Gas ideal

Gas ideal adalah gas teoritis yang terdiri dari partikel-partikel titik yang bergerak secara acak dan tidak saling berinteraksi. Konsep gas ideal sangat berguna karena memenuhi hukum gas ideal, sebuah persamaan keadaan yang disederhanakan, sehingga dapat dianalisis dengan mekanika statistika.

Pada kondisi normal seperti temperatur dan tekanan standar, kebanyakan gas nyata berperilaku seperti gas ideal. Banyak gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, gas mulia dan karbon dioksida dapat diperlakukan seperti gas ideal dengan perbedaan yang masih dapat ditolerir.^[1] Secara umum, gas berperilaku seperti gas ideal pada temperatur tinggi dan tekanan rendah,^[1] karena kerja yang melawan gaya intermolekuler menjadi jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan energi kinetik partikel, dan ukuran molekul juga menjadi jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan ruangan kosong antar molekul.

Model gas ideal tak dapat dipakai pada suhu rendah atau tekanan tinggi, karena gaya intermolekuler dan ukuran molekuler menjadi penting. Model gas ideal juga tak dapat dipakai pada gas-gas berat seperti refrigeran atau gas dengan gaya intermolekuler kuat, seperti uap air. Pada beberapa titik ketika suhu rendah dan tekanan tinggi, gas nyata akan menjalani fase transisi menjadi liquid atau solid. Model gas ideal tidak dapat menjelaskan atau memperbolehkan fase transisi. Hal ini dapat dijelaskan dengan persamaan keadaan yang lebih kompleks.

Gas ideal termodinamika klasik

Karakteristik termodinamika gas ideal dapat dijelaskan dengan 2 persamaan: Persamaan keadaan gas ideal adalah hukum gas ideal

Persamaan ini diturunkan dari Hukum Boyle: (pada n dan T konstan); Hukum Charles: (pada P dan n konstan); dan Hukum Avogadro: (pada P dan T konstan). Dengan menggabungkan ketiga hukum tersebut, maka menjadi yang artinya .

Pada kondisi ideal,  ; maka, .

Energi dalam gas ideal dinyatakan dengan: :

dengan

·         tekanan

·         volume

·         jumlah substansi gas dalam mol

·         konstanta gas

·         temperatur mutlak

·         konstanta Hukum Boyle

·         konstanta proporsional, sama dengan

·         konstanta proporsional, sama dengan

·         energi dalam

·         kapasitas panas spesifik pada volume konstan, ≈ 3/2 untuk gas monoatom, 5/2 untuk gas diatom dan 3 untuk molekul lain yang lebih kompleks. Untuk mengubah dari besaran makroskopik ke mikroskopik, maka digunakan

dengan

·         adalah jumlah partikel gas

·         adalah konstanta Boltzmann (1.381×10⁻²³J·K⁻¹).

Kemungkinan distribusi partikel dari kecepatan atau energi dapat menggunakan distribusi kecepatan Maxwell.

Hukum ideal gas adalah lanjutan dari hukum gas yang ditemukan secara percobaan. Fluida nyata pada densitas rendah dan temperatur tinggi hampir mengikuti hukum gas ideal. Namun, pada temperatur rendah atau densitas tinggi, fluida nyata mengalami penyimpangan jauh dari sifat gas ideal, terutama karena terkondensasi menjadi liquid atau terdeposisi menjadi padat. Penyimpangan ini dinyatakan dalam faktor kompresibilitas.

Model gas ideal mengikuti asumsi berikut ini:

·         Molekul gas tidak dibedakan, berukuran kecil, dan berbentuk bola

·         Semua tabrakan antar gas bersifat elastis dan semua gerakannya tanpa friksi (tidak ada energi hilang pada gerakan atau tabrakan)

·         Menggunakan hukum Newton

·         Jarak rata-rata antar molekul jauh lebih besar daripada ukuran molekul

·         Molekul secara konstan bergerak pada arah acak dengan distribusi kecepatan

·         Tidak ada gaya atraktif atau repulsif antara molekul atau sekitarnya

Persamaan gas ideal

Persamaan gas ideal' adalah persamaan keadaan suatu gas ideal. Persamaan ini merupakan pendekatan yang baik untuk karakteristik beberapa gas pada kondisi tertentu. Persamaan ini pertama kali dicetuskan oleh Émile Clapeyron tahun 1834 sebagai kombinasi dari Hukum Boyle dan Hukum Charles.^[1] Persamaan ini umum dituliskan sebagai

di mana P adalah tekanan mutlak pada gas, V adalah volume, n adalah jumlah partikel pada gas (dalam mol), T adalah temperatur dalam satuan kelvin, dan R adalah konstanta gas ideal, yaitu 0,08205 L atm/mol K.

Persamaan ini juga dapat diturunkan dari teori kinetik, yang dicetuskan secara terpisah oleh August Krönig tahun 1856^[2] dan Rudolf Clausius tahun 1857.^[3] Konstanta gas universal ditemukan dan pertama kali diperkenalkan ke hukum gas ideal oleh Dmitri Mendeleev tahun 1874.^[4][5][6]

Persamaan gas ideal bermanfaat terutama dalam stoikiometri gas.