Laporan Praktikum Ekspansivitas dan Kompresibilitas

www.hajarfisika.com
Laporan Praktikum Ekspansivitas dan Kompresibilitas



EKSPANSIVITAS DAN KOMPRESIBILITAS


I. Latar Belakang

          Gas merupakan wujud zat yang paling sederhana, dimana partikel penyusunnya selalu bergerak bebas. Bentuk dan volume gas itu sendiri dapat berubah-ubah sesuai dengan tempatnya. Berbeda dengan bentuk zat lainnya, karakteristik gas sangat erat kaitannya dengan tekanan, temperatur, dan volume. Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menggunakan kendaraan mobil atau motor, saat mengisi angin kondisi ban tidak boleh terlalu penuh atau keras karena udara di dalam ban akan memuai disaat panas, sehingga bisa menyebabkan ban mobil atau motor pecah. Dengan memhami prinsip ini, dapat diketahui bahwa perubahan suhu akan membuat suatu materi mengalami pemuaian(Hamid,2007).
          Oleh karena itu dilakukanlan percobaan ekspansivitas dan kompresibilitas ini, untuk dapat memahami lebih dalam mengenai ekspansivitas dan kompresibilitas dari suatu gas serta dapat mengaplikasikannya dalam kehidupan sehari-hari.


II. Tujuan Percobaan
2.1 Menentukan hubungan antara volume dan suhu dari suatu gas
2.2 Menentukan hubungan antara volume dan tekanan dari suatu gas
2.3 Menunjukkan anomali air dan menentukan suhu dimana air mempunyai massa jenis maksimum
2.4 Menentukan kompresibilitas gas (K)


III. Dasar Teori
          Kompresibilitas adalah fraksi pengurangan volume penentuan kenaikan perubahan volume dalam suatu tekanan seperti persamaan berikut :
persamaan kompresibilitas
tanda negatif disebabkan karena volume selalu menyusut bila tekanan naik, jadi (∂V/∂P)T secara inheren bernilai negatif. Sehingga kompresibilitas merupakan besaran bernilai positif. Persamaan kompresibilitas untuk gas ideal sebagai berikut :
persamaan kompresibilitas
sehingga diperoleh nilai kompresibilitas yaitu :
persamaan kompresibilitas
dengan v sebagai volume gas, ΔP sebagai perubahan tekanan gas, ΔV sebagai perubahan volume gas terhadap temperature yang konstan(Daryus,2008).
          Ekspansivitas merupakan fraksi perubahan volume perderajat perubahan temperature apabila tekanan dijaga konstan, dengan persamaan sebagai berikut :
persamaan ekspansivitas
untuk persamaan ekspansivitas gas ideal adalah sebagai berikut :
persamaan ekspansivitas
jika gas berada pada dua sistem tertutup yang mempunyai tekanan sama menjadi bentuk persamaan (5). Ekspansivitas pada bentuk persamaan (5) akan menjadi persamaan lain saat dibatasi pada perbedaan temperature dengan bentuk persamaan sebagai berikut (7) :
persamaan ekspansivitas
dengan V sebagai volume gas, ΔV sebagai perubahan volume, ΔT sebagai perubahan temperature terhadap tekanan yang konstan(Hikman,2005).
          Dalam daerah satu fasa, tekanan, dan temperature bersifat independen dan dapat dianggap volume spesifik sebagai sebuah fungsi dari kedua properti, yaitu f = V(T,P). Ekspansivitas volume adalah indikasi perubahan volume yang terjadi ketika temperature berubah, sementara tekanan tetap konstan. Kompresibilitas isotermal merupakan indikasi perubahan volume yang terjadi ketika tekanan berubah sedangkan temperature konstan. Kompresibilitas isentropik (α) merupakan indikasi perubahan volume yang terjadi ketika tekanan berubah sedangkan entropi tetap konstan
persamaan isentropik
dengan satuan untuk α yaitu kompresibilitas isentropik adalah kebalikan satuan dari tekanan(Moran dan Saphiro,2004).
          Keadaan seimbang termal yaitu sistem berada dalam keadaan seimbang termal dengan lingkungannya, apabila koordinat-koordinatnya tidak berubah, meskipun sistem berkontak dengan lingkungannya melalui dinding diatermik. Keadaan keseimbangan termodinamika adalah sistem berada dalam keseimbangan termodinamika, jika memenuhi syarat tiga keadaan seimbang yaitu keadaan seimbang mekanik, keadaan seimbang kimiawi, dan keseimbangan termal. Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperature, tekanan, dan volume(Supriyanto,2005).
          Anomali air merupakan fenomena penyusutan volume air pada suhu dari 0°C sampai dengan 4°C. Anomali air biasa disebut dengan penyimpangan yang terjadi pada air. Anomali air dapat terjadi karena struktur antar molekul pada saat bentuk es lebih renggang, sedangkan dalam bentuk air lebih rapat. Sehingga, pada saat dipanaskan dari 0°C sampai dengan 4°C, molekul air yang berbentuk es akan merapat terlebih dahulu dan berakibat volumenya menyusut. Setelah suhu lebih dari 4°C, air akan kembali memuai seperti zat air pada umumnya. Akibat dari anomali air, maka air akan memiliki volume minimum dan massa jenis maksimum saat mencapai suhu 4°C. Jika temperature sudah melebihi 4°C maka air jika dipanaskan akan memuai, sedangkan jika didinginkan akan menyusut(Saputri,2014).


IV. Metodologi Percobaan
4.1 Alat dan Bahan
a. Bola kaca (1 buah), berfungsi sebagai tempat perubahan volume
b. Piston (1 buah), berfungsi sebagai alat ukur perubahan volume
c. Selang (1 buah), berfungsi sebagai pengukur zat gas dari bola kaca ke piston
d. Ember (1 buah), berfungsi sebagai wadah air dan bola kaca
e. Termometer (1 buah), berfungsi sebagai alat pengukur suhu dalam skala 
f. Statif (1 buah), berfungsi sebagai penyangga piston
g. Air dan es batu (secukupnya), berfungsi untuk memvariasikan suhu
h. Variasi beban (secukupnya), berfungsi sebagai pemvariasi tekanan dan diletakkan diatas piston
i. Pengaduk kaca (1 buah), berfungsi sebagai pengaduk agar suhu cepat merata
j. Neraca (1 buah), berfungsi untuk mengukur massa beban


4.2 Gambar Rangkaian Alat


rangkaian alat kompresibilitas


rangkaian alat ekspansivitas


4.3 Langkah Kerja
          4.3.1 Kompresibilitas
langkah kerja kompresibilitas


          4.3.2 Ekspansivitas
langkah kerja ekspansivitas


4.4 Metode Grafik
          4.4.1 Ekspansivitas
grafik ekspansivitas

          4.4.2 Kompresibilitas
grafik kompresibilitas


V. Data dan Analisa


5.2 Analisa Data
          Prinsip kerja dari kompresibilitas adalah dengan berkurangnya volume dari suatu zat akibat laju perubahan volume terhadap tekanan pada suhu yang konstan (isothermal). Sistem yang terjadi pada kompresibilitas adalah sistem tertutup karena terjadi perpindahan energi berupa kalor dan kerja tetapi tidak terjadi perpindahan materi antara sistem dan lingkungan. Pada peristiwa kompresibilitas, kerja (W) bernilai positif karena lingkungan melakukan kerja terhadap sistem. Kompresibilitas pada percobaan ini dilakukan dengan meletakkan bola kaca didalam ember besamaan dengan es batu yang menutupi permukaan bola kaca, lalu bola kaca dihubungkan dengan piston menggunakan selang agar dapat diukur perubahan volume yang terjadi akibat adanya beban yang diberikan serta divariasikan dan diletakkan diatas piston sebagai pemberi tekanan. Suhu es ini membuat gas H2O terbentuk dalam bola kaca sehingga gas H2O dapat menahan piston pada posisi 100 ml. Bola kaca digunakan karena kaca merupakan material yang baik dalam menghantarkan kalor dan material yang buruk dalam proses isolasi karena dapat menghantarkan kalor keluar dari bola kaca melalui perambatan pada dinding kaca (keluar sistem). Tabel 1 merupakan data hasil percobaan kompresibilitas, dapat dilihat bahwa semakin besar massa atau beban yang diberikan pada piston menyebabkan perubahan volume yang semakin kecil. Hal ini menunjukkan hubungan antara massa atau beban yang bertindak sebagai pemberi tekanan (P) dengan volume (V) yaitu berbanding terbalik (P~1/V). Data dari tabel 1 ini kemudian diplot ke dalam sebuah grafik, berikut ini adalah gambar grafiknya :

grafik kompresibilitas

Gambar grafik diatas menujukkan kemiringan garis atau gradien atau slope yang negatif, yaitu sebesar -9,88.10-1 dan ketelitian sebesar 49%. Dari grafik hubungan antara volume (ΔV) terhadap tekanan (ΔP) diatas didapatkan nilai K = - 8,5.10-4/Pa. Pada perhitungan manual didapatkan nilai rata-rata kompresibilitas (K) sebesar - 2,84.10-7/Pa. Perbedaan antara metode perhitungan manual dengan metode grafik disebabkan oleh beberapa hal, antara lain seperti pengaruh suhu ruangan, suhu didalam bola kaca yang tidak terisolasi sehingga suhu tidak benar-benar konstan, kesalahan paralaks dalam pembacaan skala termometer, pengukuran massa beban yang kurang tepat, dan lain-lain.
          Selain itu pada percobaan kompresibilitas terjadi peristiwa anomali air. Anomali air adalah peristiwa penyusutan volume air yang terjadi pada suhu 0°C sampai dengan 4°C ketika dipanaskan. Terjadinya anomali air disebabkan karena molekul H2O dalam bentuk padat (es) penuh dengan rongga (volume membesar) sehingga massa jenis lebih kecil dibandingkan dalam bentuk cair (air). Dengan demikian, pada saat dipanaskan, volume dari molekul H2O (es) menyusut terlebih dahulu, sehingga molekul H2O (es) merapat dan setelah melewati 4°C akan kembali memuai (merenggang). Pada percobaan ini yang bertindak sebagai pemanas es adalah suhu ruangan, karena suhunya lebih tinggi. Es diambil sedikit demi sedikit agar perubahan suhu yang terjadi naik secara perlahan-lahan dari 0°C. Inilah alasan mengapa digunakan suhu ruangan sebagai pemanas air dibandingkan dengan air panas, agar perubahan suhu yang terjadi dapat teramati karena suhu naik secara perlahan-lahan, berbeda jika dipanaskan menggunakan air panas maka suhu akan langsung tinggi ketika diukur oleh termometer. Perubahan wujud dari es menjadi cair atau penyusutan volume air pada percobaan ini didapatkan pada suhu 0°C sampai dengan 4°C ditandai dengan semua es berubah wujud menjadi cair dan setelah suhu 4°C air mengalami pemuaian seperti zat cair pada umumnya, ditandai dengan berkurangnya volume pada air (penguapan). Berarti massa jenis air maksimum pada percobaan ini terjadi pada suhu 4°C karena massa jenis air maksimum (ρmax) didapatkan ketika volume air minimum yaitu pada suhu 4°C, sebab massa jenis dan volume memiliki hubungan yang berbanding terbalik (ρmax ~ 1/Vmin). Hasil ini sesuai dengan literatur dari Dasar-Dasar Fisika Universitas karya Zemansky yang menyatakan bahwa air akan menyusut pada 0°C sampai dengan 4°C ketika dipanaskan dan memuai kembali setelah 4°C.
          Prinsip kerja dari ekspansivitas adalah dengan bertambahnya volume dari suatu zat akibat laju perubahan volume terhadap suhu pada tekanan yang konstan (isobar). Sistem yang terjadi pada ekspansivitas adalah sistem tertutup karena terjadi perpindahan energi berupa kalor dan kerja tetapi tidak terjadi perpindahan materi antara sistem dan lingkungan. Pada peristiwa ekspansivitas, kerja (W) bernilai negatif karena sistem melakukan kerja terhadap lingkungan. Ekspansivitas pada percobaan ini dilakukan dengan meletakkan bola kaca didalam ember besamaan dengan air dingin kemudian ditambahkan sedikit demi sedikit air panas agar suhu dapat naik serta divariasikan. Kemudian bola kaca dihubungkan dengan piston menggunakan selang agar dapat diukur perubahan volume yang terjadi akibat adanya suhu panas yang diberikan. Suhu air panas ini membuat gas H2O terbentuk dalam bola kaca sehingga gas H2O dapat mendorong piston dari posisi 0 ml. Tabel 2 merupakan data hasil percobaan ekspansivitas, dapat dilihat bahwa semakin besar suhu yang diberikan pada piston menyebabkan perubahan volume yang semakin besar juga. Hal ini menunjukkan hubungan antara suhu (T) dengan volume (V) yaitu berbanding lurus (T~V). Data dari tabel 2 ini kemudian diplot ke dalam sebuah grafik, berikut ini adalah gambar grafiknya :

grafik ekspansivitas

Gambar grafik 2 hubungan antara volume dengan suhu diatas menujukkan kemiringan garis atau gradien atau slope yang positif, yaitu sebesar 6,35.10-6 dan ketelitian sebesar 33%. Dari grafik ini kemudian didapatkan nilai ekspansivitas (β) sebesar 5,47.10-3/Kelvin. Pada perhitungan manual didapatkan nilai rata-rata ekspansivitas (β) sebesar 4.10-3/Kelvin. Perbedaan antara metode perhitungan manual dengan metode grafik disebabkan oleh beberapa hal, antara lain seperti pengaruh suhu ruangan, suhu didalam bola kaca yang tidak terisolasi, kesalahan paralaks dalam pembacaan skala termometer, dan lain-lain.     


VI. Kesimpulan

6.1 Volume dan suhu dari suatu gas memiliki hubungan berbanding lurus, dibuktikan dengan gradien yang positif pada grafik hubungan antara volume dengan suhu. Jika suhu semakin besar maka volumenya juga semakin besar dan begitu pula sebaliknya.

6.2 Volume dan tekanan dari suatu gas memiliki hubungan yang saling berbanding terbalik, dibuktikan dengan gradien grafik yang negatif pada grafik hubungan antara volume dengan tekanan. Jika tekanan semakin besar maka volumenya semakin kecil dan begitu pula sebaliknya.

6.3 Anomali air adalah peristiwa penyusutan volume air yang terjadi pada suhu 0°C sampai dengan 4°C ketika dipanaskan dan setelah melewati 4°C akan kembali memuai (merenggang). Perubahan wujud dari es menjadi cair atau penyusutan volume air pada percobaan ini didapatkan pada suhu 0°C sampai dengan 4°C ditandai dengan semua es berubah wujud menjadi cair dan setelah suhu 4°C air mengalami pemuaian seperti zat cair pada umumnya, ditandai dengan berkurangnya volume pada air (penguapan). Oleh karena itu, massa jenis air maksimum pada percobaan ini terjadi pada suhu 4°C karena massa jenis air maksimum (ρmax) didapatkan ketika volume air minimum yaitu pada suhu 4°C, sebab massa jenis dan volume memiliki hubungan yang berbanding terbalik (ρmax ~ 1/Vmin). Hasil ini sesuai dengan literatur dari Dasar-Dasar Fisika Universitas karya Zemansky yang menyatakan bahwa air akan menyusut pada 0°C sampai dengan 4°C ketika dipanaskan dan memuai kembali setelah 4°C.

6.4 a. Nilai kompresibilitas (K) :
          1. Perhitungan manual : 2,84.10-7/Pa
          2. Perhitungan grafik : - 8,5.10-4/Pa
      b. Nilai ekspansivitas
          1. Perhitungan manual : 4.10-3/Kelvin
          2. Perhitungan grafik : 5,47.10-3/Kelvin


VII. Daftar Pustaka
Daryus, A.2008. Termodinamika Teknik I. Jakarta : Erlangga.
Hamid, S.2007. Persamaan keadaan Termodinamika. Bandung : ITB.
Hikman, M.2005. Termodinamika. Jakarta : UI Press.
Moran, M dan Saphiro, H.2004. Termodinamika Teknik Jilid 2. Jakarta : Erlangga.
Saputri, M.2014. Pemuaian Zat Cair dan Anomali Air. Bandung : UNPAD.
Supriyatno.2005. Persamaan Gas Ideal. Jakarta : Erlangga.
Zemansky, Sears.1954. Dasar-Dasar Fisika Universitas. Jakarta : Bina cipta.


VIII. Bagian Pengesahan

-


IX. Lampiran

      9.1 Lampiran 1
      9.2 Lampiran 2
      9.3 Lampiran 3



0 Response to "Laporan Praktikum Ekspansivitas dan Kompresibilitas"

Post a Comment