Difference Between An Ideal Gas And A Real Gas

Dunia fisika dan kimia seringkali memperkenalkan kita pada konsep-konsep yang disederhanakan untuk memahami fenomena yang kompleks. Salah satu contohnya adalah gas ideal, sebuah model teoritis yang mempermudah perhitungan dan prediksi perilaku gas. Namun, di dunia nyata, gas berperilaku sedikit berbeda, membentuk apa yang kita sebut sebagai gas nyata. Artikel ini akan mengupas perbedaan mendasar antara gas ideal dan gas nyata, faktor-faktor yang mempengaruhinya, serta implikasinya dalam berbagai aplikasi praktis.

Apa itu Gas Ideal?

Gas ideal adalah model teoretis gas yang memiliki beberapa asumsi penting:

• Ukuran Partikel Diabaikan: Volume partikel gas dianggap sangat kecil dibandingkan dengan volume wadah, sehingga dapat diabaikan.
• Tidak Ada Interaksi Antar Partikel: Tidak ada gaya tarik atau tolak antar partikel gas. Mereka bergerak secara acak dan bebas.
• Tumbukan Elastis Sempurna: Tumbukan antar partikel gas atau dengan dinding wadah adalah elastis sempurna, yang berarti tidak ada energi kinetik yang hilang selama tumbukan.

Model gas ideal ini sangat berguna karena menyederhanakan persamaan keadaan gas, yang dikenal sebagai hukum gas ideal:

PV = nRT

Di mana:

• P adalah tekanan gas
• V adalah volume gas
• n adalah jumlah mol gas
• R adalah konstanta gas ideal (8.314 J/(mol·K))
• T adalah suhu gas dalam Kelvin

Persamaan ini memungkinkan kita untuk memprediksi perilaku gas dalam berbagai kondisi, seperti perubahan tekanan, volume, atau suhu.

Apa itu Gas Nyata?

Gas nyata, di sisi lain, adalah gas yang kita temukan di dunia nyata. Mereka tidak sepenuhnya mematuhi asumsi-asumsi gas ideal. Ada dua faktor utama yang menyebabkan penyimpangan dari perilaku ideal:

• Ukuran Partikel yang Signifikan: Partikel gas nyata memiliki volume yang signifikan, terutama pada tekanan tinggi dan volume rendah. Volume partikel ini mengurangi ruang kosong yang tersedia untuk gerakan partikel, sehingga memengaruhi tekanan gas.
• Interaksi Antar Partikel: Partikel gas nyata mengalami gaya tarik-menarik Van der Waals, terutama pada suhu rendah dan tekanan tinggi. Gaya ini menarik partikel bersama-sama, mengurangi tekanan gas dan memengaruhi volume.

Karena faktor-faktor ini, persamaan gas ideal tidak lagi akurat untuk gas nyata dalam semua kondisi. Persamaan keadaan yang lebih kompleks diperlukan untuk memperhitungkan penyimpangan ini.

Perbedaan Utama Antara Gas Ideal dan Gas Nyata

Berikut adalah tabel yang merangkum perbedaan utama antara gas ideal dan gas nyata:

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Penyimpangan dari Keidealan

Penyimpangan gas nyata dari perilaku ideal dipengaruhi oleh beberapa faktor, di antaranya:

1. Tekanan

Pada tekanan rendah, jarak antar partikel gas sangat besar, sehingga volume partikel menjadi tidak signifikan dan gaya tarik-menarik antar partikel dapat diabaikan. Dalam kondisi ini, gas nyata mendekati perilaku gas ideal. Namun, ketika tekanan meningkat, jarak antar partikel berkurang, dan volume partikel menjadi lebih signifikan. Selain itu, gaya tarik-menarik antar partikel juga meningkat, menyebabkan penyimpangan yang lebih besar dari keidealan.

2. Suhu

Pada suhu tinggi, energi kinetik partikel gas sangat besar, sehingga mereka bergerak dengan kecepatan tinggi dan tumbukan antar partikel menjadi lebih sering dan lebih kuat. Dalam kondisi ini, gaya tarik-menarik antar partikel menjadi kurang signifikan, dan gas nyata mendekati perilaku gas ideal. Namun, ketika suhu menurun, energi kinetik partikel berkurang, dan gaya tarik-menarik antar partikel menjadi lebih dominan, menyebabkan penyimpangan yang lebih besar dari keidealan.

3. Jenis Gas

Jenis gas juga memengaruhi seberapa besar penyimpangan dari keidealan. Gas dengan molekul yang lebih besar dan polaritas yang lebih tinggi cenderung memiliki gaya tarik-menarik antar partikel yang lebih kuat, sehingga menunjukkan penyimpangan yang lebih besar dari keidealan. Contohnya, gas polar seperti uap air (H2O) dan amonia (NH3) menunjukkan penyimpangan yang lebih besar dibandingkan dengan gas nonpolar seperti oksigen (O2) dan nitrogen (N2).

Persamaan Keadaan untuk Gas Nyata: Persamaan Van der Waals

Untuk memperhitungkan penyimpangan gas nyata dari perilaku ideal, para ilmuwan telah mengembangkan berbagai persamaan keadaan yang lebih kompleks. Salah satu yang paling terkenal adalah persamaan Van der Waals:

(P + a(n/V)^2) (V - nb) = nRT

Di mana:

• a adalah parameter yang memperhitungkan gaya tarik-menarik antar partikel
• b adalah parameter yang memperhitungkan volume partikel

Parameter a dan b adalah konstanta empiris yang berbeda untuk setiap gas dan harus ditentukan secara eksperimental. Persamaan Van der Waals memberikan perkiraan yang lebih akurat tentang perilaku gas nyata dibandingkan dengan persamaan gas ideal, terutama pada tekanan tinggi dan suhu rendah.

Implikasi dalam Aplikasi Praktis

Perbedaan antara gas ideal dan gas nyata memiliki implikasi penting dalam berbagai aplikasi praktis, di antaranya:

1. Industri Kimia

Dalam industri kimia, pemahaman tentang perilaku gas nyata sangat penting dalam perancangan dan operasi reaktor kimia, proses pemisahan, dan penyimpanan gas. Penggunaan persamaan keadaan yang akurat, seperti persamaan Van der Waals, memungkinkan para insinyur untuk memprediksi perilaku gas dengan lebih tepat dan mengoptimalkan proses-proses industri.

2. Teknik Termal

Dalam teknik termal, pemahaman tentang perilaku gas nyata penting dalam perancangan dan operasi mesin kalor, pendingin, dan sistem pembangkit tenaga. Efisiensi dan kinerja sistem-sistem ini sangat bergantung pada sifat-sifat termodinamika gas, yang dipengaruhi oleh penyimpangan dari keidealan.

3. Meteorologi

Dalam meteorologi, pemahaman tentang perilaku gas nyata penting dalam memodelkan atmosfer dan memprediksi cuaca. Atmosfer bumi terdiri dari campuran gas nyata, dan perilaku mereka dipengaruhi oleh tekanan, suhu, dan kelembaban. Model cuaca yang akurat harus memperhitungkan penyimpangan gas nyata dari keidealan untuk menghasilkan prediksi yang andal.

4. Penyimpanan dan Transportasi Gas

Penyimpanan dan transportasi gas dalam jumlah besar, seperti gas alam dan gas industri, memerlukan pemahaman yang mendalam tentang perilaku gas nyata. Volume gas yang disimpan atau diangkut harus dihitung dengan akurat, dan penyimpangan dari keidealan harus diperhitungkan untuk memastikan keselamatan dan efisiensi.

Contoh Soal dan Pembahasan

Untuk memperjelas perbedaan antara gas ideal dan gas nyata, mari kita tinjau sebuah contoh soal:

Soal:

Satu mol gas oksigen (O2) disimpan dalam wadah bervolume 22.4 liter pada suhu 273 K. Hitung tekanan gas menggunakan:

a) Persamaan gas ideal

b) Persamaan Van der Waals (a = 0.136 Nm^4/mol^2, b = 3.18 x 10^-5 m^3/mol)

Pembahasan:

a) Menggunakan persamaan gas ideal:

PV = nRT

P = nRT/V = (1 mol) x (8.314 J/(mol·K)) x (273 K) / (0.0224 m^3) = 101325 Pa = 1 atm

b) Menggunakan persamaan Van der Waals:

(P + a(n/V)^2) (V - nb) = nRT

(P + 0.136 Nm^4/mol^2 x (1 mol / 0.0224 m^3)^2) (0.0224 m^3 - 1 mol x 3.18 x 10^-5 m^3/mol) = 1 mol x 8.314 J/(mol·K) x 273 K

(P + 271.05 Pa) (0.0223682 m^3) = 2269.72 J

P = (2269.72 J / 0.0223682 m^3) - 271.05 Pa = 101453.8 Pa - 271.05 Pa = 101182.75 Pa = 0.9986 atm

Analisis:

Dalam contoh ini, kita melihat bahwa tekanan yang dihitung menggunakan persamaan Van der Waals sedikit lebih rendah daripada tekanan yang dihitung menggunakan persamaan gas ideal. Hal ini disebabkan oleh gaya tarik-menarik antar molekul oksigen, yang diperhitungkan dalam persamaan Van der Waals tetapi diabaikan dalam persamaan gas ideal. Perbedaan ini mungkin tampak kecil dalam kondisi ini, tetapi bisa menjadi signifikan pada tekanan tinggi dan suhu rendah.

Kesimpulan

Meskipun model gas ideal memberikan pendekatan yang berguna untuk memahami perilaku gas dalam kondisi tertentu, gas nyata menunjukkan penyimpangan dari keidealan karena ukuran partikel yang signifikan dan interaksi antar partikel. Faktor-faktor seperti tekanan, suhu, dan jenis gas memengaruhi seberapa besar penyimpangan ini. Persamaan keadaan yang lebih kompleks, seperti persamaan Van der Waals, diperlukan untuk memperhitungkan penyimpangan ini dan memberikan perkiraan yang lebih akurat tentang perilaku gas nyata. Pemahaman tentang perbedaan antara gas ideal dan gas nyata sangat penting dalam berbagai aplikasi praktis, termasuk industri kimia, teknik termal, meteorologi, dan penyimpanan serta transportasi gas. Dengan mempertimbangkan penyimpangan dari keidealan, para insinyur dan ilmuwan dapat merancang dan mengoperasikan sistem yang lebih efisien, aman, dan andal.