Property Zat Murni dan Karakteristik Gas Ideal

ZAT MURNI

Zat murni adalah zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap pada semua bagiannya. Contoh zat murni misalnya, air, nitrogin, helium, CO₂, udara, dan lain -lain. Persyaratan sebagai zat murni tidak perlu hanya satu jenis saja, tetapi dapat berupa campuran zat asal campurannya homogin pada seluruh bagiannya. Udara merupakan campuran dari beberapa jenis zat tetapi masih bersifat zat murni, tetapi campuran antara minyak dengan air bukan merupakan zat murni karena tidak dapat bercampur secara homogen.

Zat murni dapat terwujud dalam fasa padat, fasa cair, atau fasa gas. Fasa padat mempunyai struktur molekul dengan jarak antar molekul paling kecil dan gaya ikat antar molekul paling besar, fasa cair mempunyai gaya ikat yang lebih kecil, dan fasa gas gaya ikat antar molekul paling kecil. Posisi molekul pada fasa padat relatif tetap, pada fasa cair molekul bergerak secara oscilasi, dan pada fasa gas molekul-molekul bergerak bebas tidak beraturan dan saling bertabrakan satu sama lainnya.

DIAGRAM FASA

Zat murni dapat mengalami perubahan fasa pada keadaan yang berbeda-beda, tergantung kepada kondisi property nya. Air berubah fasa menjadi gas pada temperatur sekitar 100 ⁰C apabila tekanannya 1 atm, tetapi pada tekanan lebih tinggi maka temperatur perubahan fasanya lebih tinggi pula. Gambar 2.1. menunjukkan diagram perubahan fasa cair-gas pada suatu zat murni, dengan koordinat tekanan dan temperatur.

Dari sifat tersebut diatas dapat digambarkan diagram perubahan fasa dari suatu zat murni secara lengkap, yaitu pada semua lingkup keadaan untuk zat murni tersebut. Contoh diagram perubahan fasa lengkap tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.2 (a) dengan koordinat Tv dan Gambar 2.2 (b) untuk koordinat P-v. Garis fasa berbentuk lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis disebelah kiri adalah garis liquid jenuh dan garis disebelah kanan adalah garis uap jenuh. Titik puncaknya merupakan titik kritis, dimana diatas titik tersebut kondisi fasa

Gambar 2.1. Diagram perubahan fasa cair – gas pada zat murni

Gambar 2.2. Diagram perubahan fasa suatu zat murni

kondisi liquid dan gas bersamaan. Keadaan titik kritis untuk zat murni air terjadi pada tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur Tcr = 374,14⁰C. Daerah diantara garis liquid jenuh dengan garis uap jenuh adalah daerah terjadinya campuran antara fasa cair dan fasa gas. Garis putus-putus pada diagram Gambar 2.2 (a) menunjukkan lintasan proses penguapan zat murni pada tekanan konstan P1 dan P2 (dengan P2 > P1), dan terlihat bahwa lintasan proses penguapan pada tekanan P2 terjadi pada temperatur lebih tinggi daripada lintasan pada temperatur P1. Garis a-b menunjukkan pemanasan pada fasa liquid sampai mencapai titik cair jenuh di b. Sedang pada garis b-c terjadi proses penguapan yang terjadi pada temperatur konstan dan tekanan konstan, dengan fasa diantara titik b dan titik c adalah kondisi campuran antara liquid dan gas. Pada titik b adalah 100% liquid, sedang pada titik d adalah 100% fasa gas. Selanjutnya garis c-d menunjukkan pemanasan lanjutan dari uap, sehingga kondisi uapnya disebut uap panas lanjut (superheated steam). Panas yang dibutuhkan untuk pemanasan air pada garis a-b dan pemanasan uap pada garis c-d disebut panas sensibel, sedang panas yang diperlukan untuk proses penguapan pada garis b-c disebut panas laten. Terlihat pada Gambar 2.2 bahwa semakin tinggi tekanan fluida (juga temperaturnya), semakin pendek garis penguapan (garis b-c untuk tekanan P1) sehingga semakin kecil panas laten yang dibutuhkan. Garis putus-putus pada Gambar 2.2 (b) adalah garis isothermis pada diagram penguapan dengan koordinat P-v.

TABEL PROPERTY

Dalam analisis thermodinamika selalu dibutuhkan data nilai property dari suatu zat, pada semua lingkup keadaan untuk masing-masing zat yang diteliti. Nilai property dapat diprediksi dengan mengembangkan suatu persamaan matematis hubungan antar property dari zat yang bersangkutan. Namun biasanya bentuk hubungan antar property untuk semua zat sangat kompleks, srhingga sangat sulit untuk direpresentasikan dalam suatu persamaan yang sederhana. Karena itu data property biasanya dipresentasikan dalam bentuk Tabel Thermodinamika, yang berisi data property dari beberapa zat yang sering digunakan dalam aplikasi thermodinamika. Tabel tersebut membutuhkan data property yang sangat banyak, yang dikumpulkan dari hasil pengukuran yang membutuhkan waktu yang lama. Jenis property yang biasanya ada dalam Tabel Thermodinamika adalah tekanan, temperatur, volume spesifik, energy internal, panas laten, dan dua property baru yaitu enthalpy (h) dan entropy (s) yang akan dibahas dalam bab selan jutnya.

Data property untuk keadaan fasa campuran tidak dapat dilihat secara langsung dalam Tabel Thermodinamika, tetapi dapat dihitung dengan menggunakan parameter kualitas campuran (x) yaitu:

dimana : masa total campuran (mtotal)= masa liquid + masa uap = mf + m g

Parameter x mempunyai nilai nol yaitu apabila mg = 0 atau pada kondisi liquid jenuh, sedang x = 1 apabila mf = 0 atau mg = mtotal, yaitu pada keadaan uap jenuh. Hubungan antara parameter x dengan nilai property tertentu, misalnya enthalpy (h) adalah:

dimana:

h = enthapy pada kondisi campuran
hf = enthalpy pada keadaan liquid jenuh
hfg = pana laten

GAS IDEAL

Molekul-molekul gas didalam suatu ruangan yang dibatasi dinding bergerak kesegala arah dengan tidak beraturan (chaotic motion ). Karena gerakan tidak beraturan tersebut kemungkinan sering terjadi tumbukan antar molekul, sebelum menabrak dinding batas ruangan. Tabrakan molekul ke dinding ruangan tersebut terjadi secara terusmenerus, yang menimbulkan efek tekanan gas didalam ruangan tersebut. Semakin tinggi temperatur gas, maka semakin besar kecepatan geraknya sehingga menyebabkan momentum tumbukan terhadap dinding semakin besar. Akibatnya tekanan yang terjadi dida lam ruangan akan semakin besar pula.

Dari mekanisme gerakan molekul tersebut, maka dapat dibayangkan adanya suatu persamaan matematik hubungan antar variabel property gas didalam ruangan, terutama tekanan (P), temperatur (T), dan volume ruangan (V). Volume ruangan juga merupakan variabel karena menentukan jarak lintasan gerak molekul sebelum menabrak dinding. Namun untuk menurunkan persamaan hubungan secara analitis mengalami kesulitan, karena kompleksitas gerakan molekul, adanya gaya tarik-menarik antar molekul, dan pengaruh volume molekul sendiri. Karena itu kemudian diasumsikan adanya suatu jenis gas idea yang mempunyai sifat ideal, sehingga dimungkinkan penurunan persamaan matematis hubungan antar beberapa variabel dari property gas. Sifat-sifat gas ideal yang diinginkan tersebut tersebut adalah:

1. Gaya tarik-menarik antar molekul gas diabaikan.
2. Total volume molekul gas diabaikan terhadap volume ruangan.

Asumsi pertama memungkinkan bahwa semua energi kinetic molekul menghasilkan energi tumbukan molekul ke dinding, sedang asumsi kedua memungkinkan tidak ada pengurangan energi kinetik molekul karena tumbukan antar molekul diabaikan. Dengan kedua asumsi tersebut, maka secara analitis dapat diturunkan persamaan hubungan antar variabel P, v, dan T gas ideal, atau sering disebut persamaan keadaan gas ideal atau persamaan Boyle – Gay Lussac, sebagai berikut,

Pv = RT

dengan, 

P = tekanan absolut gas
v = volume spesiifik gas
R = konstanta gas
T = temperatur absolut gas

Boyle dan Gay Lussac mendapatkan persamaan tersebut melalui eksperimen pada kondisi gas pada tekanan sangat rendah, sehingga persamaan gas ideal dapat diaplikasikan pada gas sebenarnya apabila tekanannya sangat rendah. Dalam penelitian selanjutnya didapatkan apabila pada temperatur tinggi, atau pada tekanan sangat tinggi sekitar tujuh kali tekanan kritisnya, maka si fat suatu gas juga mendekati sifat gas ideal.

Besarnya konstanta gas R berbeda untuk setiap jenis gas, dan dapat dihitung dengan,


dengan, 

Rμ= konstanta gas universal

M = masa setiap molekul gas

Besarnya konstanta gas universal adalah sama untuk semua jenis gas yaitu R? = 8,314 kJ/(kmol.K). Masa gas didalam ruangan dapat dihitung apabila jumlah molekulnya diketahui, anadaikan junlah molekulnya N, maka masa gas didalam ruangan tersbut:

M = M N

Dan volume ruangan adalah: V = m v

Sehingga persamaan gas ideal dapat dituliskan dalam variabel volume
ruangan sebagai berikut.

P V = m R T  (2.7)

P V = N R?T

Dari persamaan (2.7) dapat diturunkan hubungan antara variabel gas didalam ruangan pada dua keadaan yang berbeda, dengan masa gas (m) tetap sebagai berikut,



dengan indeks 1 dan 2 menunjukkan bahwa gas pada keadaan 1 dan pada keadaan 2.

Menurut penelitian, beberapa jenis gas seperti udara, oksigen, hidrogen, helium, argon, neon, CO2 dapat diperlakukan sebagai gas ideal dengan penyimpangan hasil perhitungan terhadap kondisi sebenarnya hanya sekitar 1%. Gas yang dipadatkan seperti uap didalam ketel uap, zat refrigeran didalam mesin pendingin tidak boleh diperlakukan sebagai gas ideal, karena penyimpangan atau kesalahan perhitungannya menjadi terlalu besar. Data property nya harus dilihat dalam Tabel Thermodinamika untuk gas yang bersangkutan.

PERSAMAAN KEADAAN GAS

Persamaan gas ideal cukup sederhana, namun seperti telah dibahas sebelumnya lingkup pemakaiannya terbatas. Banyak usaha dilakukan untuk mengembangkan persamaan keadaan gas, dengan lingkup pemaka ian yang lebih luas. Namun persamaan yang didapatkan umumnya lebih kompleks dibandingkan dengan persamaan gas ideal, seperti pada persamaan Van der Waals dan persamaan Beattie-Bridgeman sebagai berikut:

Persamaan Van del Waals.

Pada tahun 1873, Van der Waals mengajukan persamaan keadaan gas dengan tambahan dua konstanta a dan b sebagai berikut,

dengan nilai konstanta a dan b sebagai berikut.

Persamaan Van der Waals mempunyai ketelitian yang kurang baik, tetapi apabila konstanta a dan b dihitung menurut perilaku gas sebenarnya pada lingkup yang luas maka ketelitiannya menjadi lebih naik.

Persamaan Beattie-Bridgeman.

Persamaan Beattie – Bridgeman diajukan pada tahun 1928, dengan menggunakan lima konstanta sebagai berikut,



dengan konstanta A dan B dihitung dengan persamaan sebagai berikut



Aplikasi persamaan ini adalah sampai dengan  , denganadalah titik kritis dari densitas gas yang bersangkutan



Sumber:
Diktat TERMODINAMIKA DASAR
Oleh : Ir. Sudjito, PhD. , Ir. Saifuddin Baedoewie, Agung Sugeng W., ST., MT.
Program Semi Que IV
Fakultas Teknik Jurusan Mesin
Universitas Brawijaya