Apa itu gas ideal?
Molekul gas hampir seluruhnya ruang kosong, dan gas ideal adalah fiksi yang menyenangkan yang menganggap hal itu secara harfiah: partikel titik tanpa volume sendiri dan tanpa tarik-menarik di antara mereka, yang tumbukannya sangat memantul sempurna. Untuk sebagian besar gas dekat kondisi ruangan, fiksi ini bekerja hingga pecahan persen, dan ia memberi satu persamaan yang ringkas — PV = nRT — yang mengaitkan tekanan, volume, jumlah, dan suhu dengan satu konstanta R. Setiap hukum gas bernama di halaman ini adalah persamaan itu dengan sesuatu yang ditahan tetap.
Satu aturan yang perlu diingat: suhu dalam perhitungan gas harus dalam kelvin. T(kelvin) sebanding dengan energi kinetik rata-rata molekul, dan 0 °C bukan "tanpa panas" — masukkan Celsius ke hukum Charles atau Gay-Lussac dan jawabannya diam-diam menjadi tidak masuk akal.
Satu persamaan, tiga bayangan
Tahan suhu tetap dalam PV = nRT dan PV konstan — itulah hukum Boyle: mampatkan gas hingga setengah volumenya dan tekanannya menjadi dua kali (sampel: 1 atm·2 L → 2 atm memberi 1 L). Tahan tekanan tetap dan V ∝ T — hukum Charles: panaskan 2 L dari 0 °C hingga 100 °C (273 K hingga 373 K) dan ia membesar menjadi 2,73 L. Tahan volume tetap dan P ∝ T — hukum Gay-Lussac: alasan kaleng aerosol tertutup memperingatkan agar tidak dibakar. Tidak ada variabel yang istimewa untuk dikosongkan: setiap panel di sini menyelesaikan variabel yang dibiarkan kosong, dan hukum gabungan P1V1/T1 = P2V2/T2 melakukan ketiga perubahan sekaligus.
STP dan mol 22,4 liter
Pada STP — 0 °C dan 1 atm — satu mol gas (ideal) apa pun menempati 22,414 L, angka yang layak dihafal karena langsung mengonversi antara mol dan volume. Sampel Gas Ideal mereproduksinya dengan tepat: 1 mol pada 1 atm dan 0 °C menyelesaikan menjadi V = 22,414 L. Kimiawan juga memakai NTP (25 °C, 1 atm), di mana volume molar membesar menjadi sekitar 24,5 L — jumlah mol yang sama, gas yang lebih hangat.
Dalton: gas tidak saling memengaruhi
Dalam campuran, setiap gas mendorong dinding seolah-olah yang lain tidak ada; bagiannya dari tekanan total adalah tekanan parsialnya, dan totalnya adalah jumlahnya. Lebih baik lagi, tekanan parsial ÷ tekanan total = fraksi mol: udara kira-kira 78% N2 dan 21% O2, sehingga pada 1 atm oksigen menyumbang sekitar 0,21 atm. Sampel Dalton (0,4 + 0,35 + 0,25 atm) menjumlah menjadi 1,0 atm total dengan fraksi mol 40/35/25%. Inilah juga sebabnya tabel selam dan fisiologi laut dalam dikerjakan dalam tekanan parsial — toksisitas oksigen bergantung pada tekanan oksigen itu, bukan tekanan campuran.
Graham: molekul yang lebih ringan terbang lebih cepat
Pada suhu yang sama semua molekul membawa energi kinetik rata-rata yang sama, sehingga molekul ringan harus bergerak lebih cepat — dan laju efusi (keluar melalui lubang jarum) berbanding 1/√M. Sampel membandingkan helium (4 g/mol) dengan oksigen (32 g/mol): He keluar √(32/4) = 2,83 kali lebih cepat. Itulah sebabnya balon helium melorot semalaman sementara balon berisi udara bertahan berminggu-minggu.
Ketika gas berhenti menjadi ideal
Dua asumsi runtuh di ekstrem: molekul memang menempati ruang, dan mereka memang saling tarik-menarik. Persamaan van der Waals (P + an²/V²)(V − nb) = nRT menambal keduanya — b menghilangkan volume yang ditempati molekul itu sendiri, dan a menambahkan tarikan ke dalam yang melunakkan benturan mereka pada dinding. Pada tekanan tinggi suku volume mendominasi dan tekanan nyata berjalan di atas ideal; mendekati kondensasi tarik-menarik mendominasi dan ia berjalan di bawah. Sampel CO2 (1 L, 0,042 mol, 273 K) adalah kasus kedua: gas ideal memprediksi 0,9409 atm, van der Waals 0,9362 atm — kekurangan kecil tetapi nyata, yang tumbuh cepat ketika gas mendekati menjadi cairan. Aturan praktis: beralih ke van der Waals di atas beberapa ratus atmosfer, dekat titik didih, atau untuk gas yang sangat saling tarik-menarik seperti NH3 dan CO2.
Kesalahpahaman umum
- Celsius boleh digunakan jika konsisten. Hanya selisih suhu yang sama antara °C dan K. Rasio seperti V1/T1 memerlukan suhu absolut — hukum Charles memberi 2 L → 2,73 L dalam kelvin tetapi jawaban yang absurd dalam Celsius.
- Setiap gas menempati 22,4 L pada STP. Per mol, ya — angka itu menghitung partikel, bukan spesies. Dan itu adalah nilai gas ideal; gas nyata sedikit meleset.
- Gas nyata selalu menyimpang ke atas. Arah penyimpangan bergantung pada suku mana yang dominan: volume yang dikecualikan mendorong tekanan naik, tarik-menarik menariknya turun.
- Balon helium mengempis karena karet berpori bagi kimia. Itu fisika: molekul kecil dan cepat merembes melalui celah kecil — laju ∝ 1/√M.
Alat terkait: Termokimia (panas dan kerja gas), Kesetimbangan Kimia (Kp dari tekanan gas), dan Massa Molar (M dalam hukum Graham).
