Jumpa lagi di seri kuliah daring fisika dasar 1. Kali ini kita akan memasuki materi akhir di semester ini yaitu mengenai fisika termal. Pada bagian pertama ini kita akan bahas bersama mengenai teori kinetik gas. Pada bahasan ini kita akan bertemu dengan suatu satuan, besaran satuan yang sangat penting disini yaitu temperatur seperti telah kita pelajari pada bagian awal kuliah di fisika dasar ini bahwa temperatur itu memiliki satuan internasional yaitu Kelvin namun kita mengenal satuan lainnya untuk temperatur yang digunakan sehari-hari yaitu Celsius yang kita gunakan dan Fahrenheit yang digunakan di Amerika Nah, kita lihat ya mengapa satuan Celsius ini lebih sering kita gunakan dibandingkan Kelvin sendiri.
Nah, pada diagram ini kita lihat bahwa untuk skala dalam Celsius, nilai 0 dan 100-nya itu berkaitan dengan fenomena yang mudah kita jumpai dan mudah kita amati. Yaitu bagaimana air itu membeku. pada suhu 0 derajat Celcius dan air itu mendidih pada suhu 100 derajat Celcius.
Oleh karena itu, kita lebih mudah membayangkan bagaimana nilai temperatur itu ketika kita bandingkan dengan fenomena yang dapat diamati dengan mudah. Sedangkan nanti dalam Kelvin, suhu untuk 0 Kelvin itu adalah suhu yang mutlak yang tidak akan kita bisa jumpai dalam... kehidupan sehari-hari, sehingga sangat sulit untuk kita membayangkan seberapa panaskah atau seberapa dinginkah suhu dalam Kelvin tersebut. Nah, sekarang kita lihat di sini bagaimana cara kita mengubah skala-skala temperatur tersebut.
Kita lihat ada perbandingan di sini ya. Kelvin, Celsius, dan Fahrenheit. Anda mungkin telah belajar pada tingkat SMA ataupun SMP. bagaimana cara mengubah satuan dari Kelvin ke Celsius, Fahrenheit, dan sebaliknya. Tapi yang sering kita jumpai adalah nanti, dari Kelvin ke Celsius dan sebaliknya, di sini kita cukup mudah, yaitu tinggal menambah atau mengurangi nilainya dengan 273 derajat.
Nah, satu poin yang penting kita pegang di sini adalah, nanti ketika kita membahas mengenai teori kinetic gas, maka temperatur yang kita gunakan itu harus dalam Kelvin. Jadi jika nanti Anda memperoleh data dalam Celsius, maka untuk mengolahnya harus dalam bentuk Kelvin. Nah, sekarang kita masuk pada objek yang akan kita bahas sekarang. Apa sih objeknya?
Kita telah membahas bagaimana benda padat itu, dinamikanya, kinematikanya. Kita membahas bagaimana fluida yang khususnya adalah benda cair. Sekarang kita ingin melihat bagaimana perilaku gas secara fisis.
Nah, gas di sini yang akan kita ambil objeknya adalah gas ideal. Apa itu gas ideal? Gas ideal adalah penyederhanaan atau idealisasi dari gas yang sebenarnya, jadi itu gas yang nyata, dengan membuang sifat-sifat yang tidak terlalu signifikan.
Jadi kita... Istilahnya adalah menyederhanakan sifat dari gas yang ada menjadi lebih mudah untuk kita amati. Nah, kita lihat di sini ya, misalkan dalam sebuah wadah, kita melihat di sini ada partikel gas yang berwarna hitam ini sedang bergerak. Nah, gas ideal ini adalah memiliki sifat seperti berikut. Yang pertama adalah tidak ada interaksi antara molekul-molekul gas.
Yang kedua itu... molekul gasnya dapat dipandang sebagai partikel yang ukurannya dapat kita abaikan. Jadi, sangat kecil ukurannya.
Kemudian, dalam satu wadah seperti ini, partikel gas itu bergerak secara acak ke segala arah. Jadi, kemana-mana arahnya itu. Kemudian, tumbukan antara molekul gas masing-masing maupun tumbukan antara molekul gas dengan dinding-dinding di sini. Itu kita asumsikan sebagai cumbukan yang bersifat elastik atau lenting sempurna.
Sehingga nanti energi kinetik total dari molekul gas ini selalu tetap. Kita ingat kembali bahwa ketika tumbukan yang bersifat elastik sempurna atau lenting sempurna, maka energi kinetik sistemnya kekal. Nah, hal-hal ini telah diamati, dipelajari, dikaji oleh beberapa ilmuwan, antara lain adalah Robert Boyle, Jacques Charles, dan Joseph Guy Lussac. Nah, kita lihat masing-masing apa yang mereka kaji.
Pertama, di sini kita akan lihat apa yang dikaji oleh Robert Boyle. Jadi, dia mengkaji itu membuat sebuah eksperimen. Misalkan, ada gas di dalam sebuah wadah.
Tutup wadah ini bisa kita gerakan. Itu namanya piston, tutup ini. Bisa kita gerakan, naik turun.
Bisa Anda dorong, Anda tarik. Di sini saya kasih sebuah beban sehingga dia akan tertekan ke bawah ya. Kemudian suhunya saya buat tetap di sini.
Anda bayangkan ya, ketika tekanan ini saya tambah, saya dorong ke bawah, otomatis volumenya akan berkurang di sini ya. Nah, maka di sini ya, ketika pressure atau tekanannya tinggi nilainya, maka nilai V-nya bagaimana? V-nya rendah nilainya di sini.
Dan ketika pressure-nya, tekanannya rendah, Di bawah sini, maka volumenya besar. Di sini kita bisa melihat bahwa hasil dari eksperimen ini menunjukkan bahwa pada suhu tetap, tekanan gas itu berbanding terbalik dengan volumenya. Jadi P sebanding dengan 1 per volume. Pressure, tekanan, sebanding dengan 1 per volume. Ini ingin saya lihat bentuknya, maka V-nya saya pindahkan ke sebelah kiri.
Seperti ini ya. Jadi tekanan dikalikan volume sama dengan suatu nilai yang konstan. Artinya apa? Kalau dia konstan maka tekanan dikalikan volume awal itu akan sama dengan tekanan dikalikan volume akhir.
Jadi hasil perkalian antara tekanan dan volumenya itu akan selalu tetap. Ini dari Robert Boyle. Berikutnya adalah kita lihat. dari Gailusa ya di sini dia beliau mencoba mengamati Bagaimana jika dalam suatu wadah ya di sini yang tekanannya dapat diubah kemudian suhunya juga bisa berubah namun dibuat ini wadahnya atau volumenya itu tetap artinya adalah kondisi ini Volume dari wadah ini tidak akan berubah, tutupnya sekarang tidak bisa bergerak.
Dicoba bagaimana kalau suhunya ditingkatkan. Ternyata kalau suhunya ditingkatkan, sensor tekanan ini membaca bahwa nilai tekanan di dalam tabung ini juga meningkat. Artinya apa? Artinya adalah kita bisa lihat bahwa pada volume yang tetap, maka tekanan dari gas itu berbanding lurus dengan Temperature-nya atau suhunya. Jadi, kalau suhunya naik, maka temperature-nya pun naik pada volume tetap.
Jadi, pressure, tekanan, sebanding dengan temperature atau suhu. Dari tadi, saya pindahkan T-nya ke sebelah kiri, maka menjadi P dibagi dengan T yang nilainya konstan. Sehingga, diperoleh bahwa tekanan dibagi dengan temperature awal.
Sama dengan tekanan akhir dibagi dengan temperatur akhir. Ini adalah hasil dari kajian Yosef Gay Lusak. Berikutnya adalah kita lihat di sini dari Charles. Dari Jacques Charles.
Sekarang dia di sini punya gas tetap dalam sebuah wadah. Yang tekanannya dipertahankan, namun suhunya diubah-ubah. Jadi kita tidak memberikan tekanan pada wadah ini. Nah, kalau suhunya diubah, suhunya naik misalkan, otomatis volumenya akan mengembang.
Volumenya akan naik juga. Kita lihat bahwa ketika temperaturnya naik, maka volume juga akan naik. Maka dihasilkan atau disimpulkan bahwa ketika...
tekanan gas dipertahankan konstan maka volume gas itu berbanding lurus dengan temperaturnya atau suhunya Jadi volume itu sebanding dengan temperatur. Nah, kita bisa lihat di sini ya, ketika saya pindahkan temperaturnya ke sebelah kiri, maka volume dibagi temperatur itu sebuah nilai yang konstan, maka saya simpulkan bahwa volume awal dibagi temperatur awal itu sama dengan volume akhir dibagi temperatur akhir. Inilah yang disimpulkan oleh Charles. Oke, nah sekarang di sisi lain, tadi kita telah membahas gas ideal. Nah, salah satu ciri khas dari gas ideal adalah ketika gas tersebut, besaran-besarannya memenuhi persamaan keadaan gas ideal seperti berikut.
Jadi ketika nilai tekanan dikalikan volumenya itu sama dengan Molnya dikalikan konsentrasi gas ideal dikalikan temperaturnya. Ini berlaku pada sebuah gas maka dia adalah gas ideal. Kita perlu tahu bahwa tadi ini adalah tekanan dalam pascal. V adalah volume dalam meter kubik. N adalah jumlah zat atau mol.
R adalah konsentrasi gas ideal dengan data tentu. Dan T adalah temperatur mutlak dalam kelvin. Bukan temperatur dalam celsius.
atau Fahrenheit. Nah, bisa juga kita tuliskan dalam bentuk lain ya, PV sama dengan N kapital kali K kali T, dengan P-nya tetap, tekanan, V-nya volume, N-nya di sini adalah jumlah partikelnya, yaitu mol dikali kanan bilangan Avogadro ya, Anda bisa hitung, kemudian K-nya adalah konserta Boltzmann, dan T-nya adalah temperatur tetap ya. Jadi ini adalah persamaan gas ideal. yang selalu dipenuhi oleh gas yang ideal tadi ya seperti itu oke nah sekarang kita tadi sudah memperoleh dua tinjauan ya yaitu tinjauan dari kajiannya Boyle Charles dan Gailusak kemudian juga kajian dari persamaan keadaan gas idealnya ya Nah jika kita lihat lebih teliti tadi kita punya 3 hasil dari Boyle, Gailusak, dan Charles.
Nah, hukum dari masing-masing tadi ya, ketiga hukum tadi, bila kita gabungkan, maka kita memperoleh bentuk seperti berikut. Jadi, sama ini ya, P kali V dibagi dengan T, karena T selalu di bawah penyebutnya, P dengan V selalu di pembilangnya. Dan dia Seperti itu kesebandingannya ya.
Maka, bila saya gabung menjadi P1 V1 per T1 sama dengan P2 V2 per T2. Nah, bentuk ini ternyata itu akan cocok dengan persamaan keadaan gas ideal tadi. Seperti apa cocoknya?
Jika kita lihat ya, maka di persamaan keadaan gas ideal tadi, kita memperoleh bahwa kita punya kan P, PV ya. Kita punya PV sama dengan nRT. Nah, ini jika saya pindahkan posisinya menjadi, T-nya saya pindah ruaskan, di sini menjadi PV per T sama dengan nR. Nah, ini kan sebuah nilai yang konstan. Maka karena dia konstan maka dia seper oleh bentuk seperti berikut.
Jadi P awal kali V awal dibagi dengan T awal itu sama dengan P akhir dikalikan V akhir dibagi dengan T akhir. Jadi inilah bentuk yang perlu kita ketahui antara tiga besaran utama pada termal ini yaitu tekanan, volume, dan suhu. Berikutnya adalah besaran yang ingin kita pahami dari kinetika gas ini adalah besaran kelajuannya dan besaran energinya tentunya. Nah, di sini ada sebuah teorema yang akan kita jadikan dasar untuk menganalisa hal tersebut, yaitu teorema ekipartisi energi. Nah, tadi kita sudah bahas bahwa salah satu sifat dari gas ideal adalah...
Melekul-melekul gasnya bergerak dalam arah yang sembarang. Jadi, dia kemana saja. Kita lihat ya.
Partikel gas ini ke arah ini. Gas berikutnya serong ke kiri. Gas berikutnya ke arah atas, dan seterusnya. Ini arahnya acak, sembarang. Dalam sebuah wadah misalkan dengan volume S kubik.
Nah, tapi kita perlu lihat juga bahwa setiap arah sembarang itu sebenarnya dapat kita uraikan sebagai arah dalam sumbu X, Y, Z. Jadi, setiap arah di sini bisa kita uraikan pada tiap-tiap sumbunya dalam kerangka tiga dimensi. Jadi saya punya kerangka X, Y, Z. Misalkan ada V ke arah sini, acak, maka bisa saya uraikan arah kecepatannya dalam arah sumbu X, V, X, dalam arah sumbu Y, V, Y, dan arah sumbu Z, V, Z. Kemudian, semakin besar suhu gas, maka secara alami gerak dari gas tersebut dari molekulnya akan semakin cepat. Maka, Ingat, semakin cepat gerak dari suatu benda, berarti energi kinetiknya semakin besar pula. Nah, berarti di sini kita melihat bahwa ada hubungan antara temperatur, suhu, dengan energi kinetik.
Nah, jadi di sini bagaimana hubungannya? Energi kinetik rata-rata setiap derajat kebasan yang dimiliki molekul gas itu sama dengan setengah K. dikalikan T. K itu tadi kalau setah Boltzmann, T itu adalah temperatur. Nah, ini disebut sebagai prinsip ekipartisi.
Apa sih itu derajat kebebasan? Kita pilih jawab berikut. Jadi, setiap arah gerak dari molekul itu disebut sebagai derajat kebebasan.
Artinya adalah kemungkinan arah gerak dari sebuah molekul. Jadi di sini, kalau dia berada di ruang 3 dimensi, maka dia punya 3 kemungkinan arah gerak, yaitu ke arah sumbu X, ke arah sumbu Y, dan ke arah sumbu Z. Karena dia punya 3 kemungkinan arah gerak, maka disebut sebagai 3 derajat kebebasan.
Jadi dia bebas bergerak hanya dalam 3 arah, 3 derajat saja. Begitu ya. Nah, maka dari sini, karena si gas tadi punya 3 derajat keebasan, sedangkan untuk 1 derajat keebasannya itu energinya adalah setengah KT, maka energi kinetik rata-rata gas setiap molnya itu adalah 3 derajat keebasan dikalikan setengah KT. Maka energi kinetik rata-rata gas setiap molnya adalah 3 per 2 KT.
Nah, kemudian kita juga bisa melihat kelajuan RMS-nya, atau kelajuan root mean square-nya. Di sini, karena jumlah molekul gas itu banyak, maka kita tidak bisa menghitung satu per satu. Kita harus menggunakan konsep rata-rata di sini.
Karena kalau menghitung satu per satu, jumlahnya sangat banyak, maka ini konsep statistik yang kita gunakan. Yaitu kita gunakan konsep root-min-square, ya, RMS. Apa itu root-min-square? Ya, sesuai namanya.
Kita baca dari paling ujung ya, ujung kanan, square, min, dan root. Square itu dikuadratkan, jadi data yang ada dikuadratkan, kemudian dirata-ratakan, man, dan terakhir diakarkan. Ya, maka kita peroleh adalah nilai RMS-nya, root-min-square, ya.
Di sini ya, jadi kita lihat bahwa n di kinetika terata, ini dalam bentuk umumnya ya, berarti setengah m v rata-rata kuadrat, itu sama dengan, tadi kita peroleh dari prinsip ekipatrisi, sama dengan 3 per 2 kt. Maka dari sini, saya bisa mencari berapa nilai v kuadratnya, saya pindahkan setengah m-nya ke ruas kanan, maka saya peroleh seperti berikut. Jadi, v rata-rata, tadi dikuadratkan ya, kemudian, Saya akarkan sama dengan, jadi VRMS itu sama dengan 3KT per M. Ini adalah untuk menentukan berapa nilai kelajuan RMS dari sebuah gas, dari kumpulan molekul gas dalam suhu tertentu. Jadi ingat bahwa kelajuannya bergantung dengan suhu.
Semakin tinggi suhunya, maka semakin besar kelajuan RMSnya. Kemudian ada juga konsep yang namanya energi dalam atau energi internal. Jadi misalkan dalam sebuah wadah yang bersuhu T, molekul itu bergerak secara acak molekul gasnya.
Nah jika energi total gas itu hanya berasal dari energi kinetiknya saja, tadi kan tersebutkan ya, tidak ada interaksi lain, maka semua energi yang ada dalam gas itu berasal dari energi kinetiknya, maka kita punya konsep bahwa energi dalam internal gas itu sama dengan energi kinetik rata-rata dari gas yaitu 3 per 2 KT per molnya satu gasnya ya untuk jumlah gas yang banyak pada kasus monotomik ya, jadi ini adalah gas-gas yang tunggal atomnya jadi Helium saja 1, neon, argon, ini gas-gas mulia, Nobel Gas. Untuk gas yang jumlahnya N kapital, maka di sini nilainya adalah tinggal kalikan dengan N. Jadi 3 per 2 NKT. Atau jika saya ubah dalam bentuk yang lebih mudah, dalam mol, maka 3 per 2 NRT. N kapital adalah jumlah.
atau ya, n kecil adalah molnya, K adalah konstanta Boltzmann, R adalah konstanta gas ideal, berbeda nilainya, dan T di sini sama-sama temperatur dalam satuan Kelvin, yang perlu diingat ya. Oke, sekarang kita coba, ini adalah contoh pertama ya, yang akan kita bahas. Contohnya adalah, satu mol gas neon pada sebuah piston memiliki kondisi awal dengan volume 4 liter.
dan suhu 27 derajat celcius. Jika pada gas, suhu dibuat tetap, sehingga volume menjadi 2 kali awal, tentukanlah tekanan awal dan akhir dalam setuan pascal, kemudian energi kinetik rata-rata gas per mol, energi dalam gas, dan kelajuan RMS gas. Oke ya, kita coba membahas soal berikutnya.
Bagaimana kita bahas disini? Kita kembali tinjau soalnya ya. Satu mol gas neon pada sepiston berkondisi awal dengan volume 4 liter.
Oke, disini besaran awalnya mari kita ubah dulu kesatuan SI-nya ya. Yang pertama adalah disini ada volume 4 liter. Maka saya punya volume awalnya V1 itu sama dengan kita ubah liternya ke...
meter kubik ya liter adalah desimeter kubik maka untuk pindah ke meter kubik kita harus bagi dia dengan 1000 ya jadi 4 kali 10 pangkat minus 3 meter kubik dan suhu 27 derajat Celsius makanya kita ubah T nya dalam Kelvin maka 7 ditambah 273 maka hasilnya adalah disini kita punya 300 Kelvin ya itu adalah T1 nya ini juga ada ya 1 mol N nya ya kita punya katanya jika pada gas suhu dibuat tetap berarti Berarti dari sini kita bisa beroleh informasi lagi bahwa kalau suhu dibuat tetap di sini, maka saya punya yang pertama adalah berarti T2-nya sama dengan T1, yaitu 300 Kelvin. Kemudian volumenya menjadi 2 kali awal. Maka V2-nya sama dengan 2 V1 sama dengan 8 kali 10 pangkat. minus 3 meter kubik ini adalah besaran yang diketahui dari soal ini oke, berikutnya kita kerjakan, yang pertama adalah berapa tekanan awal dan akhir dalam satuan pascal nah yang A, maka kita punya T punya V, dan punya N, maka untuk mencari tekanan, kita gunakan Persamaan keadaan gas idealnya ya, yaitu adalah PV sama dengan NRT.
Karena saya mencari tekanan awal, yaitu berarti keadaan 1 ya, maka ini adalah P1, V1, dan T1. Sehingga dari sini saya dapatkan bahwa P1 sama dengan N, R, T1 dibagi dengan V1 ya. Kita masukkan angkanya, N-nya adalah 1 mol, R adalah kos-tokos ideal ya, 8,31 Joule per mol Kelvin ya.
T1 nya adalah 300 Kelvin dibagi dengan 4 kali 10 pangkat minus 3. Oke. Coba Anda hitung. Kita dapatkan ya.
8,31 dikalikan 300. Ya. Dibagi 4. Hasilnya adalah kita punya tekanan awal sebesar 6000. 200, 3, 250 pascal. Oke ya.
Kemudian kita mencari nilai berapa nilai P2 nya. Untuk mencari nilai P2, Anda bisa menggunakan 2 pendekatan. Bisa menggunakan P2 x V2 sama dengan nR x T2. Boleh. Atau menggunakan salah satu hukum ya, yang tadi ada Charles, Boyle, dan Gainusab juga bisa.
Misalkan Anda mau pakai, jadi ini bisa Anda gunakan, pakainya adalah P2 x V2 sama dengan nRT2. Maka Anda dapatkan P2 sama dengan nRT2 dibagi V2. Atau juga boleh kita gunakan.
Hukum keadaannya ya, P1 V1 per T1 sama dengan P2 V2 per T2. Karena suhunya konstan maka ini sama saja. Maka dapat dari sini adalah nilainya P2 sama dengan P1 kali V1 per V2.
Silahkan mau yang mana hasilnya harusnya sama ya. Ini kalau Anda hitung nanti hasilnya. akan diperoleh nilai yang sama pun kalau ada perbedaan itu berarti paling di komanya saja akibat dari pembulatan hasilnya adalah nanti ini P2 sama dengan 3.106 2,5, ya, pascal. Itu adalah jawaban yang A. Yang B-nya adalah, berapa energi genetik rata gas per molnya, ya, berarti K-nya, ingat, ini gasnya adalah neon, ini gas, Nobel gas, ya, maka nilainya adalah 3 per 2 KT, kita hitung, ya, 3 per 2, K-nya kuasita Boltzmann, ya, 1,38 kali 10, 10 pangkat minus 23. Dikalikan T-nya.
Sini kita ambil saja. Karena suhunya tetap, maka T-nya tidak berubah ya. Jadi sama saja.
Selalu 300 Kelvin. Jadi 1,5. 3 per 2 dikali 1,38. Kali 10 pangkat minus 23. Dikali dengan 300. Maka ini hasilnya kira-kira adalah 6,21.
Kali 10 pangkat minus 21 Joule. Berikutnya adalah yang C, energi dalam gas, ya U sama dengan K-nya situ kan ya. Sama dengan 3 per 2. Karena ini tidak ada per molnya, berarti ini harus dikalikan dengan molnya ya.
NKT. Karena saya taunya mol, lebih mudah pakai 3 per 2 NRT ya. Oke.
Jadi kenapa yang C ini saya butuh ada N ya? Karena dia tidak per mol mintanya. Oke?
Tapi yang nilainya harusnya sama saja hanya 1 mol ya. Kali R nya adalah 8,31. Kali T nya 300 ya.
Jadi kita bisa mendapatkan nilai yang mendekati nantinya ya. Yaitu 3.793,5 Joule Oke, yang D nya adalah sekarang kelajuan RMS gas tadi kita punya ya VRMS sama dengan akar 3KT per M atau sama Anda bisa hitung ya berapa nilainya nanti ya silahkan coba sendiri Anda bisa menghitung dengan baik harusnya ya seperti inilah Cara kita mengerjakannya ya. Saya harapkan Anda mencoba sendiri, mengulang lagi, dan khusus untuk yang D, coba sendiri.
Anda harusnya bisa. Nah, oke. Inilah akhir dari bagian pertama mengenai teori kinetik gas. Kita bisa lanjutkan pada video selanjutnya.
Terima kasih.