Gas (Fisika): Definisi, Sifat & Contoh

Udara yang kita hirup dan hirup setiap hari, helium di balon ulang tahun kita, dan metana yang digunakan untuk pemanas rumah adalah contoh umum gas. Gas adalah salah satu dari tiga keadaan utama materi, bersama dengan padatan dan cairan.

Keadaan materi berbeda sesuai dengan seberapa rapat partikel – konsekuensi dari berapa banyak energi kinetik yang mereka miliki – yang menghasilkan karakteristik yang berbeda.

Dalam keadaan padat, materi adalah yang paling rapat. Molekul-molekul dalam padatan disatukan oleh ikatan atom dan gaya tarik-menarik. Akibatnya, mereka bergetar di tempat daripada mengalir bebas di sekitar. Padatan memiliki bentuk dan volume yang pasti, dan tidak mudah dipadatkan; yaitu, mereka menjaga bentuknya dengan cukup baik.

Dalam keadaan cair, materi kurang rapat dibandingkan dalam padatan, berkat ikatan antar molekul yang lebih lemah. Ketika di hadapan medan gravitasi, cairan akan mengambil bentuk wadahnya; dengan tidak adanya gravitasi, ia membentuk menjadi bentuk bola.

Dalam keadaan gas, materi mengalami interaksi yang lemah dengan dirinya sendiri. Partikel dapat bergerak cukup bebas. Akibatnya, gas mengambil bentuk dan volume wadah apa pun tempat mereka berada. Buka oven setelah memanggang kue, dan gas yang ada di dalamnya akan menyebar ke seluruh rumah sehingga kue dapat tercium dari setiap ruangan.

Keadaan materi terbaru yang diketahui oleh fisikawan adalah plasma, suatu kondisi di mana atom-atom penyusun materi itu sendiri terurai. Plasma hanya terjadi pada suhu dan tekanan ekstrim, seperti yang ditemukan di pusat matahari. Karena elektron terlepas dari atom dalam kondisi ini, plasma akhirnya menjadi campuran elektron bebas, sisa ion bermuatan positif dan atom netral. Dalam hal perilaku, plasma bertindak seperti gas, tetapi karena muatan yang terlibat, ia juga memiliki sifat elektromagnetik.

Materi dapat berubah dari satu keadaan ke keadaan lain tergantung pada kondisi tekanan dan suhu. Transformasi seperti itu dikenal sebagai perubahan fase. Misalnya, air padat berupa es bila dipanaskan sampai titik didihnya akan melebur menjadi air cair, yang selanjutnya akan menguap menjadi uap air dengan tambahan panas yang lebih banyak lagi.

Kebalikan dari evaporasi adalah mengembun. Ketika gas mengembun, itu menjadi cair.

Zat padat dapat bertransisi langsung menjadi zat gas dengan mengalami sublimasi. Sublimasi terjadi ketika padatan berada pada tekanan tertentu di bawah titik tripelnya dalam diagram fase. Misalnya, es kering (karbon dioksida padat) menyublim ketika dipanaskan pada satu atmosfer, tidak seperti es "biasa" (air) yang hanya meleleh menjadi cair ketika dipanaskan pada satu atmosfer.

Deskripsi fisika formal gas adalah zat yang tidak memiliki volume tertentu (juga disebut volume tetap) atau bentuk tertentu. Sebaliknya, gas akan mengambil bentuk wadahnya karena molekul gas dapat bergerak bebas melewati satu sama lain.

Masalah hipotetis terkenal yang dibuat oleh fisikawan partikel terkemuka Enrico Fermi membantu mengilustrasikan hal ini. Fermi meminta murid-muridnya untuk memperkirakan berapa banyak molekul napas kematian Caesar yang dapat diharapkan manusia saat ini untuk dihadapi dengan setiap hirupan mereka sendiri. Dengan asumsi napas terakhir kaisar Romawi telah didistribusikan secara merata di seluruh dunia sekarang (dan belum diserap kembali oleh laut atau tumbuhan), perhitungan menunjukkan bahwa makhluk hidup saat ini menghirup sekitar satu molekul napas sekaratnya dengan masing-masing milik mereka.

Meskipun zat cair juga dapat mengambil bentuk wadahnya, zat cair tidak akan berubah volumenya tanpa bantuan. Tetapi gas akan selalu menyebar untuk mengisi wadahnya dan, sebaliknya, dapat dikompresi menjadi wadah yang lebih kecil.

Pengukuran penting untuk menggambarkan gas adalah tekanan. Tekanan gas adalah gaya per satuan luas yang diberikan gas pada wadahnya. Lebih banyak tekanan menyebabkan lebih banyak kekuatan, dan sebaliknya.

Misalnya, ban sepeda yang dipompa dengan tekanan tinggi terasa keras dan keras dari luar. Ban bertekanan rendah, di sisi lain, memberikan lebih sedikit gaya ke luar, dan sebagai hasilnya, ban terasa lebih longgar dan lebih lembut.

Karakteristik kunci lain dari gas adalah suhu. Suhu gas didefinisikan sebagai ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam gas. Karena semua molekul bergetar, mereka semua memiliki sejumlah energi kinetik.

Baik tekanan dan suhu diperlukan untuk menentukan apakah keadaan materi adalah gas. Beberapa bahan adalah gas hanya pada suhu tinggi, sementara yang lain adalah gas pada suhu rendah atau suhu kamar. Sementara itu, beberapa bahan hanya berupa gas pada suhu tinggi dan tekanan rendah. Diagram fase menunjukkan keadaan materi untuk zat tertentu pada berbagai kombinasi suhu dan tekanan.

Gas berlimpah di dunia sekitar kita. Karbon dioksida, gas rumah kaca yang umum, dilepaskan saat membakar bahan bakar untuk menggerakkan banyak aktivitas manusia saat ini. Ketika air cair menguap, itu menjadi uap atau uap air – sebuah proses yang terjadi di atas kompor dan genangan air di luar di bawah matahari.

Campuran gas yang dikenal sebagai udara – yang biasanya terdiri dari 78 persen nitrogen, 21 persen oksigen, dan 1 persen gas lain – mengelilingi semua makhluk terestrial dan bertukar dengan tubuh mereka melalui pernapasan sistem. Saat bernafas, banyak hewan mengekstrak oksigen dari udara dan menghilangkan karbon dioksida dari tubuh mereka, sementara banyak tumbuhan melakukan yang sebaliknya, mengambil karbon dioksida dan mengeluarkan oksigen.

Untuk membantu menjelaskan dengan lebih baik perilaku gas, fisikawan suka memperkirakan bagaimana perilaku gas jika terbuat dari banyak partikel titik bergerak dalam garis lurus dan tidak mengalami gaya antarmolekul – dengan kata lain, tanpa berinteraksi satu sama lain lain.

Tentu saja, tidak ada gas yang benar-benar ideal, tetapi dengan mempertimbangkan bagaimana gas akan bertindak di bawah deskripsi seperti itu, fisikawan dapat menggabungkan beberapa hukum sederhana tentang sifat gas menjadi satu: hukum gas ideal.

• Hukum gas ideal adalah PV = nRT, dimana P adalah tekanan, V adalah volume, tidak adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta gas dan T adalah suhu.

Secara khusus, hukum gas ideal diturunkan dari empat hukum gas sederhana yang menunjukkan potongan-potongan hubungan dalam hukum gas gabungan. Mereka:

• Hukum Boyle: Tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya pada suhu dan jumlah gas yang konstan.
• Hukum Charles: Volume dan suhu gas sebanding ketika tekanan dipertahankan konstan.
• Hukum Avogadro: Volume gas sebanding dengan jumlah gas ketika tekanan dan suhu konstan.
• Hukum Amonton: Tekanan dan suhu suatu gas sebanding selama jumlah dan volume gas dipertahankan konstan.