Gas ideal

Gas ideal adalah gas teoretis yang terdiri dari partikel-partikel titik yang bergerak secara acak dan tidak saling berinteraksi. Hukum dasar dari gas ideal yaitu hukum Boyle-Mariotte, yang dirumuskan bersama oleh Robert Boyle (1627-1691) dan Edme Mariotte (1620-1684). 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. Secara umum, gas berperilaku seperti gas ideal pada temperatur tinggi dan tekanan rendah, 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.

Sifat

Gas ideal merupakan partikel gas yang dicirikan dengan jumlah sangat banyak, tetapi antarpartikel tidak terjadi gaya tarik menarik sama sekali. Setiap partikel gas selalu bergerak secara acak dengan arah sembarang. Ukuran ruangan tidak dijadikan acuan untuk membandingkan ukuran partikel gas, karena ukuran partikel gas ideal jauh lebih kecil daripada jarak atar partikel. Partikel gas ideal yang mengalami tumbukan yang bersifat lenting sempurna akan mengalami penyebaran secara merata pada seluruh ruang dengan jumlah yang banyak. Hukum gerak Newton berlaku selama penyebaran berlangsung. Sifat dari gas ideal tidak ditemukan sama persis pada gas apapun, tetapi gas yang mendekati sifat ini adalah gas yang berada pada temperatur tinggi dan tekanan rendah atau gas pada kondisi jauh di atas titik kritis dalam diagram P-T.

Gas ideal termodinamika klasik

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

$PV=nRT\,$

Persamaan ini diturunkan dari Hukum Boyle: $V=k/P$ (pada n dan T konstan); Hukum Charles: $V=bT$ (pada P dan n konstan); dan Hukum Avogadro: $V=an$ (pada P dan T konstan). Dengan menggabungkan ketiga hukum tersebut, maka menjadi $3V=kba\left({\frac {Tn}{P}}\right)$ yang artinya $V=\left({\frac {kba}{3}}\right)\left({\frac {Tn}{P}}\right)$.

Pada kondisi ideal, $V=R\left({\frac {Tn}{P}}\right)$ ; maka, $PV=nRT$.

Energi dalam gas ideal dinyatakan dengan::$U={\hat {c}}_{V}nRT$

dengan

• $P$ tekanan
• $V$ volume
• $n$ jumlah substansi gas dalam mol
• $R$ konstanta gas
• $T$ temperatur mutlak
• $k$ konstanta Hukum Boyle
• $b$ konstanta proporsional, sama dengan $V/T$
• $a$ konstanta proporsional, sama dengan $V/n$
• $U$ energi dalam
• ${\hat {c}}_{V}$ 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

$nR=Nk_{B}\$

dengan

• $N$ adalah jumlah partikel gas
• $k_{B}$ 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