan skala ketika cairan yang digunakan berbeda,

atau kolom dan peralatan penelitiannya berbeda. Perbedaan ini menyebabkan

adanya ketidakseragaman skala yang digunakan pada saat itu. Oleh karena itu,

dibuatlah skala gas ideal yang disebut skala suhu termodinamika dengan satuan

8

Kelvin (K). Skala ini digunakan sebagai skala suhu universal (Skala Internasional

– SI) yang dilambangkan hanya sebagai ‘K’ tanpa ‘°’. Penggunaan satuan ini akan

membedakan skala gas ideal dengan skala lain yang tidak absolut. Hubungan

antara Skala Termodinamika dengan Skala Celsius yaitu :

TK

= ϴ° C

+273.15

1.3 Hukum-hukum gas

Ada beberapa hukum gas yang sering dipelajari diantaranya :

a) Hukum Boyle : pV = konstan, ketika n dan T tetap

b) Hukum Charles : V/T = konstan, ketika n dan p tetap

c) Prinsip Avogadro : p/T = konstan, ketika n dan V tetap

dimana p adalah tekanan, T adalah suhu, V adalah volume, dan n adalah mol

unsur/senyawa. Hukum-hukum gas ini secara umum memiliki kesamaan bahwa

hal-hal yang mempengaruhi perilaku gas adalah faktor-faktor dalam persamaan

diatas. Oleh karena itu, ada keterkaitan dalam persamaan yang diekspresikan

sebagai suatu konstanta gas atau dinotasikan sebagai R. Dan persamaan akhirnya

yaitu :

pV=nRT

yang disebut sebagai persamaan gas ideal. Gas ideal didefinisikan sebagai gas

yang memiliki karakteristik menaati persamaan diatas, yaitu ada kesebandingan

antarfaktor dalam persamaan tersebut. Dalam realitanya di Bumi, tidak ada gas

yang ideal (selalu memenuhi persamaan gas ideal diatas).

2. Faktor Kompresi

Faktor kompresi adalah sebuah ukuran penyimpangan keadaan gas nyata

dibandingkan dengan keadaan gas ideal. Faktor kompresi sebuah gas dipengaruhi

oleh tekanan serta temperatur dengan mematuhi persamaan van der Waals.

PV =RTZ

9

Maka, Z=P VmRT

Faktor kompresi juga didapatkan dengan membandingkan Volume molar

gas nyata dengan volume molar gas ideal;

Z= VmactualVm perfect

Perilaku gas nyata tercerminkan dengan nilai Z yang terbagi menjadi 3 bagian

utama, yaitu;

z = 1 pada tekanan rendah, berkelakuan secara ideal

z < 1 pada tekanan sedang maka gaya tarikan dominan

z > 1 pada tekanan tinggi terlihat gaya tolakan dominan

Selain dengan persamaan van der Waals, nilai faktor kompresi juga dapat dihitung

menggunakan persamaan Virial.

PV=RT (1+ BV m

+ C

V m2+…)

maka,

Z=PVmRT

=¿)

3. Persamaan van der Waals

Persamaan van der Waals mengekspresikan perilaku gas nyata (real gas)

yang berbeda dengan gas ideal. Persamaan ini diturunkan dari persamaan virial di

mana faktor kompresi dapat dicari dengan memasukkan nilai spesifik gas secara

langsung. Persamaan yang dimaksud adalah;

P= RTV−nb

−a ( nV

)2

10

dengan nb adalah penyimpangan gaya tolak pada gas nyata. Gaya tolak menolak

yang terjadi menyebabkan volume gas menyusut dengan penyusutan yang tidak

bisa diabaikan. Gaya tersebut menyebabkan gas bergerak dalam volume yang

lebih kecil, sesuai dengan V−nb. Sedangkan a ( nV

)2

adalah penyimpangan gaya

tarik antar molekul. Gaya tarik menarik molekul akan mengurangi gaya tumbukan

pada wadah, sebanding dengan konsentrasi molar. Persamaan volume molar

sebagai berikut;

Vm=Vn

Berkurangnya tumbukan gas akan berpengaruh pada berkurangnya tekanan, hal

ini diekspresikan dengan tanda minus (-) pada persamaan di atas.

Persamaan van der Waals berkaitan erat dengan persamaan volume molar.

Kedua persamaan tersebut dapat disubstisusi maka dapatlah persamaan sebagai

berikut,

P= RTVm−b

− aVm ²

di mana nilai a dan b adalah konstanta yang telah ditetapkan untuk masing-masing

gas.

11

BAB II

PROBLEM SET

1. Problem 1.1

Recent communication with the inhabitants of Neptune have revealed that they

have a Celcius-type temperature scale, but based on the melting point (0°N) and

boiling point (100°N) of their most common substance, hydrogen. Further

communications have revealed that the Neptunians know about perfect gas

behaviour and they find that, in the limit of zero pressure, the value of pV is 28

dm3 atm at 0°N and 40 dm3 atm at 100°N. What is the value of the absolute zero

of temperature on their temperatur scale?

Jawab : Persamaan Gas Ideal

pV=nRT

dengan P adalah tekanan, V adalah volume, n adalah jumlah mol, R adalah konstanta gas

ideal, dan T adalah suhu.

Dari soal 1.1 diatas, diketahui pada saat suhu Neptunian menunjukkan 0°N, nilai pV

yaitu 28 dm3 atm dan pada saat suhu Neptunian 100°N, nilai pV gas ideal 40 dm3

atm. Maka, kita perlu mencari suhu dalam K sesuai persamaan gas ideal diatas.

pV = nRT

T=P VnR

0°N ----> T=P Vn R

=28 dm3 atm0.082

= 341.5 K

100°N ----> T=P VnR

=40 dm3 atm0.082

= 487.8 K

Dari nilai suhu tersebut didapatkan perbandingan skala suhu Neptunian dengan

suhu mutlak K yaitu :

12

487.8−341.5100−0

=146.3100

=1.463

Nilai perbandingan ini menunjukkan bahwa setiap kenaikan/perubahan 1° suhu

Neptunian sama dengan kenaikan/perubahan 1.463° suhu mutlak K. Perbandingan ini

dapat kita gunakan sebagai nilai pembanding pada suhu nol absolut (yang ditanyakan

dalam soal) :

T = 0 K ----> 341.5−0=1.463 (0−x )

341.5=1.463 (−x )

−x=341.51.463

x=−233.424

x=−233° N

Maka, suhu nol mutlak sama dengan -233° pada skala Newtonian.

2. Problem 1.22

Derive an expression for the compression factor of a gas that obeys the equation

of state p(V-nb) = nRT, where b and R are constants. If the pressure and

temperature are such that Vm = 10b, what is the numerical value of the

compression factor?

Jawab : Sesuai dengan definisinya, Z adalah rasio antara Volume molar suatu gas

dengan Volume molar gas ideal. Jika dirumuskan menjadi :

Z=V mactual

V m perfect

=V m

V m0

V m0 gas ideal dapat dijabarkan sebagai berikut : p V m

0 =RT

Persamaan yang diberikan pada kasus ---> p (V m−nb )=nRT

V m=b+ RTp

=b+V m0

13

V m=10 b

10 b=b+V m0

V m0 =10 b−b=9 b

Maka persamaan Z dapat diubah menjadi --->

Z=b+V m

0

V m0 =1+ b

V m0

Z=1+ b9b

=1+ 19=10

9

Z=1.11

3. Real Problem tentang Perilaku Gas di Lapangan

1. Hitunglah berapa harga kompressibilitas faktor (”Z”) untuk masing-masing

komponen gas serta campuran gas tersebut (sesuai kel. )----minimal 5

komponen

2. Hitunglah volume molar untuk campuran gas (sesuai kel.)

Berbagai Komposisi Gas Alam Beserta Sumbernya

Anggap Gas pada tekanan 13.94 MPa [2021 psia] and 331 K [595 oR]

Component

Gas

Kangean-Selat

Madura

(untuk Kel 1)

Badak-Kaltim

(Untuk Kel 2)

Riau

(Untuk Kel 3)

Laut Jawa

Jawa Barat

(Untuk kel. 4)

C1 89.907 84.19 52.80 50.11

C2 3.059 5.26 7.02 6.52

C3 1.960 2.96 5.16 10.46

n-C4 0.442 0.64 1.80 2.01

14

i-C4 0.319 0.55 0.96 1.75

i-C5 0.205 0.23 0.74 0.55

n-C5 0.121 0.16 0.76 0.46

C6+ 0.230 0.36 4.70 0.92

CO2 2.424 5.60 19.66 25.18

N2 1.323 0.05 6.15 0.18

H2S nd 0.50 ppbw nd nd

(senyawa

belerang)

nd 25 ppbw nd nd

Jawaban:

1. A. Nilai Z 5 Komponen

Komponen Tc (K) Pc (bar) T Tr P Pr

C1 190,6 46,21655 331 1,736621196 139,4 3,016235413

C2 562,7 49,25724 331 0,588235294 139,4 2,830040743

C3 369,822 42,50255 331 0,895025174 139,4 3,279803079

CO2 304,2 73,83448 331 1,088099934 139,4 1,888006725

N2 125,95 33,9931 331 2,628026995 139,4 4,100831812

C1

o Pr = P/Pc

= 139,4/46,21655

= 3,0162354

o Tr = T/xTc

15

= 331/190,6

= 1,736621196

o Z = f(Tpr, Ppr). Menggunakan grafik Z (terlampir) dan teknik

interpolasi 2 titik

x−x1x2−x 1 = y− y 1

y2− y1

1,7−1,61,8−1,6 = y−0,7

0,8−0,7

y = z = 0,75

C2

o Pr = P/Pc

= 139,4/49,25724

= 2,830040743

o Tr = T/xTc

= 331/562,7

= 0,588235294

o Z = f(Tpr, Ppr). Menggunakan grafik Z (terlampir) dan teknik

interpolasi 2 titik.

x−x1x2−x 1 = y− y 1

y2− y1

0,58−0,11,05−0,1 = y−0,6

0,8−0,6

y = z = 0,701

C3

o Pr = P/Pc

= 139,4/42,50255

16

=3,279803079

o Tr = T/xTc

= 331/369,822

= 0,89502517

o Z = f(Tpr, Ppr). Menggunakan grafik Z (terlampir) dan teknik

interpolasi 2 titik.

x−x1x2−x 1 = y− y 1

y2− y1

0,9−0,51,05−0,5 = y−0,7

0,8−0,7

y = z = 0,7727

CO2

o Pr = P/Pc

= 139,4/73,83448

=1,888006725

o Tr = T/xTc

= 331/304,2

= 1,08809993

o Z = f(Tpr, Ppr). Menggunakan grafik Z (terlampir) dan teknik

interpolasi 2 titik.

x−x1x2−x 1 = y− y 1

y2− y1

1,08−1,051,1−1,05 = y−0,7

0,8−0,7

y = z = 0,76

N2

17

o Pr = P/Pc

= 139,4/33,9931

= 4,100831812

o Tr = T/xTc

= 331/125,95

= 2,628026995

o Z = f(Tpr, Ppr). Menggunakan grafik Z (terlampir) dan teknik

interpolasi 2 titik.

x−x1x2−x 1 = y− y 1

y2− y1

2,62−2,62,8−2,6 = y−0,6

0,7−0,6

y = z = 0,61

B. Mencari nilai Z campuran

Kompone

n

Fraksi

Tc (K) xTc Pc (bar) xPc

Mol

(x)

C10,89907 190,6 171,363

46,216

6 41,5519

C20,03059 562,7 17,213

49,257

2 1,50678

C30,0196 369,822 7,24851

42,502

6 0,83305

n-C4 0,00442 425,15 1,87916 38,460 0,17

18

7

i-C40,00319 407,75 1,30072

36,993

4 0,11801

i-C50,00205 460,35 0,94372

34,234

5 0,07018

n-C50,00121 469,85 0,56852

34,053

8 0,04121

C6+0,0023 507,65 1,1676

30,608

3 0,0704

CO20,02424 304,2 7,37381

73,834

5 1,78975

N20,01323 125,95 1,66632

33,993

1 0,44973

TOTA

L 210,724 46,601

o Pr = P/ΣxPc

= 139,4/46,60101

= 2,991351427

o Tr = T/xTc

= 331/210,7240892

= 1,570774377

o Z = f(Tpr, Ppr). Menggunakan grafik Z (terlampir) dan teknik

interpolasi 2 titik.

19

x−x1x2−x 1 = y− y 1

y2− y1

1,57−1,51,6−1,5 = y−0,6

0,8−0,6

y = z = 0,74

2. Volum molar campuran gas

– Dik:

o Z = 0,74

o P = 137,5 atm

o T = 331 K

o R = 0.082058 L atm / mol K

– Dit: Volum molar campuran gas

– Jawab:

• Vm = 0,74 x 0.082058 x 331

137.5

• Vm = 0,146 L/mol

Vm = ZRT

P

20

BAB III

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari pembahasan mengenai perilaku gas

dan permasalahan lapangan yang diberikan antara lain :

3.1 Gas adalah wujud atau bentuk dari suatu unsur yang memiliki ciri-ciri

diantaranya memiliki volume dan bentuknya sesuai bentuk wadahnya,

dapat dimampatkan, dapat dengan mudah dicampur, serta memiliki

kerapatan yang rendah.

3.2 Gas Ideal adalah gas yang memenuhi hukum-hukum gas ideal. Pada

hukum gas ideal tersebut, gas tidak berubah volumenya apabila pada

keadaan tekanan dan suhu yang sama. Persamaan gas ideal yaitu :

P = n.R.T/V

dimana P = tekanan

n = mol

R = tetapan gas ideal

T = suhu

V = volume

3.3 Gas Nyata adalah gas-gas yang ada di Bumi, yaitu di atmosfer Bumi. Gas

nyata ini tidak memenuhi hukum gas ideal. Sebagai rumus untuk

menghitung nilai-nilai gas nyata, kita dapat menggunakan hukum Van der

Waals berikut :

P= RTV m−b

− aV m ²

dimana a dan b adalah konstanta Van der Waals gas tertentu.

3.4 Faktor Kompresi adalah faktor Z berguna untuk memperkirakan perilaku

gas sesungguhnya. Jika Z bernilai satu, maka gas merupakan gas ideal.

Jika Z tidak bernilai satu, maka gas merupakan gas nyata.

3.5 Berdasarkan problem set 1.1, nilai suhu nol mutlak sama dengan -233°

pada skala Newtonian.

3.6 Berdasarkan problem set 1.2, nilai Z=1.11.

21

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2001. Kinwtika Reaksi Kimia. Dari laman oc.its.ac.id/ambilfile.php?

idp=1561 (Diakses pada 22 Oktober 2014 pukul 05.40 WIB)

Atkins, Peter. 2006. Physical Chemistry. New York : W.H. Freeman and

Company.

Coker, A. Cayode, Ph. D. 2001. Modeling of Chemical Kinetics and Reactor

Design. Texas : Gulf Publishing Company.

H. Helmi. 2011. Suhu dan Tekanan. Dari laman

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/23998/4/Chapter%20II.pdf

(Diakses pada 21 Oktober 2014 pukul 22.05 WIB)

22

LAMPIRAN

Grafik Faktor Kompresibilitas Gas (Z)