laporan termodinamika

LAPORAN EKSPERIMEN TERMODINAMIKA

Edward Ricard Pasedan (192016006), Erwin Hartaman Gea (192016008),

Listra Winda Bhitinia (192017601), Otniel Darius Ikari (192016601),

Yunita Dangga (192016004)laporan termodinamika P-V,P-T

Prodi Fisika, Universitas Kristen Satya Wacana

Prodi Pendidikan Fisika, Universitas Kristen Satya Wacana

Abstrak

Tujuan Penelitian ini adalah untuk mencari keterkaitan tekanan  terhadap volume dan tekanan terhadap suhu, penelitian ini merupakan penelitian eksperimen yang dilakukan di laboratorium. Dalam eksperimen yang dilakukan  dapat mengetahui pengaruh suhu dan volume sebagai variabel bebas  terhadap tekanan sebagai variabel terikat, penelitian ini dilakukan dengan bantuan aplikasi logger-pro dalam melakukan pencocokan kurva . Dari Analisa data yang didapatkan diperoleh hasil bahwa tekanan semakin kecil akibat dari penambahan volume dan tekanan semakin besar akibat dari kenaikan suhu. Kedua hasil yang didapatkan ditunjukkan dalam bentuk grafik tekanan terhadap volume dan tekanan terhadap suhu. Kesimpulan dari penelitian ini untuk menentukan kecocokan kurva  terhadap data yang sudah diplotkan dalam bentuk grafik dalam hal memahami kerterkaitan tekanan terhadap volume dan suhu.

Kata kunci : hubungan, tekanan, volume, suhu

I.      Pendahuluan

Dalam termodinamika yang sering menjadi perhatian adalah suatu keadaan gas, pembahasan tersebut sering diberikan dalam bentuk gas yang bersifat  makroskopis dan mikroskopis, dalam situasi yang ada secara fisis dikenal system dan lingkungan. Segala sesuatu diluar system tersebut mempunyai pengaruh langsung kepada sifat system [1].

Sifat makroskopis suatu gas merupakan suatu sifat atau keadaan gas yang dapat diukur dan diamati, seperti suhu, tekanan dan volume suatu gas sedangkan sifat mikroskopis suatu gas merupakan suatu sifat atau keadaan gas yang tidak dapat diamati dan diukur seperti kelajuan partikel gas, massa penyusun inti partikel, momentum suatu gas [2]. Persamaan  gas  ada 2 (dua) yaitu persamaan gas ideal dan persamaan gas Van Der Waals, persamaan ini berfungsi untuk mendeskripsikan suatu sifat dan keadaan suatu gas.

Pada persamaan gas ideal dapat dituliskan secara matematis :

                                                                       (1)

Dalam kehidupan yang nyata, tidak pernah ditemukan gas dalam keadaan ideal atau gas ideal karena sulit diamati, tetapi kita sering memandangnya sebagai gas ideal. Dalam hal ini sifat- sifat  gas  dalam tekanan  dan suhu kamar sifat gas mendekati sifat gas ideal dan dianggap sebagai gas ideal. Namun seorang ilmuwan asal belanda yang bernama Johannes D. Van Der Waals memperlajari dan mengamati suatu gas serta membuat persamaan gas nyata pada suatu keadaan tertentu. Model Van Der  Waals adalah model yang paling mendekati sifat kenyataan suatu gas serta sifat suatu gas yang paling mudah dideskripsikan.

Model gas Van Der Walls mengandung dua hal pembahasan yang penting yakni, interaksi antar molekul-molekul yang bertumbukan setiap saat dan gas memiliki suatu massa atau tidak sama dengan nol [3]. Persamaan gas Van  Der Waals dapat dituliskan

                                        (2)                

Hal itu menunjukkan  bahwa massa gas pada persamaan gas ideal dipandang nol. Dalam interaksi  gas di suatu wadah menimbulkan pertambahan volume gas tersebut dari volume 1 ke volume 2, penambahan volume tersebut dapat dipandang sebagai usaha yang dilakukan oleh gas terhadap wadah wadah [4], persamaan usaha dapat dituliskan :

                                                                  (3)

Usaha yang dilakukan oleh suatu system bernilai positif, sedangkan usaha yang dilakukan pada system bernilai negative [5]. Tekanan (P), temperature (T) dan volume (V) merupakan suatu parameter keadaan[5].

1.l Tujuan eksperimen

·         Melakukan pencocokan kurva (kurva fitting) terhadap grafik hasil eksperimen dan melakukan analisa.

·         Mendeskripsikan antara tekanan dan volume gas dalam bentuk kalimat dan persamaan matematis.

·         Mendeskribsikan antara tekanan dan suhu gas dalam bentuk kalimat dan persamaan matematis.

1.2 Rumusan masalah

·         Apakah kurva terhadap grafik sama dengan Analisa.

·         Bagaimana hubungan tekanan dan volume gas.

·         Bagaimana hubungan tekanan dan suhu gas.

1.3 Dasar teori

1. Hukum Boyle

Seorang ilmuwan yang menyelidiki hubungan volume dengan tekanan gas adalah Robert Boyle (1627 - 1691). Boyle telah menyelidiki hubungan tekanan dan volume gas dalam wadah tertutup pada temperatur tetap. Boyle menemukan bahwa : hasil kali tekanan dan volume gas pada temperatur tetap adalah konstan. Hukum ini dikenal sebagai Hukum Boyle. Secara matematis, Hukum Boyle dituliskan dalam bentuk :

                                   (4)  

Keterangan :

P₁   = tekanan gas awal (N/m)

V₁ = volume gas awal (m)

P₂  = tekanan gas akhir (N/m)

V₂ = volume gas akhir (m)

Dari persamaan Hukum Boyle tersebut, hubungan tekanan dan volume pada temperatur tetap dapat digambarkan dalam bentuk grafik seperti pada gambar berikut.

Gb.1. Grafik hubungan tekanan dan volume pada temperatur tetap.

2. Hukum Charles

Berdasarkan penyelidikannya, Jacques Charles (1747- 1823) menemukan bahwa : Volume gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya, jika tekanan gas di dalam ruang tertutup dijaga konstan. Pernyataan Charles ini dikenal sebagai Hukum Charles dan dituliskan dalam bentuk persamaan :

                                     (5)

Keterangan :

T₁                  = temperatur mutlak awal (K)

V₁           = volume gas awal (m)

T₂                  = temperatur mutlak akhir (K)

V₂           = volume gas akhir (m)

Hubungan temperatur dan volume menurut Hukum Charles tersebut dapat digambarkan dalam bentuk grafik, seperti gambar 2 berikut.

Gb.2. Grafik hubungan volume dan temperatur pada tekanan tetap.

Jika digambarkan sampai temperatur rendah, grafik akan memotong sumbu di sekitar -273 °C atau 0 °K. Ini menunjukkan bahwa semua gas jika dapat didinginkan sampai volume -273 °C, maka volumenya akan nol. Grafik ini dapat berlaku untuk semua jenis gas. Semua jenis gas tidak dapat didinginkan lagi, hingga temperaturnya kurang dari -273 °C. Ini berarti temperatur -273 °C atau 0  ̊K merupakan suhu terendah yang dapat dicapai gas. Temperatur ini disebut temperatur nol mutlak. Nol mutlak merupakan dasar bagi skala temperatur yang dikenal sebagai skala mutlak atau skala Kelvin. Pada skala ini, temperatur dinyatakan dalam Kelvin (K).

3.Hukum Gay Lussac

Seorang ilmuwan bernama Joseph Gay Lussac, telah menyelidiki hubungan tekanan dan temperatur gas pada volume tetap. Gay Lussac menyatakan: Jika volume gas pada ruang tertutup dibuat tetap, maka tekanan gas berbanding lurus dengan temperatur gas. Pernyataan ini disebut Hukum Gay Lussac yang dituliskan dalam bentuk persamaan berikut:                 

                                      (6)

Persamaan tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk grafik seperti gambar 3 dibawah ini.

Gb.3. Grafik hubungan tekanan dan temperatur pada volume tetap

4. Hukum Boyle - Gay Lussac

Ketiga hukum keadaan gas yaitu hukum Boyle, hukum Charles, dan hukum Gay Lussac dapat digabungkan menjadi satu persamaan. Hasil gabungan ketiga hukum tersebut dikenal sebagai hokum Boyle - Gay Lussac. Hukum ini dinyatakan dalam bentuk persamaan :

                                    (7)

                                                                                             

Keterangan: 

N  = jumlah molekul gas

N_A = bilangan Avogadro (6,02 x 10²³molekul/mol)

n   = jumlah mol gas

k   = konstanta Boltzman (1,38 x 10^-23J/K)

Pada persamaan tersebut, N_A k disebut dengan konstanta gas umum (R). Jadi, persamaan gas tersebut dapat diubah menjadi :

                                                                      (8)

Keterangan :

R = konstanta gas umum (8,314 J/mol  ̊K atau 0,082 L    atm/mol  ̊K)

 

5. Hukum Van der Waals

Ilmuan asal Belanda bernama Johannes D. Van der Waals yang membuat persamaan gas nyata. Beliau menggunakan model sifat gas nyata yang paling sering dan paling mudah digunakan, karena mengandung dua hal krusial pada gas, yaitu antar molekul dan ukuran molekul-molekul gas yang tak nol. Menurut Socrates, persamaan van der Waals (masih) tidak mereproduksi sifat-sifat gas yang nyata, tetapi persamaan tersebut adalah peningkatan yang baik dari persamaan gas ideal. Usaha yang yang dilakukan oleh sistem bernilai positif, sedangkan usaha yang dilakukan pada sistem bernilai negatif.

    Berikut persamaan van der Waals:

                                       (9)

Konstanta a mengukur kekuatan interaksi antar molekul, sedangkan konstanta b mengukur volume yang dikeluarkan berhubungan dengan ukuran molekul yang terbatas, tidak berhingga (konstanta b berhubungan dengan perubahan volume), dan gaya antar molekul pada gas menurunkan tekanan, sehingga tekanan berada di bawah nilai yang diharapkan oleh gas ideal (aV² memainkan peran ini).

II.    Metodologi

Penelitian dilakukan dilaboratorium Fisika UKSW pukul 11.00-13.00 WIB, pada tanggal 23 dan 25 November 2017. Dalam penelitian ini terbagi atas dua bagian, yakni menganalisis  keterkaitan antara volume terhadap tekanan dan keterkaitan antara suhu terhadap tekanan.

Untuk menganalisis keterkaitan antaran volume dengan tekanan gas, maka volume dibuat sebagai variable bebas yang di buat berubah-ubah dari volume 5 ml sampai  20 ml dengan interval yang diberikan 1 ml. Kemudian data yang didapatkan dilakukan pencocokan kurva (curve fitting) terhadap grafik hasil dari eksperimen, kemudian hasil tersebut dianalisa untuk melakukan pencocokan.

Kemudian untuk menganalisis keterkaitan antara suhu dengan tekanan, suhu gas dibuat sebagai variable bebas dengan cara memanaskan gelas beker yang berisi air dan gelas elenmenyer yang berisi gas (udara). Dapat dipandang bahwa suhu air tersebut sama dengan suhu gas (udara ) dalam wadah elenmenyer. Dalam analisis keterkaitan suhu dengan tekanan diambil dari suhu keadaan  normal atau suhu kamar sampai dengan suhu maksimal. Dari kedua Analisa diatas semua data diambil dengan bantuan aplikasi data logger-pro.

2.1    Alat

·         Computer yang terinstal logger-pro

·         Suntikan

·         Intervace varnier

·         Sensor tekanan varnier

·         Sensor suhu varnier

·         Penyangga

·         Gelas ukur

·         Gelas elenmenyer

·         Spritus

·         kassa

2.2    Bahan

·         Air

·         Pemantik api

2.3    Skema

Sensor tekanan

suntikan

Interface varnier

komputer

 

Gb.4. Skema persiapan pemasangan alat dan bahan tekanan terhadap volume (klep karet hitam pada suntikan mula-mula pada posisi 10 ml)

Sensor suhu varnier

Gelas ukur

 

Alat penyangan

Gelas labu

Interface varnier

komputer

Sensor tekanan varnier

 

Gb.5. Skema persiapan dan pemasangan alat dan bahan pada tekanan terhadap suhu ( tabung elenmenyer dipastikan tetutup rapat)

3      Langkah-langkah percobaan

a.       Hubungan tekanan dan volume

1.       Menyiapkan alat dan bahan yang digunakan sesuai dengan skema.

Catatan; posisi klep karet hitam yang ada di suntikan berada pada posisi 10 ml sebelum dihubungkan dengan pada sensor tekanan varnier.

2.        mengklik tombol seperti (gambar) untuk memulai pengambilan data.

3.       Medorong klep karet hitam dari posisi semula ke posisi 5 ml, serta mempertahankan posisinya agar stabil.

4.       Klep karet hitam pada suntikan ditarik dengan interval 1ml ke posisi 6 ml, sehingga dapat terbaca dikomputer.

Catatan: klep dipertahankan agar stabil diposisi yang ditunjuk pada suntikan.

5.       Melakukan langkah pada langkah (4) untuk pengukuran hingga 20 ml dengan interval 1ml.

6.       mengklik ketika selesai mengambil data.

7.       Melakukan pencocokan kurva dengan hasil grafik yang didapatkan.

b.       Hubungan tekanan dan volume

1.       Menyiapkan alat dan bahan yang digunakan sesuai dengan skema

Catatan;mula-mula elenmenyer ditutup rapat agar tidak ada udara yang keluar masuk.

2.       mengklik tombol seperti gambar yang terlihat pada desktop computer untuk memulai pengambilan data

3.       Mengamati setiap kenaikan suhu terhadap system hingga pada saat suhu maksimal.

Catatan; hingga air mendidih tekanan pada tabung elenmenyer tidak mengalami penurunan.

4.        mengklik tombol tersebut ketika sudah selesai pengambilan data.

5.       Melakukan  pencocokkan kurva dengan hasil grafik yang didapatkan.

III. hasil dan pembahasan

3.1 Hubungan tekanan dengan volume

berdasarkan hasil pengumpulan data yang dilakukan sebanyak 1 kali maka diperoleh hasil seperti yang ditunjukkan pada tabel.

Tabel 1. Keterkaitan antara tekanan dan volume dari udara lingkungan.

Keadaan ke-N	Volume (L)	Tekanan (Pa)
1	0,005	177983,9716
2	0,006	153334,6129
3	0,007	135482,7646
4	0,008	119528,5382
5	0,009	106040,0367
6	0,010	95758,95019
7	0,011	86180,10209
8	0,012	80933,0395
9	0,013	75516,33504
10	0,014	70127,2467
11	0,015	64154,27469
12	0,016	61226,96609
13	0,017	57573,74808
14	0,018	54863,42327
15	0,019	51190,47945
16	0,020	49916,19282

Dimana tekanan pada tabel 1 merupakan hasil pembacaan tekanan pada logger pro. Pola perubahan tekanan terhadap volume yang ditunjukkan pada gambar 6

Gb.6. Pola perubahan tekanan terhadap volume

Berdasarkan gambar gambar 6 yang diambil dari  pada tabel 1 menunjukkan kurva grafik tekanan terhadap volume. maka dapat dilihat  penyebaran data mendekati suatu keadaan gas nyata.

Persamaaan pada Gb. 6 adalah

                                        (10)

Dengan nilai P

Berdasarkan persamaan (2) dan persamaan (8) nilai A menunjukkan bahwa :

                                                                        (11)

Keterangan:

n = Jumlah mol gas

R = Konstanta gas (8,314 J/mol  ̊K atau 0,082 L atm/mol  ̊K)

T = Suhu (K)

Sedangkan nilai dari B menunjukkan factor pengurang atau koreksi karena volume partikel (L)

Maka nilai B adalah

                                                                            (12)

Keterangan :

B = volume setiap gas mol

Sedangkan nilai dari C adalah

                                                                          (13)

Nilai dari a dan b merupakan sebuah konstatan yakni konstatan Van Der Waals yang nilainya didapatkan melalui eksperimen.

Untuk menentukanan suhu dalam system apakah berubah, yang pertama dilakukan adalah melihat jumlah mol dalam suatu system, apakah benar benar system dalam keadaan terisolasi atau ada pertukaran massa gas.

Jumlah mol pada keadaan Room Temperature and Pressure (RTP) dapat ditentukan dengan persamaan :

                                                                         (14)

Volume RTP adalah volume ketika awal dari system yang diberikan, dimana pada keadaan RTP, sebesar 0,01 L(10 mL).

                                                (15)

Pada persamaan (11) dan persamaan (12), dapat diperoleh besar suhu yang berkerja pada system, yang nilainya ditunjukkan dibawah ini;

                                                                           (16)

Maka nilai T, didapatkan

Nilai ralat suhu dalam system tersebut

                                                                        (17)

Maka nilai ralat suhu kita dapatkan sebesar

Hal ini membuktikan bahwa suhu didalam system termasuk dalam keadaan kosntan

                                              (18)

Secara praktis didapatkan suhu ruangan ketika melakukan penelitian sebesar ,maka berdasarkan persamaan (11) pratikan menghitung jumlah mol dalam system dengan perhitungan sebagai berikut;

                                                              (19)

 

Berdasarkan persamaan (10) dan persamaan (19) maka diperoleh nilai b dari persamaan yang ada sebagai berikut

                                                                              (20)

       

Nilai ralat dalam suatu system

                                                                         (21)

Berdasarkan persamaan (10) dan persamaan (17) didapatkan nilai dari a dengan perhitungan dibawah ini;

                                                                           (22)

Maka nilai ralat a

                                                                     (23)

Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa hubungan volume terhadap tekanan adalah berbanding terbalik, yang secara matematis dapa dituliskan :

                                                                             (24)

Nilai dalam ekperimen adalah :

Dengan nilai konstanta Van Der Waals untuk gas (udara) adalah; contoh laporan termodinamika volum-suhu-tekanan

                                   (25)

                                             (26)

3.2    Hubungan tekanan dengan suhu

 Berdasarkan hasil pengumpulan data sebanyak 1 kali   percobaan diperoleh hasil seperti pada tabel 2.

Tabel 2. Keterkaitan antara tekanan dan suhu dari udara lingkungan.

Keadaan ke-N	Temperatur (K)	Tekanan (Pa)
1	298,7	96180
2	303	96870
3	308	97860
4	313	98730
5	318	99740
6	323	100770
7	328	101950
8	333	103030
9	338	104210
10	343	105400
11	348	106680
12	352	107800

Dimana tekanan pada pada tabel 2 merupakan hasil pembacaan tekanan pada loger pro.

Pola perubahan tekanan terhadap suhu ditunjukkan oleh gambar 2

Berdasarkan gambar  ditunjukkan bahwa sebaran data membentuk grafik linear sehingga persamaan dapat dituliskan;

                                Pa                            (27)

Berdasarkan persamaan (10) dan persamaan (28) maka;

                                                                                (28)

                                                                     (29)

Dengan demikian dapat di simpulkan bahwa hubungan suhu terhadap tekanan berbanding lurus secara linear, secara sistematis dapat ditulis sebagai berikut :

                                                                         (30)

Nilai dalam eksperimen adalah :

       (31)

IV. kesimpulan

Dalam penelitian kali ini dapat disimpulkan bahwa :

1.       Dari hasil eksperimen menganalisis keterkaitan volume dan suhu terhadap tekanan melalui data  yang diperoleh akan menunjukkan hasil kurva yang sesuai.

2.       Hubungan antara volume gas terhadap tekanan gas berbanding terbalik  .

3.       Hubungan antaran temperature (suhu) terhadap tekanan gas berbanding lurus .

Saran dalam pratikum kali ini eksperimen harus dilakukan secara hati-hati serta memastikan semua alat tersambung sesuai skema yang telah ditentukan.

daftar pustaka

[1]    Stephen J. Blundell, Katherine M.Blundell, Concepts in Thermal Physics, Second Edition, Oxford University Press, 2010.

[2]   Halliday & Resnick, Fisika/termodinamika, edisi

Ketiga,1984

[3]   G.Socrates,Thermodynamics and Statistical    Mechanics, Butterworths, 1971

[4]   Young & Freedman, Fisika Universitas/Termodinamika, edisi kesepuluh,2001

Gb.7. Pola perubahan tekanan terhadap suhu