RESONANSI GASAlbert Agung Yohanes Hutapea (140310120034)

Program Studi Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran24 Maret 2015Asisten : Ajeng

ABSTRAK

Resonansi merupakan suatu peristiwa dimana ikut bergeraknya suatu benda terhadap benda lain. Adapaun pada praktikum ini akan diamati resonansi yang terjadi pada gas dengan cara menggunakan piston magnetic yang digerakan secara periodic dan akhirnya menimbulkan osilasi. Osilasi ini bergantung pada frekuensi yang diberikan yang nantinya akan menentukan besar amplitudo saat terjadinya osilasi. Gas sendiri dianalogikan sebagai pegas yang memenuhi hukum Hooke agar didapatkan besar perbandingan panas jenis Cp dan Cv gas (konstanta ɣ). Besar konstanta ɣ yang didapat bergantung pada frekuensi dan volume tabung. Hasil yang didapat menunjukan bahwa konstanta ɣ yang sesuai dengan literature (konstanta ɣ literature = 1.67) adalah percobaan dengan piston magnetic tunggal. Massa piston magnetic diketahui mempunyai pengaruh terhadap resonansi yang terjadi karena memakai prinsip hukum Hooke. Besar KSR yang didapatkan pada percobaan dengan piston tunggal adalah rentang 1.6 % hingga 1.8 %. Sedangkan percobaan dengan Piston Magnetik gabungan memiliki KSR rentang 36 % - 38 %. jarak spektrum warna yang dihasilkan ke terang pusat dan memvariasikan jarak dari kisi ke layar, lalu mencari besar panjang gelombang Hα, Hβ, dan Hγ. Besar error yang didapat dari praktikum ini adalah sekitar 2 % - 28 %. Besar error ini didapatkan dengan membandingkan besar panjang gelombang Hα, Hβ, dan Hγ berdasarkan percobaan dan besar panjang gelombang Hα, Hβ, dan Hγ dengan persamaan deret balmer.

Kata Kunci : Resonansi, Osilasi, Hukum Hooke, Frekuensi, Tekanan, Konstanta ɣ, Piston Magnetik, Gas

1

I.PendahuluanResonansi merupakan suatu peristiwa

dimana ikut bergetarnya suatu benda terhadap benda lain. Dalam termodinamika, kumpulan benda-benda yang kita perhatikan disebut sistem, sedangkan semua yang ada di sekitar benda disebut dengan lingkungan. Gas merupakan zat yang kelakuan termometriknya baik karena tekanan gas (P) pada setiap temperatur terhadap tekanan gas itu tidak bergantung pada jenis gas. Untuk mengamatinya diadakanlah percobaan Resonansi Gas ini. Suatu gas ideal akan mengalami proses adiabatik kuasa statik dimana tekanan, volume dan temperaturnya berubah dengan cara yang diberikan oleh ketiga besaran diatas. Proses ini dihasilkan dari resonansi gas dimana piston magnetik digerakkan secara periodik yang menimbulkan osilasi. Gas dianalogikan sebagai pegas yang memenuhi hukum Hooke sehingga didapatkan nisbah kapasitas kalor γ. Dalam praktikum ini akan ditentukan besar γ sebagai perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap dengan kapasitas panas pada volume tetap. Piston dalam tabung digerakan dengan pompa udara dan

ketika mengenai kumparan yang diberi frekuensi akan terjadi osilasi berupa getaran naik turun yang terjadi pada piston.

II. Tinjauan PustakaResonansi merupakan suatu peristiwa

ikut bergetarnya suatu benda terhadap benda lain. Pada suatu sistem yang kita buat pada percobaan ini resonansi ditunjukkan pada piston dan gas yang berada di dalam tabung, piston magnetik digerakkan periodik oleh

medan magnet sehingga gas dapat ditekan secara adiabatis oleh piston, dimana proses ini dapat diartikan tidak ada kalor yang masuk atau yang keluar dari sistem.

1Sifat gas secara umum yaitu gas mudah berubah bentuk dan volumenya, serta gas dapat digolongkan sebagai fluida hanya saja kerapatannya jauh lebih kecil. Untuk melakukan pengukuran terhadap volume gas, diperlukan suatu keadaan standar untuk digunakan sebagai titik acuan. Keadaan ini yang juga dikenal sebagai STP (Standart Temperature and Pressure) yaitu keadaan dimana gas mempunyai tekanan sebesar 1 atm (760 mmHg) dan suhu °C (273,15 K). Satu mol gas ideal, yaitu gas yang memenuhi ketentuan semua hukum-hukum gas akan mempunyai volume sebanyak 22,414 liter pada keadaan standar ini.

Gas Ideal2Gas ideal adalah gas yang memenuhi

beberapa syarat tertentu. Gas ideal memenuhi beberapa kriteria sebagai berikut :

1. Jumlah partikel gas banyak sekali tetapi tidak ada gaya tarik menarik antar partikel.

2. Semua partikel bergerak dengan acak.3. Ukuran gas sangat kecil bila dibanding

dengan ukuran wadah, jadi ukuran gas diabaikan.

4. Setiap tumbukan yang terjadi bersifat lenting sempurna.

5. Partikel gas terdistribusi merata pada seluruh ruang dalam wadah.

6. Partikel gas memenuhi hukum newton tentang gerak.

2

Gambar 2.1 Gambaran Gas Ideal

1Apabila jumlah gas dinyatakan dalam mol (n), maka suatu bentuk persamaan umum mengenai sifat-sifat gas dapat diformasikan. Sebenarnya hukum Avogadro menyatakan bahwa 1 mol gas ideal mempunyai volume yang sama apabila suhu dan tekanannya sama. Dengan menggabungkan persamaan Boyle, Charles dan persamaan Avogadro akan didapat sebuah persamaan umum yang dikenal sebagai persamaan gas ideal.

atau atau ..(i)

dengan R adalah konstanta kesebandingan dan mempunyai suatu nilai tunggal yang berlaku untuk semua gas yang bersifat ideal. R bernilai 0,0821 L atm/mol.K atau 8,314 J/mol K. Dari persamaan gas ideal dapat diambil kesimpulan bahwa makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan partikelnya.

Bila tekanan tidak terlalu tinggi dan suhunya tidak terlalu rendah maka bisa dikatakan gas ideal. Sistem yang terdiri dari gas ideal dengan keadaan tekanan, volume dan temperatur konstan maka keadaan ini dikatakan keadaan seimbang. Tetapi keadaan sistem dapat berubah dari satu keadaan ke keadaan yang lain, yang disebut proses. Percobaan resonansi Elastis Gas ini didasarkan pada hukum Hooke. Dimana sifat kemolekulan zat tidak akan berguna apabila hanya mensyaratkan bahwa sifat molekul suatu zat sama dengan sifat yang dimiliki zat tersebut. Teori kemolekulan zat membuktikan bahwa sifat-sifat kompleks zat dalam jumlah besar merupakan konsekuensi sifat-sifat sederhana yang dimiliki molekulnya. Dalam keadaan tekanan tetap, gas memiliki harga kapasitas panas. Kapasitas panas (heat capacity) merupakan banyaknya energi kalor yang diperlukan untuk menaikan 10 satuan suhu pada suatu benda. Kapasitas panas mempunyai harga tertentu hanya untuk proses tertentu. Dalam hal sistem hidrostatik, hasil bagi dQ/dT memiliki harga yang unik bila tekanan dijaga tetap. Dalam kondisi ini C disebut kapasitas

panas pada tekanan tetap dan diberi lambang Cp, dengan

; Cp disebut

kapasitas panas pada tekanan tetapDemikian juga kapasitas panas pada volum tetap dan diberi lambang Cv ialah

; Cv disebut

kapasitas panas pada volume tetapSehingga dapat diketahui harga-harga kapasitas panas (Cp dan Cv) ataupun

= Cp/Cv …………..(vii)

Metode untuk mengukur dengan menggunakan mekanika dasar dikembangkan oleh Riichardt. Gas ditempatkan dalam bejana besar bervolum V. Pada bejana itu dipasang tabung gelas dengan berpenampang sama berluas A. Lihat gambar dibawah ini.

Gambar 2.2 Ilustrasi Percobaan Riichardt

Dalam lubang itu dimasukan bola logam bermasa m yang tepat menutupi lubang tapi masih bisa bergerak bebas sehingga berlaku seperti piston. Karena gas agak tertekan oleh bola baja yang ada dalam kedudukan kesetimbangan, tekanan gas sedikit lebih besar daripada tekanan atmosfer Po. Jadi dengan mengabaikan gesekan, didapat :

………….(vii)

3

Jika bola dipindahkan sedikit ke bawah, kemudian ia dilepaskan, ia bergetar dengan perioda T. Gesekan akan menyebabkan bola pada akhirnya berhenti.Andaikan simpangan bola dari kedudukan setimbang pada setiap saat adalah y, yang nilainya positif bila bola di atas kedudukan setimbang dan negatif bila di bawahnya. Simpangan positif kecil akan menyebabkan pertambahan volume yang sangat kecil dibandingkan dengan volum setimbang V, sehingga dapat dinyatakan sebagai dV, dengan Dengan cara yang sama , simpangan positif kecil menimbulkan penurunan tekanan yang sangat kecil dibandingkan dengan tekanan setimbang P, sehingga dapat dinyatakan sebagai dP, dengan dP merupakan kuantitas yang negatif. Gaya resultan F yang bereaksi pada bola sama dengan A dP jika mengabaikan gesekan, atau

…………………………(viii)

Perhatikan bahwa bila y positif, dP negatif, sehingga F menjadi negatif, jadi F merupakan gaya pemulih. Karena bola bergetar cukup cepat, perubahan P dan V berlangsung secara adiabat. Karena perubahannya sangat kecil, keadaan yang dilalui gas dapat dianggap mendekati keadaan setimbang. Jadi, bisa dianggap perubahan P dan V menunjukan adiabat kuasi-statik hampiran, dan dapat dituliskan :

………………..(ix)

Dengan mensubstitusikan dV dan dP, didapatkan

…………..……………….(x)

Persamaan ini mengungkapkan bahwa gaya pemulihnya berbanding lurus dengan simpangan dan arahnya berlawanan, ini menyatakan hukum Hooke. Hal ini merupakan

persyaratan untuk gerak selaras sederhana, dengan perioda T sebagai berikut:

………………………………….(xi)

III. Percobaan

Percobaan dilakukan dengan menaruh piston magnetic kedalam tabung. Setelah itu kumparan yang ada di pinggiran tabung diatur jaraknya tiap 10 cm dan dihubungkan ke signal generatoe pembangkit frekuensi. Kemudian pompa angina yang dihubungkan ketabung dihidupkan hingga mengangkat piston ke ujung atas tabung. Setelah itu mengatur katup penutup. Mencatat besar amplitudo piston saat terjadinya gerak atas bawah yang terlihat pada piston.

Gambar 3.1. Skema Alat Resonansi Gas

IV. Data dan Analisis

Tabel 1. Percobaan 1 (Piston 1) Buka -Tutup

4

h (cm) f (Hz) Amplitudo (cm) f kuadrat r (m) V (m³) ɣ KSR (%)70 13.1 0.15 171.61 0.00693 0.000105 2.711825 62.3847460 10 0.1 100 0.00693 9.03E-05 1.354479 18.8934750 12.2 0.8 148.84 0.00693 7.53E-05 1.680006 0.59913440 13.9 0.4 193.21 0.00693 6.02E-05 1.744659 4.47061930 17.5 0.2 306.25 0.00693 4.52E-05 2.074046 24.1943820 11.9 0.08 141.61 0.00693 3.01E-05 0.639359 61.71501

Tabel 1. Piston 1 (Buka - tutup)

Tabel 2. Percobaan 3 (Piston 1 dan 3) Tutup – Tutup

h (cm) f (Hz) Amplitudo (cm) f kuadrat r (m) V (m³) ɣ KSR (%)70 10.2 0.04 104.04 0.00693 0.000105 1.644067 1.55289360 10.2 0.07 104.04 0.00693 9.03E-05 1.4092 15.6167750 10.2 0.15 104.04 0.00693 7.53E-05 1.174333 29.6806440 10.2 0.1 104.04 0.00693 6.02E-05 0.939467 43.7445130 10.2 0.08 104.04 0.00693 4.52E-05 0.7046 57.8083820 10.2 0.03 104.04 0.00693 3.01E-05 0.469733 71.87226

Tabel 4. Piston 1 & 3 (Tutup - tutup)

Gambar 3.1 Grafik perubahan (f2) terhadap tinggi tabung

Gambar 3.1 Grafik perubahan (f2) terhadap tinggi tabung

Berdasarkan data percobaan diperoleh perbedaan nilai frekuensi yang dibutuhkan medan magnet untuk membuat piston magnetik berosilasi. Perbedaan ini berada pada keadaan tabung yaitu keadaan tutup-tutup dan buka-tutup. Keadaan buka-tutup menghasilkan nilai frekuensi yang lebih stabil dengan berbagai

pengukuran posisi kumparan. Sedangkan pada keadaan tutup-tutup diperoleh nilai yang tidak stabil. Ketidakstabilan ini dapat disebabkan oleh pengaruh tekanan gas yang sangat besar dan piston magnetik yang terbawa gravitasi bumi. Pada keadaan buka –tutup lebih stabil karena ada pengaruh tekanan udara luar. Akibatnya bola akan lebih mudah mempertahankan keadaan sesuai posisi-posisi terukur. Jadi pengaruh frekuensi terhadap amplitude adalah ketika frekuensi diberikan, parameter tersebut menentukan besar amplitude yang terbentuk saat berosilasi.

Untuk perhitungan ɣ sebagai perbandingan Cp dan Cv pada persamaan (xi) didapatkan hasil yang mendekati literatur. ɣ literatur yang sebesar 1.67 dan ɣ percobaan yang berkisar 1.5 – 2.8 menunjukan bahwa besar KSR yang didapat tidaklah besar. Adanya pengaruh massa dalam praktikum ini adalah berhubungan dengan gaya gravitasi. Semakin besar massa maka akan semakin berat gaya gravitasinya yang nantinya akan mempengaruhi resonansi gas dimana gas sebagai pegas dan piston magnetik sebagai bebannya. Pengaruhnya adalah semakin besar massa makan akan semakin besar frekuensi yang diperlukan untuk membuat piston magnetik berosilasi.

pada Gambar 1, grafik yang didapat menunjukan keacakan data (fluktuatif). Seharusnya grafik yang didapat adalah linear. Namun karena ketidakstabilan nilai frekuensilah yang menyebabkan terjadinya grafik yang fluktuatif. Namun pada percobaan piston gabungan Gambar 2 didapatkan grafik linear seperti yang seharusnya.

V. Kesimpulan Berikut data yang didapatkan, dengan

contoh perhitungan :Dengan contoh perhitungan :

1. Berdasarkan percobaan :Ket : Percobaan 1 Piston 1 sistem buka- tutup

Dengan :

5

f = 13.1 Hzm = 0.008852 kg

V = 0.000105R = 0.00693

ɣ = (4 x f x f x m x V)/ (r4 x P) = 2.71

Sehingga tingkat KSR adalah sebagai berikut :

KSR = |ɣ percobaan- ɣ literatur |x100% ɣ literatur = | 2.71 – 1.67 |x100%

1.67 = 62 %.

Dengan perhitungan seperti diatas didapatkan hasil sebagai berikut

Tabel 4. Sampel Hasil ɣ Keadaan ɣ KSR (%)

Piston 1 (Buka - Tutup) 1.700729 1.840063Piston 3 (Tutup- Tutup) 1.697181 1.627609Piston 1 dan 3 (Buka- Tutup) 1.015859 39.1701Piston 1 dan 3 (Tutup- Tutup) 1.0569 36.71257

DAFTAR PUSTAKA1. Tipler, P.A 1998. Fisika untuk Sains

dan Teknik. Jakarta : Erlangga.2. Renie, Devi. A. 2013. Hukum Keadaan

Standard an Hukum Gas Ideal (Http://www.chem-is-try.org/materi-kimia/gas1-hukum-keadaan-standar/ diakses tanggal 20 Maret 2015 Pukul 18.34 WIB)

6