TEKANAN DAN SUHU UDARA SERTA GAS

1. TEKANAN DAN SUHU UDARA SERTA GAS

1.1.  Pendahuluan

Pemahaman keadaan gas merupakan bagian hakiki studi kimia dalam laboratorium. Biasanya banyaknya gas ditetapkan dengan mengukur volumenya. Namun, karena volume gas berubah menurut tekanan dan temperatur, maka kondisi ini juga harus diukur. Tujuan dari kuliah ini adalah pengukuran seperti apa yang digunakan untuk menghitung banyaknya gas.

1.2.  Tiga Keadaan Materi

Meskipun ketiga keadaan materi gas, zat cair dan padat telah kita, untuk lebih mudah memahami tentang wujud ketiga materi tersebut kita dapat merumuskan dengan jelas karakteristik masing-masing materi tersebut untuk membedakannya.

Gas tidak mempunyai bentuk yang tetap; gas mengambil bentuk sesuai dengan wadahnya. Gas tidak mempunyai volume tertentu & volume gas menyesuaikan dengan tempatnya. Gas dapat dimampatkan dan di muaikan menurut perubahan ukuran wadahnya. Meskipun demikian apabila gas dimampatkan pada jumlah partikel yang sama untuk sistem wadah tertutup maka yang berubah adalah volume gas bukan jumlah partikelnya. Pengecilan volume gas dengan jumlah partikel yang sama dapat menaikkan tekanan gas karena bertambahnya kerapatan gas. Selain dengan pengecilan volume, tekanan gas dapat bertambah dengan menambahkan sejumlah partikel gas dari luar sistem kedalam sistem karena bertambahnya kerapatan gas. Kerapatan gas identik dengan densitas gas. Gas dalam suatu wadah memberikan tekanan ke segala arah dari wadah tersebut (Hukum Boyle) berbeda dengan air yang hanya memberikan tekanan searah dengan gas gravitasi bumi/tekanan ke satu arah saja. Sudah wadah/tempat tertutup dianggap bertekanan apabila tekanannya melebihio tekanan udara sekitar (> 1 atm) dan dianggap vakum apabila tekanannya lebih rendah dari udara sekitar (< 1 atm)

Cairan atau sering disebut liquid mempunyai bentuk yang khas; bentuk cairan menyesuaikan dengan tempatnya serta dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi. Cairan dan gas adalah sama-sama fluida. Fluida Cair mengalir dari tempat tinggi ketempat yang rendah, kecepatan cairan mengalir dipengaruhi oleh beda ketinggian antar bagian hulu dan hilir, jarak tempuh serta jumlah/debit cairan yang mengalir. Cairan hanya memberikan tekanan ke arah tertentu saja. Tekanan pada fluida cair disebut dengan tekanan hidrostatik  (P_h = ρ x g x h) yang dipengaruhi oleh jumlah cairan/densitas dan kedalaman cairan. Tekanan cairan akan semakin kuat dengan semakin dalam cairan tsb. Cairan yang diam memiliki tekanan hidrostatik yang lebih besar dibanding dengan cairan yang bergerak pada kondisi yang sama. Cairan tidak dapat dimampatkan sekalipun dengan menggunakan tekanan tinggi tetapi dapat dimuaikan, oleh karena itulah cairan dikenal dengan nama fluida inkompresibel (fluida yang tidak dapat ditekan) berbeda dengan fluida gas (kompresibel atau fluida yang dapat ditekan/diperkecil volumenya).

Padatan sering disebut dengan solid. Padatan mempunyai bentuk dan volume tertentu (bentuk dan volume padatan tidak dipengaruhi oleh wadahnya). Solid sulit untuk bepindah kecuali untuk bentuk geometri tertentu. Untuk bepindah tempat solid harus diberikan gaya dari luar terlebih dahulu atau dengan meletakan solid pada bidang miring (solid berpindah dari tempat tinggi ketempat rendah). Sama seperti fluida cair, solid. Cairan tidak dapat dimampatkan sekalipun dengan menggunakan tekanan tinggi tetapi dapat dicairkan atau digasifikasi. Gasifikasi solid tidak mencakup seluruh solid tetapi hanya melibatkan beberapa komponen penyusun solid yang dapat di ubah fase menjadi gas. Contoh gasifikasi batubara menghasilkan gas yang mirip dengan gas alam (gas methan yang paling dominan), sedangkan bagian yang tidak berubah menjadi gas disebut dengan kokas, sebagai sumber unsur karbon yang digunakan untuk membuat baja pada industri baja.

1.3. Gas Penyusun Udara

Bangsa Yunani menganggap udara merupakan salah satu dari empat unsur utama/kehidupan dialam, selain air, tanah dan api. Prilaku udara telah dipelajari manusia sejak berabad-abad yang lalu dan pada awal abad ke-17 sifat-sifat fisik udara dan komposisi sudah mulai dipelajari secara ilmiah. Lebih dari seratus tahun yang lalu sebelum komposisi udara di analisa kembali, oleh para ahli pada saat itu Lavoiser, Priestley dan lainnya menyatakan udara tersusun atas dua komponen unsur saja yaitu unsur gas ooksige dan gas nitrogen dengan total persentase mencapai 99% dari volume total. Baru sejak awal abad ke-19 dengan kemajuan alat analisa maka komposisi udara mulai dipelajari secara mendetail (lihat tabel 1.1. tentang komposisi udara).

Tabel 1.1. Komposisi Udara

penyusun	rumus	fraksi volum (%)
Nitrogen Oksigen Argon Karbon dioksida Neon Helium Metana Kripton Hidrogen Dinitrogen oksida Xenon	N2 O2 Ar CO2 Ne He CH4 Kr H2 N2O Xe	78,11 20,953 0,934 0,034 1,82 x 10-5 5,2 x 10-6 1,5 x 10-6 1,1 x 10-6 5 x 10-7 3 x 10-7 8,7 x 10-8

1.4. Kenakearagaman Tekanan Udara

Udara memiliki tekanan yang berbeda-beda tergantug letak-atau posisinya terhapa permukaan bumi. Sama seperti air, tekan udara akn bertambah seiring dengan bertambahnya ketinggian udara. Hal inilah menjadi acuan prinsip aerodinamika industri pesawat terbang. Namun tekanan udara akan berkurang pada ketinggian tertentu karena semakin kecil pengaruh gaya gravitasi bumi terhadap partikel gas. Selain dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi, tekanan gas dipengaruhi oleh jumlah partikel gas itu sendiri (kerapatan partikel gas).

Tiga alasan utama, mengapa tekanan udara beranekaragam dari satu tempat ketempat yang lain. Iklim atau cuaca adalah faktor utama yang mempengaruhi perbedaan tekana udara tersebut. Iklim dan cuaca erat sekali kaitannya dengan aktivitas matahari sebagai seumber energi dalam tata surya galaksi bima sakti. Posisi bumi terhadap matahari, aktivitas inti matahari serta radiasi sinar matahari mempengaruhi perubahan iklim/cuaca dibumi. Selain itu perubahan iklim/cuaca bumi juga dipengaruhi oleh semakin meningkatnya gas-gas yang dapat merusak lapisan ozon pada atmosfer bumi sehingga lapisan atmosfer bumi tersebut tidak mampu menyerap efek radiasi sinar matahari sebelum jatuh ke bumi. Pada permukaan bumi yang paling rendah kerapatan partikel gas penyusun atmosfer bumi lebih besar dibanding dengan kerapatan partikel pada tempat yang lebih tinggi. Oleh karena itulah tekanan udara didaerah pantai dan didaerah pegunugan cenderung berbeda.

1.5. Pengukuran Tekanan Udara

Udara  terdiri atas campuran gas yang  perilaku fisiknya sama dengan oksigen murni, nitrogen murni atau zat berbentuk gas lain. Udara yang dipompakan masuk kedalam sutau wadah tertutup misal ban, akan bertambah tekanannya. Jika udara dipompakan terus-menerus kedalam ban maka suatu saat nanti ban akan pecah karena diding ban yang terbuat dari karet tidak mampu lagi menahan tekan udara yang dipompakan kedalam ban. Tekanan udara pada suatu tempat yang terhubung dengan tempat yang lain cenderung sama. Tekanan udara suatu wadah cenderung menuju ketekanan udara sekitar. Suatu wadah tertutup yang memiliki tekanan udara lebih besar daripada tekanan udara sekitar, ketika wadah tersebut bocor maka udara dalam wadah tersebut akan mengalir keluar dan berhenti mengalir setelah tekanan didalam wadah tersebut sama dengan tekanan udara sekitar.

Tekanan udara sekitar yang menjadi standar adalah tekanan atmosfer yang diukur berdasarkan tekanan udara rata-rata pada permukaan laut. Percobaan Torricelli, murid Galileo pada tahun 1643 telah membuat barometer pertama untuk mengukur tekanan atmosfer bumi. Salah satu cara yang digunakan adalah dengan mengisi penuh sebuah tabung kaca dengan unsur merkurium (raksa/Hg) dan membalikkannya kedalam pinggan yang berisi merkurium. Ternyata merkurium tersebut turun menjauhi ujung bagian atas kolom tabung dan berhenti turun pada ketinggian kolom raksa pada 76 cm atau 760 mm. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa tingginya unsur merkurium dalam kolom tabung berbanding lurus dengan tekanan udara diamana;

1 atm   = 760 mmHg (atau 76 cmHg) = 760 torr = 1,01325 x 10⁵ pascals (Pa)

= 14,7 pound perinchi kuadrat (psia)

Satuan tekanan udara/gas yang sering digunakan adalah Pascal sebagai Standar Internasional (SI) dimana 1 Pa = 1 N/m2

Hubungan antara temuan Torricelli dan tekanan atmosfer dapat dimengerti berdasarkan hukum kedua Newton mengenai gerakan, yang menyatakan;

Gaya = Massa x Percepatan

F = m x a

Dimana percepatan (a) adalah laju yang mengubah kecepatan. Semua benda saling tarik menarik karena gravitasi, dan gaya tarik menarik mempengaruhi percepatan benda. Percepatan baku sebagai akibat pengaruh medan garvitasi bumi yang dilambangkan dengan g adalah (g) = 9,80665 ms^-2. Tekanan ialah gaya persatuan luas atau gaya total (F) dibagi dengan luas (A):

P = F/A = m x g/A                                                     ............(1)

Karena volume merkuri dalam tabung adalah  V = A x h, maka persamaan (1) menjadi

P = m x g/A = (m x g) / (V/h)                                    ............(2)

P = (m x g x h) / (V) = (m/V) x g x h = ρ x g x h      ............(3)

Dengan persamaan diatas kita dapat mengukur tekanan yang ditimbulkan oleh atmosfer. Rapatan merkuri pada 0^oC, dalam satua SI adalah 13,5951 gr/cm³ = 1,35951 x 10⁴ kg/m³ dan tinggi kolom merkuri dari percobaan torricelli mendekati 760 mm atau 0,76 meter. Selanjutnya substiusi nilai ρ, g, h ke persamaan (3) maka akan diperoleh;

P = ρ x g x h = (1,35951 x 10⁴ kg/m³) x (9,80665 ms^-2) x (0,76 m)

P = 1,01325 x 10⁵ kg/m s² = 1,01325 x 10⁵ Pascals

Untuk mengukur tekanan udara digunakan barometer, sedangkan untuk mengukur tekanan gas digunakan manometer.

Tabel 1. Rangkuman Satuan Tekanan

Satuan	defenisi & hubungan
Pascal (Pa) Bar Atmosfer (atm) Torr 760 mmHg (pada 0oC 14,6960 pon per inci persegu (psi, lb in-2)	1 kg m-1 S-2 1 x 105 Pa 101.325 Pa 1/760 atm 1 atm 1 atm

1.6. Proses Terbentuknya Gas

Gas dapat terbentuk dari aktivitas makhluk hidup (bakteri), penguapan dan reaksi kimia. Gas methan (CH₄) merupakan gas yang dihasilkan dari aktivitas makhluk hidup (bakteri). Gas methan banyak terbentuk di daerah rawa, oleh karena itulah gas methan sering disebut dengan  gas rawa. Gas methan merupakan penyusun penting dalam deposit gas alam yang terbentuk selama jutaan tahun lewat pelapukan materi tumbuhan dibawah permukaan bumi. Saat ini gas methan dapat diperoleh dari dari sampah kota mapun kotoran hewan yang terlebih dahulu di komposkan menggunakan bakteri tertentu.

Gas juga dapat terbentuk jika cairan menguap akibat proses pemanasan. Pemanasan air permukaan (air laut, danau sungai dll) oleh sinar matahari menyebabkan air menguap ke udara dan menghasilkan kelembapan udara.

Gas juga terbentuk lewat reaksi kimia. Bila dipanaskan , beberapa padatan terurai menghasilkan gas, contoh; batubara, amonium klorida (NH₄Cl) atau kalsium karbonat (CaCO₃).

Reaksi kimia:

kalor

NH₄Cl_(s)                                   NH_3(g) +  HCl_(g)

	kalor

 

 CaCO_3(s)                                 CaO _(g) +  CO_{2 (g)}

1.6. Pengukuran Tekanan Gas

Sebuah manometer terbuat dari tabung yang berbentu seperti huruf U yang disi dengan suatu cairan yang dilengkapi dengan skala pengukur ketinggian yang dapat mengukur selisih tekanan yang kecil sekalipun digunakan untuk mengukur tekanan gas dalam suatu tanki (lihat gambar 1.1) manometer tersebut mempunyai satu kaki yang terbuka yang berhubungan dengan udara sekitar sedangkan kaki lainnya berhubungan dengan tanki udara dibiarkan tertutup. Karena tidak ada perbedaan tekanan anata kedua sisi tabung tersebut maka tinggi cairan merkurium kedua kaki kolom adalah sama. Untuk mengukur tekanan gas pada tanki gas maka sisi tabung yang berhubungan denga tanki udara dihubungkan dengan tanki gas yang sebelumnya tanki udara tersebut telah di vakumkan (udara yang mengisi kolom disedot menggunakan pompa vakum) menyebabkan raksa pada kolom pada bagian tanki udara yang telah divakumkan menjadi lebih tinggi dibanding raksa pada kolom sisi lainnya yang kontak dengan udara. Kemudian tanki gas yang bertekanan dihubungkan dengan tanki udara yang telah vakum menyebabkan terjadinya aliran gas dari tanki gas ke tanki udara tersebut, akibatnya raksa akan terdorong dengan ketinggian tertentu sesuai dengan tekanan yang diberikan oleh tanki gas.

Kolom air raksa tidak dapat digunakan untuk mengukur tekanan gas yang sangat tinggi. Untuk mengukur tekanan gas yang tinggi digunakan alat sejenis pengas yang terbuat dari logam yang telah terhubung secara analog dengan angka pada alat ukur. Tekanan gas tersebut akan menekan pegas, akibat tekanan yang tinggi dari gas menyebabkan pegas akan bergeser dan mendorong jarum penunjuk yang telah terhubung secara analog untuk pembacaan angka yang menunjukkan besarnya tekanan gas.

1.6. Hukum-Hukum yang Menyatakan Sifat & Karakteristik Gas

1.6.1. Hukum Boyle Tahun 1662 M (Hubungan V & P)

Bunyinya ”Jika Temperatur konstan maka volume gas pada massa tertentu berbanding terbalik dengan tekanan gas”.