Teori kinetik gas merupakan teori yang menjelaskan sifat gas ideal (Abdullah, 2016). Gas dikatakan ideal apabila memenuhi syarat-syarat sebagai berikut:

  1. Tersusun atas partikel yang disebut molekul dalam jumlah yang besar.
  2. Partikel bergerak dengan kelajuan tetap dan acak dalam lintasan lurus.
  3. Sifat tumbukan partikel lenting sempurna.
  4. Selang waktu tumbukan sangat singkat.
  5. Jika dibanding volume ruang yang ditempati, volume partikel gas sangat kecil.
  6. Hukum Newton berlaku.

Ada banyak peristiwa yang melibatkan gas ideal dalam kehidupan sehari-hari. Di antaranya sebagai berikut:

  • Ketika Rozi memanaskan balon udara, suhu udara dalam balon tersebut akan meningkat. Volume dan tekanan gas ikut berubah. Udara yang memuai ini menyebabkan massa jenis udara dalam balon tersebut mengecil. Karena nilai massa jenis udara dalam balon lebih kecil dari massa jenis udara luar, maka balon akan naik. Dapat disimpulkan bahwa balon udara bekerja berdasarkan pemuaian.
  • Ban sepeda Rozi meletus ketika diparkir di halaman kampus yang terik. Hal ini terjadi karena gas di dalam ban sepeda mengalami kenaikan suhu. Suhu yang tinggi akan diikuti tekanan gas dalam ban yang ikut meninggi. Karena terjadi kenaikan suhu dan tekanan yang terus menerus, maka ban meletus karena tidak dapat menahan tekanan gas lagi.
  • Gelembung pada minuman bersoda muncul ketika tekanan hidrostatis mengalami perubahan. Oleh karena itu minuman bersoda yang dituang ke gelas akan memunculkan gelembung yang naik dari dasar gelas.

Hukum dan Persamaan Gas Ideal

Persamaan gas ideal didapat dari Hukum Avogadro, Hukum Boyle, Hukum Charles, dan Hukum Gay-Lussac.

a. Hukum Avogadro

Hukum Avogadro menuliskan bahwa volume gas sebanding dengan jumlah molekulnya. Persamaan Hukum Avogadro sebagai berikut:

       Keterangan

       V        =          Volume gas (m3)

       n        =          Jumlah molekul gas

       k         =          Konstanta

b. Hukum Boyle

Robert Boyle menerangkan Hukum Boyle pada tahun 1666 (Supardianningsih dkk, 2014). Isinya tentang hubungan tekanan (p) dan volume gas (V) di suhu yang konstan (tetap).

Hukum ini berbunyi dalam sebuah sistem tertutup dan bersuhu konstan (tetap), besar tekanan gas akan berbanding terbalik dengan besar volumenya.

Persamaan Hukum Boyle sebagai berikut:

  Keterangan:

  p1       =     Tekanan mutlak gas awal (Pa)

  p2       =     Tekanan mutlak gas akhir (Pa)

  V1      =     Volume gas awal (m3)

  V2      =     Volume gas akhir (m3)

c. Hukum Charles

Jacques Charles menemukan Hukum Charles yang menjelaskan tentang hubungan volume gas (V) dan suhu gas (T) di ruang tertutup. Dalam hukum ini tekanan gas selalu konstan, tapi jika terjadi kenaikan suhu, maka volume gas juga mengalami kenaikan dan sebaliknya. Persamaan Hukum Charles sebagai berikut:

       Keterangan

       V1      =     Volume gas awal (m3)

       V2      =     Volume gas akhir (m3)

       T1       =     Suhu mutlak awal (K)

       T2       =     Suhu mutlak akhir (K)     

d. Hukum Gay-Lussac

Joseph Gay Lussac menemukan Hukum Gay-Lussac yang menjelaskan tentang hubungan suhu (T) dengan tekanan gas (p) di suhu konstan. Apabila volume gas dalam suatu sistem adalah konstan, maka besar suhu mutlak gas sebanding tekanan gas. Persamaan Hukum Gay-Lussac sebagai berikut:

       Keterangan

       p1       =     Tekanan mutlak gas awal (Pa)

       p2       =     Tekanan mutlak gas akhir (Pa)

       T1       =     Suhu mutlak awal (K)

       T2       =     Suhu mutlak akhir (K)     

Berdasarkan Hukum Avogadro, Hukum Boyle, Hukum Charles, dan Hukum Gay-Lussac di atas dapat diketahui persamaan umum gas ideal sebagai berikut:

       Keterangan

       p1    =     Tekanan mutlak gas awal (Pa)

       p2    =     Tekanan mutlak gas akhir (Pa)

       V1    =     Volume gas awal (m3)

       V2    =     Volume gas akhir (m3)

       T1    =     Suhu mutlak awal (K)

       T2    =     Suhu mutlak akhir (K)   

Persamaan gas ideal tersebut berlaku apabila gas ada dalam bejana tertutup dan tidak mengalami kebocoran sehingga massa gas selalu tetap. Persamaan gas ideal juga dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

Keterangan:

       p   =     Tekanan mutlak gas (Pa)

       V   =     Volume gas (m3)

       n   =     Jumlah mol (mol)

       R   =     Tetatapan umum gas (8,314 J/mol K)

Contoh Soal:

A. Gas ideal ada di ruang bervolume V, suhu T, dan tekanan p. Gas mengalami isotermik sehingga tekanannya menjadi 2p. Berapa volume gas sekarang, jika volume awalnya 1 liter?

Diketahui  :           T1         =          T2         =          T (Isotermik)

                                    Isotermik adalah perubahan gas pada suhu konstan (Chasanah dkk,

                                    2015).

                                    V1         =          V          =          1 L

                                    p1         =          p         

                                    p2         =          2p

       Ditanya       :         V2         =          ?

       Jawab         :         Proses isotermik berdasarkan Hukum Boyle

B. Tekanan gas di ruang tertutup adalah 4 atm dengan volume 4 liter. Jika besar suhu 27°C, berapa banyak partikel gas tersebut? (1 atm = 1 × 105 Pa)

       Diketahui    :         p          =          4 atm   =          4 × 105 Pa

                                    V          =          4 L       =          4 × 10−3 m3

                                    T          =          27°C    

                                                =          (27 + 273) K

                                                =          300 K

       Ditanya       :         N (partikel)     =          ?

       Jawab         :         p V       =          n R T

Teorema Ekipartisi Energi Gas

Besaran-besaran terkait gerak gas dan ekipartisi energi juga dipelajari dalam teori kinetik gas.

a. Hubungan Tekanan dan Kecepatan Rata-Rata

Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Keterangan:

p         =          Tekanan (Pa)

m0       =          Massa partikel (kg)

N         =          Jumlah partikel

V         =          Volume ruangan (m3)

vrt2      =          Kecepatan kuadrat rata-rata (m2/s2)

b. Hubungan Tekanan dan Energi Kinetik Rata-Rata

Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Keterangan:

p         =          Tekanan  (Pa)

N         =          Jumlah partikel

V         =          Volume ruangan (m3)

Ek        =          Energi kinetik rata-rata (J)

c. Hubungan Suhu dan Energi Kinetik Rata-Rata

Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Keterangan:

Ek        =          Energi kinetik rata-rata (J)

k         =          Konstanta Boltzman (1,38 × 10−23 J/K)

T         =          Suhu mutlak (K)

d. Hubungan Kecepatan Efektif Gas Ideal

Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Keterangan:

vrms     =          Kecepatan efektif, rms = root mean square

k         =          Konstanta Boltzman (1,38 × 10−23 J/K)

T         =          Suhu mutlak (K)

m0       =          Massa partikel (kg)

e. Teorema Ekipartisi Energi

Teorema Ekipartisi Energi menyatakan dalam keadaan suhu mutlak T, sejumlah besar molekul dalam Hukum Newton akan memiliki energi yang terbagi rata di setiap derajat kebebasan sebesar  1/2 k T. Secara matematis energi kinetik rata-rata setiap molekul dengan derajat kebebasan tertentu sebagai berikut:

Keterangan:

Ek        =          Energi kinetik rata-rata

f          =          Derajat kebebasan

k         =          Konstanta Boltzman (1,38 × 10−23 J/K)

T         =          Suhu mutlak (K)

Teorema Ekipartisi Energi juga membahas terkait energi dalam. Energi dalam (U) adalah jumlah energi kinetik total dari seluruh molekul gas yang berada di suatu ruangan (Nurachmandani dkk, 2009). Secara matematis ditulis sebagai berikut:

U         =          Ek1 + Ek2 + … + Ekn

Keterangan:

U         =          Energi dalam (J)

Ek         =          Energi kinetik rata-rata (J)

Referensi

Abdullah, Mikrajuddin. 2016. Fisika Dasar I. Bandung: Institut Teknologi Bandung.

Chasanah, Risdiyani dkk. 2015. Detik-Detik Ujian Nasional Fisika Tahun Pelajaran 2015/2016. Klaten: Intan Pariwara.

Nurachmandani, Setya. 2009. Fisika 2: Untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional.

Supardianningsih dkk. 2014. Fisika: Peminatan Matematika dan Ilmu-Ilmu Alam. Klaten: Intan Pariwara.