Download - Ii.gas ideal

Transcript
Page 1: Ii.gas ideal

GAS IDEA

L

Page 2: Ii.gas ideal

Yelmida A. 2

KARAKTERISTIK GAS IDEAL

Zat murni adalah zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap pada semua bagiannya.

Contoh zat murni misalnya, air, nitrogen, helium, CO2, dan udara.

Zat murni dapat berupa campuran zat asalkan campurannya homogen

Fasa zat murni dapat berwujud padat, cair, atau fasa gas.

Fasa gas : gaya ikat antar molekul paling kecil, molekul molekul bergerak bebas tidak beraturan dan saling bertabrakan satu sama lainnya.

Page 3: Ii.gas ideal

Yelmida A. 3

CLASSIFICATIONS OF MATTER

Page 4: Ii.gas ideal

Yelmida A. 4

GAS IDEAL Molekul-molekul gas didalam suatu ruangan

yang dibatasi dinding, bergerak kesegala arah dengan tidak beraturan (chaotic motion ).

Karena gerakan molekul akan terjadi tumbukan antar molekul secara terus menerus dan menabrak dinding.

Semakin tinggi temperatur gas, maka semakin besar kecepatan geraknya

Akibatnya tekanan yang terjadi didalam ruangan akan semakin besar pula.

Page 5: Ii.gas ideal

Yelmida A. 5

Diperlukan suatu persamaan matematik hubungan antar variabel property gas didalam ruangan, terutama tekanan (P), temperatur (T), dan volume ruangan (V).

Diasumsikan adanya suatu jenis gas yang mempunyai sifat ideal

Sifat-sifat gas ideal yang diinginkan adalah:1. Gaya tarik-menarik antar molekul gas

diabaikan.2. Total volume molekul gas diabaikan

terhadap volume ruangan Dari kedua asumsi tersebut, dapat

diturunkan persamaan hubungan antar variabel p, V, dan T gas ideal.

Page 6: Ii.gas ideal

Yelmida A. 6

Tiga macam “ Hukum Gas “ menghubungkan antara dua physical (state) properties dari gas dengan dua properties constant lainnya.

Hubungan ketiga hukum dasar gas ini dapat dinyatakan dalam suatu pers.umum untuk gas :

Jika constanta proportional disebut "R",maka : atau

Page 7: Ii.gas ideal

Yelmida A. 7

RELATIONSHIP BETWEEN THE IDEAL-GAS EQUATION AND THE GAS LAWS If the quantity of gas and the temperature

are held constant then: pV = nRT

V = nRT / p V= (nRT) * (1/p)

V= constant * (1/p) (Boyle's law)

Page 8: Ii.gas ideal

Yelmida A. 8

If the quantity of gas and the pressure are held constant then:

pV = nRT V = (nR/p) * T

V = constant * T (Charles's law)

Page 9: Ii.gas ideal

Yelmida A. 9

If the temperature and pressure are held constant then:

pV = nRT V = n * (RT/p)

V = constant * n (Avogadro's law)

Page 10: Ii.gas ideal

Yelmida A. 10

Page 11: Ii.gas ideal

Yelmida A. 11

Page 12: Ii.gas ideal

Yelmida A. 12

PERSAMAAN UMUM GAS IDEAL

Dalam TD, gas yang digunakan sebagai benda kerja umumnya semua dianggap bersifat sebagai gas ideal

GAS IDEAL (gas sempurna) : gas dimana energi ikatan antar molekulnya dapat diabaikanatau :

Tidak ada antaraksi gaya antara molekul-molekul gas tersebut

Persamaan umum gas ideal : Harga R bervariasi , tergantung pada unit

yang digunakan untuk tekanan dan temperatur

Page 13: Ii.gas ideal

Yelmida A. 13

Units for the Gas Constant, R

Units Numerical Value

L . atm / mol . K 0.08206

cal / mol . K 1.987

J / mol . K 8.314

m3 . Pa / mol . K 8.314

L . torr / mol . K 62.36

Page 14: Ii.gas ideal

Yelmida A. 14

USE OF THE IDEAL GAS EQUATION

Numerical example: 1.00 mol of gas at 1.00 atm of pressure at 0.00°C (273.15 K) occupies what Volume?pV = nRT

V = nRT/pV = (1.00 mol)(0.0821 L atm/mol K)(273.15 K) / (1.00 atm)Therefore: V = 22.4 L

0 °C (273.15K) and 1 atm pressure are referred to as conditions of:Standard Temperature and Pressure (STP)

The MOLAR VOLUME of any ideal gas is 22.4 liters at STP

Page 15: Ii.gas ideal

Yelmida A. 15

Example

1. Sulfur hexafluoride (SF6 ) is a colorless, odorless, very unreactive gas. Calculate the pressure (in atm) exerted by 1.82 moles of the gas in a steel vessel of volume 5.43 L at 69.58C.

Solution. Because no changes in gas properties occur, we

can use the ideal gas equation to calculate the pressure.

Page 16: Ii.gas ideal

Yelmida A. 16

2. Calculate the volume (in liters) occupied by 7.40 g of NH3 at STP. Solution Recognizing that 1 mole of an ideal gas occupies 22.41 L

at STP and using the molar mass of NH3 (17.03 g), we write the sequence of conversions as :

grams of NH3→moles of NH3→liters of NH3 at STP

so the volume of NH 3 is given by :

Page 17: Ii.gas ideal

Yelmida A. 17

Pers.umum Gas ideal dalam bentuk lain :

Perubahan keadaan dari gas ideal dapat berlangsung secara :Isometric (Diagram p-T dan V-T)IsobarikIsotermikAdiabatik

22

22

11

11

Tn

Vp

Tn

Vp

Page 18: Ii.gas ideal

Yelmida A. 18

Example3. Argon is an inert gas used in lightbulbs to

retard the vaporization of the tungsten fi lament. A certain lightbulb containing argon at 1.20 atm and 188o C is heated to 858oC at constant volume. Calculate its final pressure (in atm).

Solution Because n1 = n2 and V1 = V2 , so : The final pressure is given by

Page 19: Ii.gas ideal

Yelmida A. 19

KAPASITAS PANAS Jumlah panas yang dibutuhkan untuk

menaikkan suhu sejumlah massa zat sebesar 1 o

Umumnya jumlah massa adalah 1 mol Hubungan panas yang ditransfer ke

material dengan T adalah :dQ =n C dT atau dQ = m C

dTdimana n = jumlah mol m = massa zat C = kapasitas panas

Kapasitas panas biasanya digunakan untuk proses isometrik ( Cv) dan isobarik ( Cp)

Page 20: Ii.gas ideal

Yelmida A. 20

a) Untuk Proses Isometrik (volume konstan, dV=0)

dQ= Cv dT Jika Cv suatu konstanta, hasil integrasinya :

Q = Cv ∆T Untuk proses isometrik, dV = 0 maka W=0,

akibatnya untuk hukum I TD, ∆U = Q atau dU=dQ sehingga :

dU = dQ = Cv dT integrasinya :

“Perubahan energi dalam (∆U) sama dengan panas yang ditambahkan “

∆U = Q = Cv ∆T

Page 21: Ii.gas ideal

Yelmida A. 21

b) Untuk Proses Isobarik (tekanan konstan, dp=0) Sistem yang awalnya setimbang, dipanaskan

pelan-pelan sehingga gas diekspansi secara reversible

dQ =Cp dT Jika Cp suatu konstanta, hasil integrasinya :

Q = Cp ∆T Untuk proses reversible dW = pdV , dan dari

hukum I TD : ∆U = Q – w, maka :dU = Cp dT – pdV ataudU + pdV = Cp dT = dQ , integrasikan :

“ Perubahan entalphi sama dengan panas yang ditambahkan “.

∆H = Cp ∆T = Q

Page 22: Ii.gas ideal

Yelmida A. 22

Persamaan gas ideal: Definisi dari kapasitas panas pada V konstan:

Entalpy untuk gas ideal:

Definisi kapasitas panas pada P konstan untuk gas ideal:

PERHITUNGAN PROSES UNTUK GAS IDEAL

PV = RT

TCdTdU

TU

C VV

V

H U + PV = U(T) + RT = H(T)

TCdTdH

TH

C PP

P

Page 23: Ii.gas ideal

Yelmida A. 23

Hubungan antara CV dan CP:

R

dTdU

dTRTUd

dTdH

CP

CP = CV + R

Untuk perubahan yang dialami oleh gas ideal:

dU = CV dT

dH = CP dT

dTCU V

dTCH P

Page 24: Ii.gas ideal

Yelmida A. 24

Untuk gas ideal dalam sistem tertutup yang mengalami proses reversibel:

dU = Q + W = CV dT

Kerja untuk sistem tertutup yang mengalami proses reversibel:

W = P dV

Sehingga: Q = CV dT + P dV

Page 25: Ii.gas ideal

Yelmida A. 25

PROSES ISOTERMAL (dT = 0)

U = 0 dan H = 0

Dari pers. Gas ideal atau hukum I TD :

1

2

1

2 lnlnPP

RTVV

RTQ

atau

1

2

1

2 lnlnP

PRT

V

VRTW

Page 26: Ii.gas ideal

Yelmida A. 26

PROSES ISOBARIK (dP = 0)

Dari pers. Umum gas ideal atau hukum I TD

dan

atau: dTCQ P

dTCU V

dTCH P

W = R (T2 T1)

PROSES ISOKORIS (dV = 0)

dan

dTCQ V

Untuk proses dv= 0 maka

dTCU V

dTCH P

W = 0

Page 27: Ii.gas ideal

Yelmida A. 27

PROSES ADIABATIS (dQ = 0)Proses yang di dalamnya tidak ada transfer panas antara sistem dengan lingkungannya.

Q = 0

Sehingga : 0V

dVRTdTCdQ V

VdV

CR

TdT

V

2

1

2

1

V

VV

T

T VdV

CR

TdT

1

2

1

2 lnlnVV

CR

TT

V

VCR

VV

TT

2

1

1

2

VCR

VV

TT

1

2

1

2

konstan2211 VV CRCR VTVT

Page 28: Ii.gas ideal

Yelmida A. 28

Dengan cara yang sama, bisa diperoleh persamaan :

VP CC

VV

PP

2

1

1

2

PCR

PP

TT

1

2

1

2

konstan2211 PP CRCR PTPT

konstan2211 VPVP CCCC VPVP

Dengan definisi:V

P

CC

Maka : 11

V

P

V

VP

V CC

CCC

CR

11111

P

V

P

VP

P CC

CCC

CR

Page 29: Ii.gas ideal

Yelmida A. 29

Sehingga, untuk proses yang berlangsung secara adiabatik :

konstan1 VT

konstan1 PT

konstanVP

Page 30: Ii.gas ideal

Yelmida A. 30

PROSES POLITROPIS

Proses yang sesungguhnya dijumpai dalam praktek adalah proses politropik.

Proses-proses yang dibicarakan sebelumnya (isobarik, adiabatik dll) adalah bentuk-bentuk istimewa dari proses politropik

Hukum I TD dan gas ideal tetap berlaku, panas jenis juga merupakan besaran konstan

dU = dQ-dW sementara dW = p dVdU = Cv dT dan dH = Cp

dT Untuk kalor/panas, juga ditentukan dari hukum I

dQ = Cv dT + p dVQ = ∫Cv dT + ∫p dV

Page 31: Ii.gas ideal

Yelmida A. 31

Analog dengan proses adiabatis, proses politropis didefinisikan sebagai proses yang memenuhi pers :

PV = konstan

Untuk gas ideal, persamaan yang analog dengan pers. Untuk proses adiabatis , juga berlaku pada proses politropis:

konstan1 VT

konstan1 PT

Page 32: Ii.gas ideal

Yelmida A. 32

Proses isobaris :

Proses isotermal :

Proses adiabatis :

Proses isokoris :

P

V

Diagram P-V pada berbagai proses untuk gas ideal

Page 33: Ii.gas ideal

Yelmida A. 33

DEVIATIONS FROM IDEAL GAS LAW BEHAVIOR: VAN DER WAALS EQUATION

Dua problem dari teory Kinetic Molecular Gas "Ideal“ : Gas particles are much smaller than the

distance between particles, therefore the volume of a gas is mostly empty space and the volume of the gas molecules themselves is negligible.

There is no force of attraction between gas particles or between the particles and the walls of the container

Page 34: Ii.gas ideal

Yelmida A. 34

"REAL" GASES: VAN DER WAALS EQUATION

a: Constant to correct for intermolecular attractive forces

b: Constant to correct for volume of individual gas molecules

P: Pressure - Atmospheres (atm), torr, mmHg V: Volume - Liters (L) n: Amount of gas - moles (mol) T: Temperature - Kelvin (K) R: Ideal gas constant = 0.0820057 L-atm/mol-K =

62.3243 L-torr/mol-K = 62.3243 L-mmHg/mol-K

Page 35: Ii.gas ideal

Yelmida A. 35

Conditions are "Ideal" at:

- High Temperature- Low Pressure

Conditions are "Real" at:

- Low Temperature - High Pressure

Deviasi akan semakin besar jika : Intermolecular attractive forces (IMF)

dari molekul gas sangat besar. Massa (dan volume) dari molekul gas

sangat besar.

Page 36: Ii.gas ideal

Yelmida A. 36

WHY? At High T, the gas molecules have a higher average

kinetic energy (KEavg) which overcomes the IMF. At Low P, the gas molecules are spread further apart

and can therefore avoid IMF. P of a real gas < P of an ideal gas because the actual

paths of gas molecules are curved (not straight) due to the IMF.

V real gas > V ideal gas because V of gas molecules is significant when P is high.  Ideal Gas Equation assumes that the individual gas molecules have no volume.

Page 37: Ii.gas ideal

Yelmida A. 37

Plot of PV =RT versus P of 1 mole of a gas at 0°C.

For 1 mole of an ideal gas, PV=RT is equal to 1, no matter what the pressure of the gas is. For real gases, we observe various deviations from ideality at high pressures. At very low pressures, all gases exhibit ideal behavior; that is, their PV=RT values all converge to 1 as P approaches zero.

Page 38: Ii.gas ideal

Yelmida A. 38

CONTOH SOAL

1. Gas ideal dalam suatu sistem tertutup mengalami proses reversibel melalui serangkaian proses:

a) Gas ditekan secara adiabatis dari keadaan awal 70C dan 1 bar sampai 150C.

b) Kemudian gas didinginkan pada tekanan konstan sampai 70C.

c) Akhirnya gas diekspansikan secara isotermal sampai dicapai kondisi awalnya

Hitung W, Q, U, dan H untuk tiap langkah proses dan juga untuk keseluruhan proses. Data yang diketahui adalah:

CV = (3/2) R

CP = (5/2) R

Page 39: Ii.gas ideal

Yelmida A. 39

PENYELESAIAN

P

V

1

23

a

b

c

70C

70C150C

CV = (3/2) R = (3/2) (8,314) = 12,471 J mol-1 K-1

CP = (5/2) R = (5/2) (8,314) = 20,785 J mol-1 K-1

1 bar

Page 40: Ii.gas ideal

Yelmida A. 40

(a) Proses adiabatisQ = 0

U = W = CV T = (12,471) (150 – 70) = 998 J

H = CP T = (20,785) (150 – 70) = 1.663 J

Tekanan P2 dapat dihitung:

barTT

PP 689,115,2737015,273150

15,21

1

212

(b) Proses isobaris

Q = H = CP T = (20,785) (70 – 150) = – 1.663 J

U = CV T = (12,471) (70 – 150) = – 998 J

W = U – Q = – 998 – (– 1.689) = 665 J

Page 41: Ii.gas ideal

Yelmida A. 41

(c) Proses isotermal

H = U = 0

1689,1

ln15,343314,8lnln1

2

1

3 PP

RTPP

RTWQ

= 1.495 J

Untuk keseluruhan proses:

Q = 0 – 1.663 + 1.495 = – 168 J

W = 998 + 665 – 1.495 = 168 J

U = 998 – 998 + 0 = 0

H = 1.663 – 1.663 + 0 = 0

1

2

1

2 lnlnPP

RTVV

RTQ

1

2

1

2 lnlnPP

RTVV

RTW

Page 42: Ii.gas ideal

Yelmida A. 42

HOME WORK

1. Suatu tangki berisi 80 ft3 udara dengan tekanan 350 lbf/inc2. Bila udara didinginkan sampai tekanan dan temperatur jadi 200 lbf/inc2 dan 70 oF. Hitunglah perubahan energi dalam. Udara dianggap sbagai gas ideal. R udara = 53,35 ft.lbf/ lbm.oR . Cv udara = 0,171 BTU/ lbm oR

2. Hitung kerja ekspansi (erg) bila 1mol gas ideal pada 25 oC dirobah secara adiabatik reversible dari 1 atm jadi 5 atm. Cv= 5kal/oK mol


Top Related