Ini minggu yang sangat dingin, bahkan di tempat tinggal saya di Louisiana, berkat terjadinya polar vortex. Udara dingin ini buruk untuk segala macam hal, termasuk helm sepak bola, ternyata. Tapi sebenarnya ini adalah waktu yang tepat untuk menunjukkan salah satu gagasan dasar dalam ilmu pengetahuan: hukum gas ideal.
Mungkin Anda memiliki beberapa balon di sekitar rumah, mungkin tersisa dari Tahun Baru. Cobalah ini: Tiuplah balon dan ikat dengan kencang. Sudah? Sekarang kenakan jaket terhangat yang Anda miliki dan bawa balon ke luar. Apa yang terjadi? Ya, dengan penurunan suhu, balon menyusut – volume di dalamnya berkurang – meskipun masih berisi jumlah udara yang sama!
Bagaimana mungkin itu terjadi? Nah, menurut hukum gas ideal, ada hubungan antara suhu, volume, dan tekanan gas dalam wadah tertutup, sehingga jika Anda mengetahui dua di antaranya, Anda dapat menghitung yang ketiga. Persamaan terkenalnya adalah PV = nRT. Ini mengatakan bahwa tekanan (P) dikali volume (V) sama dengan hasil kali jumlah gas (n), konstanta proporsionalitas (R), dan suhu (T). Oh, dengan “jumlah gas” kami maksud adalah massa dari semua molekul di dalamnya.
Ada banyak hal yang harus dibahas di sini, tapi biarkan saya langsung ke intinya. Ada dua cara untuk melihat gas. Cara yang baru saja saya berikan sebenarnya adalah cara kimia. Ini memperlakukan gas sebagai medium yang kontinu, dengan cara yang sama Anda melihat air sebagai fluida, dan memiliki sifat-sifat yang baru saja kami sebutkan.
Tapi dalam fisika, kami suka memikirkan gas sebagai kumpulan partikel diskret yang bergerak. Di udara, partikel ini bisa berupa molekul nitrogen (N2) atau oksigen (O2); dalam model ini, mereka hanya bola-bola kecil yang melompat-lompat di dalam wadah. Satu partikel individu gas tidak memiliki tekanan atau suhu. Sebaliknya, ia memiliki massa dan kecepatan.
Tapi ini adalah poin pentingnya. Jika kami memiliki dua cara untuk memodelkan gas (sebagai kontinu atau sebagai partikel), kedua model ini harus setuju dalam prediksi mereka. Khususnya, saya harus dapat menjelaskan tekanan dan suhu dengan menggunakan model partikel saya. Oh, tapi bagaimana dengan sifat-sifat lain dalam hukum gas ideal? Nah, kami memiliki volume gas kontinu. Tetapi karena gas mengisi seluruh ruang dalam wadah, itu sama dengan volume wadah. Jika saya meletakkan sekelompok partikel kecil dalam kotak dengan volume V, itu akan sama dengan volume gas kontinu. Kemudian kami memiliki “jumlah” gas yang ditunjukkan oleh variabel n dalam hukum gas ideal. Ini sebenarnya adalah jumlah mol untuk gas tersebut. Ini pada dasarnya hanya cara lain untuk menghitung jumlah partikel. Jadi, model partikel dan kontinu juga harus setuju di sini. (Ingin tahu lebih banyak tentang mol? Berikut penjelasannya.)
Model Partikel untuk Hukum Gas Ideal
Baiklah, jika Anda mengambil balon yang terisi udara, itu akan memiliki BANYAK molekul udara di dalamnya, mungkin sekitar 1022 partikel. Tidak mungkin Anda bisa menghitungnya. Tapi kami dapat membangun model fisika gas menggunakan jumlah partikel yang jauh lebih sedikit. Faktanya, mari kita mulai dengan hanya satu partikel. Yah, saya dapat dengan mudah memodelkan objek tunggal yang bergerak dengan kecepatan konstan, tapi itu bukanlah gas. Setidaknya saya perlu meletakkannya di dalam wadah. Untuk menjaga kesederhanaan, mari kita gunakan sebuah bola.
Partikel tersebut akan bergerak di dalam bola, tetapi pada suatu saat ia akan berinteraksi dengan dinding. Ketika itu terjadi, dinding akan memberikan gaya pada partikel dalam arah tegak lurus terhadap permukaan. Untuk melihat bagaimana gaya ini mengubah gerakan partikel, kita dapat menggunakan prinsip momentum. Ini mengatakan bahwa partikel yang bergerak memiliki momentum (p) yang sama dengan massa partikel (m) dikali kecepatannya (v). Kemudian gaya bersih (F) akan menghasilkan perubahan tertentu dalam momentum (disimbolkan dengan Δp) per satuan waktu. Ini terlihat seperti ini: