E-BOOK Teori kinetic Gas_Risnawati Uding

E-BOOK TEORI KINETIK GAS Untuk SMA/MA Kelas XI Semester II Disusun oleh: Risnawati Uding



Kata Pengantar Segala puji dan syukur kami panjatkan selalu kepada Allah SWT atas limpahan rahmat, taufik serta hidayahnya yang diberikan kepada kami agar dapat menyelesaikan ebook materi teori kinetic gas untuk siswa jenjang SMA kelas XI. Ebook ini dikemas dengan informasi yang ringkas dan memudahkan siswa untuk lebih memahami. Disajikan dengan tampilan dan pembahasan yang menarik serta berasal dari sumber terpercaya yang berguna menambah wawasan mengenai bab- bab yang dipelajari tersebut. Semoga ebook ini dapat dipergunakan sebagai salah satu acuan, petunjuk maupun pedoman bagi pembaca dalam pembelajaran fisika di kelas maupun di luar kelas ebook yang dibuat masih belum bisa dikatakan sempurna. Oleh karena itu, mohon perlu adanya masukan dari para pembaca, agar kedepannya kami bisa lebih baik lagi di dalam menyusun sebuah ebook Banda Naira, Mei 2023 Penyusun Risnawati Uding

Daftar Isi Kata pengantar .......................................................................... i Daftar isi ................................................................................... ii Petunjuk .................................................................................. iii Tujuan Pembelajaran............................................................... iv Peta Konsep.............................................................................. 1 Gas ideal ................................................................................... 2 Hukum Boyle ............................................................................ 3 Hukum Charles.......................................................................... 4 Hukum Gay-Lussac.................................................................... 5 Persamaan gas ideal ................................................................. 6 Tekanan dan energi kinetik....................................................... 7 Kecepatan efektif gas ideal....................................................... 8 Energi Dalam dan Derajat Kebebasan....................................... 9 Referensi................................................................................. 10

Petunjuk Peserta Didik Bagi peserta didik, keberhasilan belajar dengan menggunakan e-book fisika Teori Kinetik Gas ini bergantung pada kedisilpinan dan ketekunan anda dalam memahami dan mematuhi langkah-langkah belajarnya. E- book ini dapat dipelajari secara mandiri atau kelompok baik di sekolah maupun di luar sekolah. Langkah-langkah dalam mempelajari E-Book Fisika Teori Kinetik Gas adalah sebagai berikut: 1. Baca dan pahami terlebih dahulu tujuan E-Book Fisika Teori Kinetik Gas ini 2. Lakukan setiap kegiatan pada E-book dengan baik sesuai dengan petunjuk yang diberikan 3. Perhatikan dan pelajari setiap uraian materi, contoh soal. Dan Latihan soal yang terdapat pada E-book ini. 4. Jika semua materi telah selesai dipelajari dengan baik. Anda dapat mengerjakan soal evaluasi pada bagian akhir materi Peran Guru Guru dapat membantu dan membimbing peserta didik dalam menguasai materri, melakukan setiap tahap kegiatan yang terdapat di dalam e-book serta dalam mengerjakan Latihan soal dan soal evaluasi apabila peserta didik mengalami kesulitan. Guru memiliki peran penting untuk keberhasilan peserta didik dalam mempelajari materi Teori Kinetik Gas .

Tujuan Pembelajaran Setelah memahami petunjuk dan mengumpulkan informasi dari berbagai sumber, maka siswa diharapkan mampu: 1. Memahami konsep dasar gas ideal 2. Menganalisis sifat-sifat gas deal 3. Menjelaskan hukum Boyle 4. Menjelaskan hukum Charles 5. Menjelaskan hukum Gay Lussac 6. Memahami karakteristik gas pada ruang tertutup 7. Menjelaskan konsep energi kinetic rata-rata gas 8. Mejelaskan kecepatan efektif gas 9. Memahami energi dalam dan derajat kebebasan .

Peta Konsep TEORI KINETIK GAS Mempelajari Karakeristik Molekul-molekul Gas Gas Ideal dengan Memiliki Persamaan Gas Energi Energi Ideal Dalam Kinetik Laju (rms) Hukum- hukum Gas Hukum Boyle Hukum Charles Hukum Gay-Lussac

Pendahuluan Penerapan gas dalam kehidupan sehari-hari menjangkau banyak bidang. Salah satunya penggunaan kantong udara (air bag) di mobil. Ketika mobil bertabrakan, kantong udara (air bag) akan mengembang seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Katong udara memberikan bantalan yang akan mengurangi resiko cedera berat karean benturan antara dada, kepala pengemudi dengan batang setir. Gas yang digunakan untuk mengisi kantong udara (air bag) adalah nitrogen. Tetapi berapa banyak nitrogen yang diperlukan? Bagaimana proses perancangan kantong udara? Mengapa gas yang dipilih untuk mengisi kantong udara? untuk mengetahuinya, ayo kita pelajari materi teori kinetic gas. Gambar 1. Air bag pada mobil Teori kinetik gas menjadi jembatan antara tinjauan gas secara mikroskopik dan makrokospik. Hukum-hukum gas seperti hukum Boyle, Charles, dan Gay Lussac, menunjukkan hubungan antara besaran- besaran mikrokospik dari berbagai macam proses serta perumusannya Kata kinetik berasal dari adanya anggapan bahwa molekul-molekul gas selalu bergerak. Dalam teori kinetik gas, kita akan membahas tentang perilaku partikel-partikel gas dalam ruang yang terbatas. Partikel-partikel gas ini kita anggap sebagai sebuah bola yang selalu bergerak. Tiap-tiap partikel bergerak dengan arah sembarang dan dimungkinkan terjadi tumbukan antarmasing-masing partikel atau antara partikel dengan dinding ruang. Tumbukan yang terjadi tersebut berupa tumbukan lenting sempurna. Dengan sifat tumbukan yang demikian, maka tidak ada proses kehilangan energi yang dimiliki partikel gas pada saat terjadi tumbukan.

Gas Ideal Pengertian Gas ideal adalah gas teoretis yang terdiri dari partikel-partikel titik yang bergerak secara acak dan tidak saling berinteraksi. Sifat-Sifat Gas ideal Hukum-hukum Gas 1) Gas terdiri atas partikel-partikel padat 1. Hukum Boyle kecil yang bergerak dengan kecepatan 2. Hukum Charles tetap dan dengan arah sembarang. 3. Hukum Gay Lussac 4. Hukum Avogadro 2) Masing-masing partikel bergerak dalam garis lurus, gerakan partikel hanya Besaran yang digunakan dipengaruhi oleh tumbukan antara masing-masing partikel atau antara Massa molekul dengan massa satu partikel dan dinding. Gaya tarik-menarik antar partikel sangat kecil sekali dan molekul dianggap tidak ada (diabaikan). ������ 3) Tumbukan antara masing-masing partikel ������������ = ������0 atau antara partikel dengan dinding Hubungan banyak mol dengan adalah tumbukan lenting sempurna. massa total gas 4) Waktu terjadinya tumbukan antarpartikel atau antara partikel dengan dinding ������ dengan sangat singkat dan bisa diabaikan. ������ = ������ Hubungan banyak mol 5) Ukuran volume partikel sangat kecil dibandingkan ukuran volume ruang jumlah molekul tempat partikel tersebut bergerak. ������ 6) Berlaku hukum Newton tentang gerak. ������ = ������0 Keterangan N0 = Bilangan Avogadro (6,02 x1023molekul/mol) M = massa molekul m = massa (gram) n = mol N = jumlah molekul

Gas yang benar-benar kita temukan di alam merupakan contoh dari gas nyata. Gas nyata dapat dimanfaatkan untuk kehidupan manusia baik secara langsung seperti bernapas da secara tidak langsung untuk dimaanfaatkan dalam teknologi salah satunya air bag. Air bag dimanfaatkan sebagai Gambar 2. Air Bag memanfaatkan pelindung saat berkendara, karena Ketika terjadi tabrakan air bag akan mengembang secara otomatis. Air bag yang awalnya kosong dimasukkan sejumlah udara (gas) dengan jumlah tertentu, sehingga dapat terbentuk kantong udara. sifat gas ideal Kita harus mengetahui perilaku dan besaran gas baik makroskopis maupun mikroskopis. Perlu pengidealan molekul gas untuk memudahkan analisis, dengan menggambarkan kondisi idealnya kita dapat memahami hubungan antara besaran makroskopis dan mikroskopis, kemudian barulah kita dapat memanfaatkannya dalam kehidupan dan teknologi. Gas yang tersusun atas Gas Nyata partikel-partikel dengan perilaku seperti anggapan di atas pada Kerapatan rendah, suhu kenyataannya tidak ada. Dalam tinggi, tekanan rendah bahasan teoritik, diperlukan objek gas yang sesuai dengan Gas Ideal anggapan tersebut. Objek gas ini disebut sebagai gas ideal. Gambar 3. Syarat Gas nyata yang dapat dikatakan gas ideal

Gas nyata dapat bersifat gas ideal Ketika gas tersebut memiliki suhu tinggi dan bertekanan rendah dan gas ideal hanya dapat diamati pada ruangan yang tertutup seperti pada gambar 3. Pada kenyataannya, tidak ditemukan gas yang memenuhi kriteria gas ideal. Akan tetapi, sifat itu dapat didekati oleh gas pada temperatur tinggi dan tekanan rendah Gambar 4. Kerapatan molekul gas ideal rendah Pengidealan molekul gas didasarkan atas kerapatan molekul- molekul gasnya. Gambar 4 menunjukkan keadaan molekul gas yang dianggap ideal saat kerapatan (massa jenis) molekul-molekul yang rendah. Molekul- molekul dengan kerapatan rendah memiliki bebrapa sifat yang tidak signifikan sehingga bisa dikatakan untuk memudahkan

Hubungan antara tekanan, temperature dan volume pada gas telah dibuktikan sedemikiaan rupa dalam beberapa hukum gas. Hukum-hukum gas ini memungkinkaan kita untuk menentukan bagaimana pengaruh yang disebabkan oleh perubahan salah satu faktor terhadap faktor lainnya. Tidak ada satupun gas yang benar-benar ideal, tetapi dari hasil penelitian ada beberapa gas yang mendekati kondisi gas ideal tersebut. Pendekatan hukum gas tetap bisa digunakan untuk menentukan pengaruh dari pada perubahan tekanan temperature dan volume Hukum Boyle Robert boyle (1627-1691) melakukan eksperimen untuk menyelidiki hubungan kuantitatif antara tekanan dan volume gas. Percobaan ini dilakukan dengan memasukkan sejumlah gas tertentu ke dalam sebuah wadah tertutup. Sampai pendekatan yang cukup baik, ia menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga konstan, maka Ketika tekanan gas bertambah, volume gas berkurang. Demikian juga sebaliknya Ketika tekanan gas berkurang, volume gas bertambah. Tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan Hukum Boyle. “Apabila suhu dari suatu gas yang ada di sebuah ruangan tertutup dijaga konstan (isothermal), maka tekanan gas tersebut akan berbanding terbalik dengan volumenya”

Mari Bereksperimen Sumber: https://www.youtube.com/watch?v=az6tpB_KaGA Persamaan Matematis P1 = Tekanan gas awal (N/m2) V1 = Volume gas awal (m3) PV = Konstan P2 = Tekanan gas akhir (N/m2) P1V1= P2V2 V2 = Volume gas akhir (m3) Penerapan Hukum Boyle Sistem Pernapasan Pompa Hidrolik Aerosol Jarum Suntik Diskusi Yuks ! Bagaimana prinsip kerja pada sistem pernapasan, pompa hidrolik, aerosol dan jarum suntik sehingga sesuai dengan Hukum Boyle? -

Hukum Charles Jacques Charles (1746-1823) menyelidiki hubungan antara suhu dan volume gas. Berdasarkan hasil percobaannya, ia menemukan apabila tekanan gas selalu konstan, maka Ketika suhu gas bertambah, volume gas juga bertambah. Sebaliknya Ketika suhu gas berkurang, volume gas juga berkurang. Perubahan volume gas akibat adanya perubahan suhu, terjadi secara teratur sehingga garis pada grafik ini tampak lurus. Apabila garis pada grrafik digambarkan sampai suhu yang lebih rendah maka garis akan memotong sumbu di sekitar -2730C. “Apabila tekanan gas berada di dalam suatu ruangan tertutup bersifat konstan, maka suhu mutlaknya akan berbanding lurus dengan volume gas tersebut” Mari Bereksperimen Sumber: hhttps://youtu.be/Ce7K5IsWc28 Persamaan Matematis ������ = Konstan T1 = Suhu gas awal (K) ������ V1 = Volume gas awal (m3) T2 = Suhu gas akhir (K) ������������ = ������������ V2 = Volume gas akhir (m3) ������������ ������������

Penerapan Hukum Charles Naik turunya Balon Udara Proses pembuatan roti Bantal renang Diskusi Yuks ! Bagaimana prinsip kerja pada peristiwa naik turunnya balon udara, proses pembuatan roti, dan bantal renang sehingga sesuai dengan Hukum Charles? Taukah Kamu Hukum Charles menjelaskan bahwa suhu dan volume berbanding lurus satu sama lain. Saat gas dipanaskan, ia mengembang. Saat terjadi ekspansi gas, kepadatan nya menjadi berkurang dan balon terangkat ke udara. Udara hangat kurang padat dibandingkan udara dingin, yang berarti lebih ringan dari udara dingin. Selain itu, udara hangat memiliki massa yang lebih sedikit per satuan volume.

Hukum Gay-Lussac Joseph Gay-Lussac (1778-1850) melakukan percobaan dan menemukan bahwa apabila volume gas diatur konstan, Ketika tekanan gas bertambah, suhu mutlak gas pun bertambah. Demikian juga sebaliknya Ketika tekanan gas berkurang, suhu mutlak gas pun berkurang. Pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. “Jika volume gas yang berada dalam bejana tertutup dipertahankan konstan, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya”. Mari Bereksperimen Sumber: https://youtu.be/LmKaQsB_ZWM Persamaan Matematis P1 = Tekanan gas awal (N/m2) T1 = Suhu gas awal (K) ������������������= konstan P2 = Tekanan gas akhir (N/m2) ������������ = ������������ T2 = Suhu gas akhir (K) ������������ ������������

Penerapan Hukum Gay-Lussac Kaleng minuman bersoda Rice cooker Diskusi Yuks ! Bagaimana prinsip kerja dari kaleng minuman bersoda dan rice cooker sehingga sesuai dengan Hukum Charles? Taukah Kamu Pada volume (V) konstan, apabila tekanan (P) gas berubah maka suhu mutlak (T) gas juga berubah sehingga hasil perbandingan antara tekanan dan suhu mutlak konstan. Dengan kata lain, jika tekanan gas bertambah, maka suhu mutlak gas juga bertambah atau sebalknya jika tekanan gas berkurang maka suhu mutlak gas juga berkurang, sehingga hasil perbandingan antara tekanan dan suhu selalu konstan. Yang dimaksudkan dengan suhu mutlah gas addalah suhu gas yang dinyatakan dalam skala kelvin. Apabila suhu masih dalam skala Celcius, maka ubah terlebih daulu ke daam skala Kelvin.

PERSAMAAN GAS IDEAL Persamaan yang menjelaskan terkait hubungan antara tekanan dan volume pada gas dengan temperature dan jumlah mol gas. Rumus Taukah Kamu Persamaan keadaan suatu gas Persamaan gas ideal ini dipelajari hanya jika yang mengalami perubahan gas tersebut dalam kerapatan yang rendah volume, tekanan dan suhu dan di dalam keadaan tertutup. Sehingga dapat dituliskan sebagai, kalau dalam keadaan tertutup jumlah molekul N gas adalah tetap. ������������ = ������������������ Persamaan umum gas ideal Latihan Soal Yuks ! dapat dinyatakan dengan banyak partikel Sepuluh liter gas liter suhunya 1270 mempunyai tekanan 165,5 ������������ = ������������������ N/m2, tentukan berapa banyak partikel gas tersebut! Keterangan P = tekanan gas (Nm-2) V = volume gas (m3) n = jumlah mol (mol) T = Temperatur mutlak gas (K) R = tetapan umum gas (8,314 J/mol K) N = jumlah partikel gas k = tetapan Boltzman (1,38 x 10-23 J/K)

TEKANAN DAN ENERGI KINETIK PADA GAS IDEAL Tekanan (P), Volume (V), dan Temperatur (T) merupakan besaran yang menggambarkan keadaan makroskopik gas. Dalam tinjauan keadaan mikroskopis kita harus memulai penyelidikan terkait laju, massa, energi kinetic dan momentum dari setiap molekul yang Menyusun suatu zat misalnya gas Rumus Diskusi Yuks ! Jika suatu gas ideal berada dalam suatu 1. Apa yang terjadi pada ruang tertutup, maa gas tersebut akan partikel-partikel gas jika melakukan tekanan pada dinding ruangan. tekanan gas diperbesar? Apabila ada N partikel gas ideal, maka tekanan gas dapat dituliskan sebagai 2. Apa yang terjadi pada berikut partikel-partikel gas jika wadah tempat gas tersebut ������ ������������������������ berada diperbesar? ������ = ������ ������ Hubungan Tekanan dengan energi kinetic Contoh Soal dari molekul-molekul gas dapat dinyatakaan sebagai Sebuah tabung dengan volume 0,3m3 mengandung 2 mol ������ ������ Helium pada suhu 270C. ������ = ������ ������ ������������ dengan anggapan Helium adalah gas ideal, berapa energi Energi kinetic gas ideal kinetic gas Helium? ������ Diketahui: Volume Helium= 0,3m3 ������������ = ������ ������������ T= 300 K Molaritas gas helium n= 2 Keterangan Ditanya: Ek Helium? Jawab: P = tekanan gas (Nm-2) Ek=3/2 NkT V = volume gas (m3) m = massa molekul (kg) =3/2 nRT T = Suhu mutlak gas (K) =3/2 . 2 . 8,314 . 300 N = jumlah partikel gas =7482,6 Joule Ek= energi kinetic (joule)

ENERGI DALAM DAN DERAJAT KEBEBASAN Energi dalam adalah Total energy kinetic dari partikel-partikel gas yang berada di dalam suatu wadah tertutup. Derajat kebebasan suatu molekul adalah banyaknya bentuk energy yang dimiliki oleh molekul gas itu sesuai dengan jenis adan arah gerak. Gas Diatomik Taukah kamu! Untuk gas-gas diatomic, seperti H2, O2, dan N2 Terdapat tiga jenis derajat pada suhu rendah ±300K akan berlaku. kebebasan, yaitu: 1. derajat kebebasan translasi ������ ������ 2. derajat kebebasan rotasi ������ = ������ ������������������ = ������ ������������������ 3. derajat kebebasan vibrasi Pada suhu tinggi ±500K , Contoh Soal ������ ������ ������ Neon (Ne) adalah suatu gas ������ = ������ ������������������ + ������������������ = ������ ������������������ = ������ ������������������ monoatomik. Berapakah energi dalam 2 gram gas neon Pada suhu tinggi ±1000K , pada suhu 50°C jika massa ������ ������ ������ molekul relatifnya Mr = 10 g/mol? Jawab ������ = ������ ������������������ + ������������������ = ������ ������������������ = ������ ������������������ Diketahui: m = 2 gram, T = 50°C, dan Mr = 10 g/mol Jika diketahui derajat kebebasan (f) maka berlaku. ������ ������ = ������ ������������������ ������ ������ ������ = ������(������ ������������������) = ������(������ ������������������) ������ ������ ������ = ������ ������������ ������������ ������ ������������ = ������ × ������������������/������������������ × ������, ������������ ������/������������������������ × (������������ + ������������������)������ = 805,24 joule

KECEPATAN EFEKTIF GAS IDEAL Setiap partikel pada gas memiliki energi kinetik dan untuk gas ideal energi kinetik. Karena molekul-molekul gas tidak seluruhnya bergerak dalam kecepatan yang sama. Rata-rata kuadrat kecepatan partikel-partikel gas disebut dengan kecepatan efektif gas atau Vrms ( rms = root mean square). Rumus Diskusi Yuks Hubungan antara energi dalam 1. apa yang terjadi pada partikel- dengan energi kinetic rata-rata partikel gas jika tekanan gas partikel gas (Ek) diperbesar? ������������������ 2. apa yang terjadi pada partikel- ������������������������ = ������ partikel gas jika bejana tempat gas tersebut berada diperbesar? Hubungan antara tekanan, rapat massa gas, dan kecepatan efektifnya Latihan soal yuks ������������ Dalam suatu ruangan tertutup ������������������������ = ������ terdapat gas yang tekanannya 3,2. 105 N/m2. Jika massa jenis partikel Keterangan gas 6 kg/ m3, maka tentukan kecepatan efektif tiap partikel gas! Vrms = kecepatan efektif (m/s)2 Diket: P = tekanan gas (Pa) P = 3,2. 105 N/m2 ρ = massa jenis gas (kg/m3) Massa jenis = 6 kg/ m3 Ditanya: V rms? Jawab: ������������ ������������������������ = ������ ������������������������ = ������(������, ������������ ������������������) ������ = 400 m/s

UJI KOMPETENSI 1. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut! 1) Setiap partikel selalu bergerak dengan arah teratur dan tertentu. 2) Gaya tarik-menarik antar partikel dipertimbangkan. 3) Partikel gas tersebar merata dalam ruangan. 4) Ukuran partikel diabaikan. 5) Tumbukan yang terjadi dianggap lenting sempurna. Sifat gas ideal ditunjukkan oleh pernyataan.... A. 1) dan 3) B. 3), 4) dan 5) C. 2), 3), dan 4) D. 1), 2), dan 3) E. 3) dan 4) 2. Faktor yang mempengaruhi energi kinetik gas didalam ruang tertutup: 1) tekanan 2) volume 3) suhu 4) jenis zat Pernyataan yang benar adalah A. 1 dan 2 B. 3 saja C. 2 saja D. 1 dan 3 E. 1 dan 4 3. Apa yang dipelajari dalam teori kinetik gas? A. Mempelajari tentang gerak dan penyebab gerak B. Menjelaskan sifat-sifat zat berdasarkan gerak acak terus menerus dari molekul molekulnya C. Mempelajari gerakan suatu benda serta efek gaya dalam gerakan benda D. Mempelajari gerak benda dan sistem benda tanpa mempersoalkan gaya penyebab Gerakan E. Mempelajari hubungan antara gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya

4. Gas ideal yang berada dalam suatu bejana dimampatkan (ditekan), maka gas akan mengalami….. A. Penurunan laju partikel B. Penurunan suhu C. Penambahan partikel gas D. Penurunan partikel gas E. Kenaikan suhu 5. Pada hukum Boyle, P.V = k, P adalah tekanan dan V adalah volume. Konstanta k mempunyai dimensi yang sama dengan ... A. Daya B. Konstanta pegas C. Suhu D. Momentum E. Usaha 6. Berikut pernyataan terkait persyaratan berlakunya persamaan keadaan gas 1) Gas terdiri dari partikel-partikel gas yang identik 2) Interaksi antar partikel terjadi saat tumbukan 3) Partikel-partikel bertumbukan secara lenting sempurna hanya dengan dinding wadah gas 4) Partikel bergerak secara lurus dengan percepatan tetap Persyaratan yang benar ditunjukkan pada nomor . . . A. 1 dan 2 B. 2 dan 3 C. 3 dan 4 D. 4 saja E. Benar semua

REFERENSI Giancoli, Douglas C. Physics Fifth Edition (Terjemahan) Erlangga, Jakarta Resnick, Halliday. 1985. FISIKA. Jakarta: Penerbit Erlangga Serway, Fisika untuk Sains dan Teknik, Penerbit Salemba Teknika Tipler, P.A. 1998, Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid 1 (Terjemahan) Jakarta: Penerbit Erlangga Widodo, Tri. 2009. Fisika: Untuk SMA dan MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional