Hukum Boyle, Hukum Charles dan Hukum Gay‐Lussac

Hukum Boyle

Robert Boyle (1627‐1691) melakukan eksperimen untuk menyelidiki hubungan kuantitatif antara tekanan dan volume gas. Percobaan ini dilakukan dengan memasukkan sejumlah gas tertentu ke dalam sebuah wadah tertutup. Sampai pendekatan yang cukup baik, Ia menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas bertambah. Tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Boyle. Secara matematis :

Hukum Boyle juga bisa ditulis :

PV = konstan → persamaan 1

P₁ V₁ = P₂ V₂ → persamaan 2

Arti dari persamaan 1 adalah pada suhu (T) konstan, apabila tekanan (P) gas berubah maka volume (V) gas juga berubah sehingga hasil kali antara tekanan dan volume selalu konstan. Apabila tekanan gas bertambah, volume gas berkurang atau sebaliknya jika tekanan gas berkurang maka volume gas bertambah, sehingga hasil kali antara tekanan dan volume selalu konstan.

Grafik yang menyatakan hubungan antara volume dan tekanan tampak seperti pada gambar di bawah. Berdasarkan hasil percobaannya, Robert Boyle menemukan bahwa volume gas mengalami perubahan secara tidak teratur sehingga garis pada grafik kelihatan melengkung. Tekanan yang diganbarkan pada grafik merupakan adalah tekanan absolut, bukan tekanan ukur.

Hukum Charles

Seratus tahun setelah Robert Boyle menemukan hubungan antara volume dan tekanan, ilmuwan berkebangsaan Perancis yang bernama Jacques Charles (1746‐1823) menyelidiki hubungan antara suhu dan volume gas. Berdasarkan hasil percobaannya, Ia menemukan apabila tekanan gas selalu konstan, maka ketika suhu gas bertambah, volume gas juga bertambah. Sebaliknya ketika suhu gas berkurang, volume gas juga berkurang.

Perubahan volume gas akibat adanya perubahan suhu, terjadi secara teratur sehingga garis pada grafik ini tampak lurus. Apabila garis pada grafik digambarkan sampai suhu yang lebih rendah maka garis akan memotong sumbu di sekitar ‐273 ^oC.

Berdasarkan banyak percobaan yang pernah dilakukan, ditemukan bahwa walaupun besarnya perubahan volume setiap gas berbeda‐beda, tetapi ketika garis pada grafik V‐T digambarkan sampai suhu yang lebih rendah maka garis selalu memotong sumbu di sekitar -273 ^oC. Kita bisa mengatakan bahwa seandainya gas didinginkan sampai ‐273 ^oC maka volume gas = 0. Apabila gas didinginkan lagi hingga suhunya berada di bawah ‐273 ^oC maka volume gas akan bernilai negatif, sesuatu yang tidak mungkin.

Jadi ‐273 ^oC merupakan suhu terendah yang bisa dicapai. Karena garis memotong sumbu di sekitar ‐273 ^oC maka sesuai dengan kesepakatan bersama, di tetapkan bahwa suhu terendah yang bisa dicapai adalah ‐273,15 ^oC. ‐273,15 ^oC disebut suhu nol mutlak dan dijadikan acuan skala mutlak alias skala Kelvin. Kelvin adalah nama Lord Kelvin (1824‐1907), fisikawan Inggris. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K), bukan derajat Kelvin (^oK). Jarak antara derajat sama seperti pada skala celcius. 0 K = ‐273,15 ^oC dan 273,15 K = 0 ^oC.

Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis :

T (K) = T (^oC) + 273,15

T (^oC) = T (K) ‐ 273,15

Keterangan :

T = Temperatur alias suhu

K = Kelvin

C = Celcius

Jika suhu dinyatakan dalam skala Kelvin maka grafik di atas akan tampak seperti gambar di bawah.

Berdasarkan grafik ini bisa disimpulkan bahwa pada tekanan tetap, volume gas selalu berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Apabila suhu mutlak gas bertambah maka volume gas juga bertambah, sebaliknya apabila suhu mutlak gas berkurang maka volume gas juga berkurang. Hubungan ini dikenal dengan julukan hukum Charles. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

Volume ∝ Suhu → Tekanan konstan

V ∝ T → P konstan

Hukum Charles juga bisa ditulis seperti ini :

Arti dari persamaan 1 adalah pada tekanan (P) konstan, apabila suhu mutlak (T) gas berubah maka volume (V) gas juga berubah sehingga hasil perbandingan antara suhu mutlak dan volume selalu konstan. Jika suhu mutlak gas bertambah, maka volume gas juga bertambah atau sebaliknya jika suhu mutlak gas berkurang maka volume gas juga berkurang, sehingga hasil perbandingan antara suhu dan volume selalu konstan. Yang dimaksudkan dengan suhu mutlak gas adalah suhu gas yang dinyatakan dalam skala Kelvin. Apabila suhu masih dalam skala Celcius, maka ubah terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin.

Hukum Gay‐Lussac

Joseph Gay‐Lussac (1778‐1850) melakukan percobaan dan menemukan bahwa apabila volume gas diatur konstan, ketika tekanan gas bertambah, suhu mutlak gas pun bertambah. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, suhu mutlak gas pun berkurang. Pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Hubungan ini disebut Hukum Gay‐Lussac. Secara matematis :

Tekanan ∝ Suhu → Volume konstan

P ∝ T → V konstan

Hukum Gay‐Lussac juga bisa ditulis seperti ini :

Arti dari persamaan 1 adalah pada volume (V) konstan, apabila tekanan (P) gas berubah maka suhu mutlak (T) gas juga berubah sehingga hasil perbandingan antara tekanan dan suhu mutlak konstan. Dengan kata lain, jika tekanan gas bertambah, maka suhu mutlak gas juga bertambah atau sebaliknya jika tekanan gas berkurang maka suhu mutlak gas juga berkurang, sehingga hasil perbandingan antara tekanan dan suhu selalu konstan.

Yang dimaksudkan dengan suhu mutlak gas adalah suhu gas yang dinyatakan dalam skala Kelvin. Apabila suhu masih dalam skala Celcius, maka ubah terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin.

Perlu diketahui bahwa hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay‐Lussac memberikan hasil yang akurat apabila tekanan dan massa jenis gas tidak terlalu besar. Di samping itu, ketiga hukum tersebut juga hanya berlaku untuk gas yang suhunya tidak mendekati titik didih.

Berdasarkan kenyataan ini, bisa disimpulkan bahwa hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay‐Lussac tidak bisa diterapkan untuk semua kondisi gas. Karena tidak bisa berlaku untuk semua kondisi gas ril, maka kita memerlukan konsep Gas Ideal alias gas sempurna. Gas ideal ini tidak ada dalam kehidupan sehari‐hari. Gas ideal hanya sebuah model ideal saja, mirip seperti konsep benda tegar dan fluida ideal. Jadi kita menganggap ketiga hukum gas di atas berlaku dalam semua kondisi gas ideal.

Dalam menyelesaikan soal‐soal hukum gas, suhu harus dinyatakan dalam skala Kelvin. Apabila tekanan gas masih berupa tekanan ukur, ubah terlebih dahulu menjadi tekanan absolut. Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan ukur.