Day 9 - Teori Kinetik Gas - Edit Chotimah 2012

8/19/2019 Day 9 - Teori Kinetik Gas - Edit Chotimah 2012

1/50

12/17/2012 [email protected]


2/50

Modul pertm ke 9TEORI KINETIK GAS

Jurusan Fisika FMIPA UGM



3/50

Aplikasi teori kinetik (molekul) gas

Pembuatan

bandeng/ayampresto (tulang

Memanaskan

makanan/minumandengan microwaveoven

Mesin uap (keretauap/PLTU)

Terbentuknyaangin danperubahan cuaca

Mengapa pesawatterbang termasuk helikopter dapat

terbang? Bagaimanamengukurketingginannya?



4/50

Unsur yang berwujud gas pada

tekanan 1 atm dan suhu 25°C



5/50

Komposisi atmosfer bumi

Senyawa %(Volume) Fraksi mola

Nitrogen 78.08 0.7808

Ox en 20.95 0.2095

Komposisi udara yang kita hirup

Argon 0.934 0.00934

Carbon dioxide 0.033 0.00033

Methane 2 x 10-4 2 x 10-6

Hydrogen 5 x 10-5 5 x 10-7

a. Fraksi mol = komponen mol /total mol dalam campuran.



6/50

Penggambaran Makroskopisvs. Mikroskopis



7/50

Teori Kinetik GasTeori Kinetik (atau teori kinetik pada gas) menjelaskan sifat-sifat makroscopik gas(tekanan, suhu, atau volume) denganmemperhatikan komposisi molekular mereka

Tekanan gas tidaklah disebabkan oleh denyut-denyutstatis di antara molekul-molekul, seperti yang didugaIsaac Newton, melainkan disebabkan oleh tumbukan

antarmolekul yang bergerak pada kecepatan yangberbeda-beda.

Dikenal pula sebagai Teori Kinetik-Molekular atauTeori Tumbukan atau Teori Kinetik pada Gas.



8/50



9/50

Model Gas Ideal1. Terdiri atas partikel (atom atau molekul) yang jumlahnya besar2. Partikel-partikel tersebut tersebar merata dalam seluruh ruang

3. Partikel-partikel tersebut bergerak acak ke segala arah4. Jarak antar partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel5. Tidak ada gaya interaksi (atraktif/repulsif) antar partikel

6. Semua tumbukan (antar partikel atau dengan dinding) bersifatlenting sempurna dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat

7. Mempunyai volume yang sangat kecil dibanding volumewadahnya.

8. Mempunyai energi kinetik yang bertambah dengan kenaikansuhu.9. Hukum Newton tentang gerak berlaku



10/50

Tekanan gas

Didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu luasan.

Tekanan Gas

( ) Gaya F

Tekanan P Luas A

= =

Satuan tekanan adalah: atm, mm Hg, torr, lb/in.2

dankilopascal (kPa).

1 atm = 760 mm Hg (eksak)

1 atm = 760 torr

1 atm = 14.7 lb/in.2

1 atm = 101.325 kPa

Gaya

Luasan



11/50

Barometric PressureStandard Atmospheric

Pressure1.00 atm760 mm Hg, 760

12/17/2012 [email protected] Slide 11 of 41

101.325 kPa1.01325 bar1013.25 mbar


12/50

The Kinetic Theory andChanges of State

Gases—Attractionsare insignificant

Liquids—Attractions

are more importantleading to a moreordered state

Solids –Attractions aremost important withan ordered state



13/50

Tekanan dan kelajuan molekul

Three dimensional systems lead to:2

umV

N

3

1P =

u m

is the modal speed

u av

is the simple


2u=

average

u rms


14/50

Distribusikelajuan

molekul

M

3RTu rms =



15/50

The Kinetic Molecular Theory of GasesThe Kinetic Molecular Theory of GasesThe Kinetic Molecular Theory of GasesThe Kinetic Molecular Theory of Gases

Postulat Teori Kinetik Molekul gas:

1. Gas merupakan partikel kecil ( atom atau molekul)

yang bergerak random dengan kecepatan tinggi.Molekul gas bergerak ke semua arah dengan

kecepatan tinggiyaang mengakibatkan gas mengisi

seluruh volume wadahnya.

2. Gara tarik dan tolak antar partkel gas diabaikan.Diatomic gases suchas O2 or N2 hittingthe walls of thecontainer.

3. Volume nyata yang terisi molekul gas sangat kecil

dibanding volume wadah. Bagian terbesar volume gas

adalah ruang kosong, yang mengakibatkan gas

mdapat dimampatkan.



16/50

The Kinetic Molecular Theory of GasesThe Kinetic Molecular Theory of Gases (continued)(continued)The Kinetic Molecular Theory of GasesThe Kinetic Molecular Theory of Gases (continued)(continued)

4. Tenaga kinetik rata-rata

tergantung pada suhu benda.

Partikel gas bergerak lebih

cepat pada suhu yang lebih

tinggi , menumbuk dinding

wadah an akan men ebabkan

kenaikan tekanan.

5. Partikel gas bergerak lurus, sebelum

bertumbukan dengan partikel yang lain atau

dinding wadah dengan tumbukan elastissempurna. Peningkatan jumlah tumbukan

menyebabkan kenakan tekanan



17/50

Partial Pressure of A Gas in A Mixture: Dalton’s LawPartial Pressure of A Gas in A Mixture: Dalton’s Law

Tabung beisi gas He pada tek, 2.0

atm and tabung lain berisi argon

(Ar) pad 4.0 atm.

- when the gases are combined in a

single tank with the same volume

and temperature, the number of

Dalton’s Law of Partial Pressure: in a mixture of unreactive

gases , the total pressure (Ptotal) is the sum of the partial

pressures (Pn) of individual gases: Ptotal = P1 + P2 + P3 +

, ,

determine the pressure in a

container. The total pressure of the

gas mixture is 6.0 atm, which is the

sum of their individual or partial

pressures.



18/50

Sifat-sifat fisis gasExpansion

- Gas tidak mempunyai bentuk tertentu

- Gas tidak mem un ai volum tertentu

- Gas berekspansi / memuai denganmengikuti wadahnya, karena molekul-molekul gas, bergerak dengan sangatcapat, random dan gerakan konstan.



19/50

- Because the attractive forces betweengas particles are slight, gas particlesglide past one another.

- They flow just like liquids.

Fluidity

-In compression, gas particles are pressedclose together.

- This greatly decreases the volumemaking transport much easier

- Gases have much lower densities than

liquids and solids12/17/2012 [email protected]


20/50

Diffusion and Effusion

Diffusion is the mixingof particles of twosubstances caused bytheir random motion.

Effusion is the process

by which gas particlesunder pressure passthrough a tinyopening.



21/50

Tekanan Gas dan Efeknya

Kaleng berisi airsebagian saatdipanaskan akanterbentuk uap didalamnya

Ketika kalengkemudiandidinginkan,ternyata kalengmenjadi penyok,tahukan anda apa

penyebabnya?

Tangki yang siangharinya masih utuh,pada pagi hari jugapenyok, tahukan andaapa penyebabnya?



22/50

ManometerManometer untuk mengukur tekanan gas



23/50

Tekanan AtmosferTekanan atmosfer

Adalah tekanan oleh kolom

udara dari atas atmosfer kepermukaan bumi

permukaanair laut

1 atm

4 km 0.5 atm

10 km 0.2 atm



24/50

Hukum gas ideal

Robert Boyle (1627-1691)

Pada temperatur konstan P >> bila V


25/50

Persamaan Keadaan Gas Ideal

P = Tekanan gas [N.m-2]

T Nk nRT PV B==

A N

N n =

V = Volume gas [m

3

]n = Jumlah mol gas [mol]

N = Jumlah partikel gas

N A = Bilangan Avogadro =

R = Konstanta umum gas = 8,314 J.mol-1 K -1

k B = Konstanta Boltzmann = 1,38 x 10-23 J.K -1

T = Temperatur mutlak gas [K]



26/50

Simple Gas Laws

Boyle 1662 P1

V PV = constant



27/50

Effect of Pressure on Volume Boyle’s Law

1 atm 2 atm 5 atm

5

1

3

1

3

5

1

3

5



28/50

Charles’s Law

Charles 1787

Gay-Lussac 1802 V T V = b T



29/50

Formation of Water



30/50

Dalton’s Law of Partial Pressure


The Problem of Irreversibility in the Kinetic Theory:


31/50

The Problem of Irreversibility in the Kinetic Theory:Maxwell's Demon



32/50

Jacques Charles (1746-1823) Gay

Lussac (1778-1850) Pada kerapatan rendah, untuk

gas

Temperatur absolut sebandingdengan tekanan pada volumekonstan

Temperatur absolut sebandingengan vo ume pa a e anan

konstan

PV = CT

C sebanding dengan jumlah

gas sehinggaPV = NkT

N = jumlah molekul gas

k = konstanta Boltzman 1,381 x

10-23 J/K 12/17/2012 [email protected]


33/50

Terkadang lebih mudahmenyatakan jumlah gasdalam mol daripada dalammolekul sehingga

N = n N A N A = bilangan avogadro 6,022 x

1023 molekul/mol

n = jumlah mol gas

R = konstanta gas umum= 8,314 J/mol.K

= 0,08206 L.atm/mol.K



34/50

Tekanan parsial (Hukum Dalton)Hukum Dalton: tekanantotal campuran gasmerupakan jumlah seluruhtekanan masing-masinggas penyususnnya.....++++++++++++====

c b a tot P P P P

[email protected] of Lecture Outlines,

5–3412/17/2012


35/50

Gas dalam Darah

Dalam aru-paru,O2 memasukidarah,

35

2dari darahdilepas.

Dalam jaringan,O2 memasuki sel-sel, yangmelepaskan CO2ke dalam darah.

Copyright © 2007 by Pearson Education,Inc.Publishing as Benjamin Cummings


G E h e D i


37/50

Interpretasi molekuler tentang temperatur:teori kinetik gas

Temperatur gas adalah ukuran energi kinetik rata2 molekul2 gas Asumsi-asumsi

Gas terdiri dari sejumlah molekul yang bertumbukan elastik satu samalain dan dgn dinding wadah

Molekul terpisah secara rata2

oleh jarak yang besar dibandingkan dgndiameter masing2 dan tidak saling memberikan gaya kecuali bilabertumbukan gas ideal

Tanpa adanya gaya eksternal, tidak ada posisi yang dicenderungi olehmolekul dalam wadah dan tidak ada kecenderungan arah vektorkecepatan



38/50

Tekanan Gas IdealTinjau N buah partikel suatu gas

ideal dalam kotak, masing-masingdengan kecepatan:

k vvivv ˆˆˆ ++=

z

A

l

………….

k v jvivv z y xˆˆˆ

2222 ++=

x



39/50

Tinjau 1 partikel ...Kecepatan partikel mula2:

Kecepatan partikel setelah menumbuk dinding kanan(asumsi: tidak ada tumbukan antar partikel):

k v jvivv z y xˆˆˆ ++=

k v jvivv z y xˆˆˆ +−=′

Perubahan momentum partikel:Selang waktu partikel tsb dua kali menumbuk dinding

kanan:

Besarnya momentum yg diberikan partikel pada dinding

kanan tiap satuan waktu:

jmvvmvm p yˆ

2−=−′=∆

yv

t l2

=∆

jmv

jmv

t

p y y ˆˆ

2

2 22

ll

==

∆

∆


H f l Eff ts f Ai P ll t tsH f l Eff ts f Ai P ll t ts


40/50

Harmful Effects of Air PollutantsHarmful Effects of Air Pollutants

The atmosphere has become a dumping ground for gas pollutants , such as

methane (CH4), chlorofluorohydrocarbons (CFCs), SO2 , and NO2. These

gases react with sunlight and O2 in the atmosphere to produce air pollutions

such as smogs , cause ozone depletion , global warming , and acid rain.12/17/2012 [email protected]


41/50

Bagaimana dengan N partikel ?Besarnya momentum total yg diberikan N buah partikel

pada dinding kanan tiap satuan waktu:

( ) jvvvmt

p yN y y

ˆ... 22

2

2

1 +++=

∆

∆

l

ekanan gas pada dinding kanan:

Tetapi dansehingga

( ) 22222

1 ... y yN y y v

V

mN vvv

A

m

t A

pP =+++=

∆

∆=

l

2222

z y x vvvv ++=

222

z y x vvv ==22

3

1vv y =

2

3

1

vV

Nm

P =



42/50

Temperatur Gas IdealDari persamaan

dan persamaan gas ideal

dapat diperoleh hubungan atau

2

3

1v

V

NmP =

Bk vmT 231=

T Nk nRT PV B==

mT k v B32

=

sehingga EK k

vmk

T B B 3

2

2

1

3

2 2=

=

Energi kinetik translasi partikel gas



43/50

Energi Dalam Gas IdealT Nk vm N

B2

3

2

1 2=

nRT T Nk U B33

==

Dari hubungan terakhir di atas dapat dituliskan

yaitu energi kinetik gas, yg juga merupakan energi total danenergi dalam gas

V

V T

U C

∂

∂=

nRC C V P +=

67,13

5===

V

P

C

C γ

Perbandingan dengan eksperimen ?

Kapasitas kalor pada volume tetap:

atau kapasitas kalor pd tekanan tetap:

Perbandingan CP dan C V adalah suatu konstanta:

nRC V 2

3=

nRC P25=



44/50

Bandingkan dengan hasil eksperimen ...

Persesuaian denganhasil eksperimen

Gas γ C P /nR C V /nR

Monoatomik

He

Ne

Ar

Kr

Xe

1,66

1,64

1,67

1,69

1,67

2,50

2,50

2,51

2,49

2,50

1,51

1,52

1,50

1,47

1,50

hanya terdapat pada

gas muliamonoatomik saja !

Diatomik

H2

O2

N2

CO

NO

Cl2

1,40

1,40

1,40

1,42

1,43

1,36

3,47

3,53

3,50

3,50

3,59

4,07

2,48

2,52

2,46

2,46

2,51

2,99Poliatomik

CO2

NH3

CH3

1,29

1,33

1,30

4,47

4,41

4,30

3,47

3,32

3,30


P i il i C d C d


45/50

Penyimpangan nilai C P dan C V pada

gas-gas selain gas mulia monoatomik ?Penyimpangan nilai C V , C P dan γ pada gas-gas selain gas

monoatomik (tabel) disebabkan oleh kontribusi energi kinetik

rotasi dan vibrasi disamping energi kinetik translasi.Contoh molekul diatomik (misalnya H2, O2, NaCl, dll.)

m2

ωx

ωz

Km1



46/50

Kontribusi tambahan pada energi kinetik translasi (thd sub-

x, y dan z) diasosiasikan dengan energi kinetik rotasi (thd

sb-x dan z) dan energi kinetik vibrasi (thd sb-y):

I = I : momen inersia thd sb x & z22 11

I I E +=

K : Konstanta “pegas” M : Massa tereduksi m1 dan m2

Energi (kinetik) total gas diatomik:

22

22

2

1

2

1η η & M K E vibrasi +=

)()()( vibrasirotasitranslasitotal E E E E ++=

T k T k xT k xT k x B B B B2

7

2

12

2

12

2

13 =

+

+

=



47/50

Asas Ekipartisi Energi Asas Ekipartisi Energi: untuk tiap derajat kebebasan

yang energinya berbanding dengan kuadrat variabelbebasnya, energi rata-ratanya adalah 1/2 k B T

Jadi untuk molekul gas diatomik:

; ;

Dari tabel, hasil eksperimen utk gas diatomik, γ γγ γ ≈≈≈≈ 1,40 !

nRT T Nk U B2

7

2

7==

nRT

U C

V

v2

7=

∂

∂= nRnRC C vP

2

9=+= 29,1

7

9≅==

V

P

C

C γ


Ketidaksesuaian dgn hasil eksperimen?


48/50

Ketidaksesuaian dgn hasil eksperimen?

Pada kenyataannya, C V gas diatomik bergantung pada suhu!

Hasil eksperimen C V dari gas H2*)

Pada temperatur rendah

molekul diatomik (H2)

translasi rotasivibrasi

hanya bertranslasi saja;

pada temperatur kamar

molekul H2 bertranslasi

dan berotasi; pada

temperatur tinggi molekulH2 bertranlasi, berotasi

dan bervibrasi.


Hasil eksperimen dari suhu rotasi &


49/50

Hasil eksperimen dari suhu rotasi &

vibrasi beberapa gas diatomik

Gas T vibrasi,oK T rotasi,

oK

H2 6140 85,5OH 5360 27,5

HCl 4300 15,3

,

CO 3120 2,77NO 2740 2,47

O2 2260 2,09

Cl2 810 0,347

Br2 470 0,117Na2 230 0,224

K 2 140 0,081


Scientist TriviaScientist Trivia


50/50

Scientist TriviaScientist Trivia

Which one is the Nobel Physics Laureate?


Documents

Day 9 - Teori Kinetik Gas - Edit Chotimah 2012