PROPERTY ZAT MURNI DAN KARAKTERISTIK GAS IDEAL

2.1      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 homogin.

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.

2.2       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 oC apabila tekanannya 1 atm, tetapi pada tekanan lebih tinggi maka temperatur perubahan fasa nya lebih tinggi pula. Gambar 2.1. menunjukkan diagram perubahan fasa cair-ga s   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 T- v 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

(a). Koordinat P-v                                                  (b).  Koordinat T – v

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 = 374,14oC. 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.

2.3       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 biasa nya 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 + masauap = 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:

h = hf + x . hfg                                                                                                                                               (2.2)

dimana:  h = enthapy pada kondisi campuran

hf = enthalpy pada keadaan liquid jenuh hfg = pana laten

2.4       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 terus- menerus,   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,

 

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  did apatkan 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,  R ? = 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                                                                                        (2.5) Dan volume ruangan adalah: V = m v                                                                                      (2.6)

Sehingga persamaan gas ideal dapat dituliskan dalam variabel volume

ruangan sebagai berikut.

 

P V = m R T                                                                                   (2.7)

P V = N R?   T                                                                                 (2.8)

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 dperlakukan 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.