Bayangkan Anda seorang penyelam scuba, dan Anda perlu menghitung kapasitas udara tangki Anda. Atau bayangkan Anda telah meledakkan balon dengan ukuran tertentu, dan Anda bertanya-tanya seperti apa tekanan di dalam balon. Atau misalkan Anda membandingkan waktu memasak oven biasa dan oven pemanggang roti. Di mana Anda mulai?
Semua pertanyaan ini berkaitan dengan volume udara dan hubungan antara tekanan udara, suhu dan volume. Dan ya, mereka terkait! Untungnya, ada sejumlah hukum ilmiah yang telah dibuat untuk menangani hubungan ini. Anda hanya perlu belajar bagaimana menerapkannya. Kami menyebut hukum ini Hukum Gas.
Tekanan dan Volume Udara: Hukum Boyle
Hukum Boyle mendefinisikan hubungan antara volume gas dan tekanannya. Pikirkan ini: Jika Anda mengambil sebuah kotak penuh udara dan kemudian menekannya hingga setengah ukurannya, molekul udara akan memiliki lebih sedikit ruang untuk bergerak dan akan lebih banyak bertabrakan. Tabrakan molekul udara satu sama lain dan dengan sisi wadah inilah yang menciptakan tekanan udara.
Hukum Boyle tidak memperhitungkan suhu, jadisuhu harus konstanuntuk menggunakannya.
Hukum Boylemenyatakan bahwa, pada suhu konstan, volume massa tertentu (atau jumlah) gas berbanding terbalik dengan tekanan.
Dalam bentuk persamaan, yaitu:
P_1V_1=P_2V_2
dimana P1 dan V1 adalah volume dan tekanan awal dan P2 dan V2 adalah volume dan tekanan baru.
Contoh: Misalkan Anda mendesain tangki selam dengan tekanan udara 3000 psi (pon per inci persegi) dan volume (atau "kapasitas") tangki adalah 70 kaki kubik. Jika Anda memutuskan lebih suka membuat tangki dengan tekanan lebih tinggi 3500 psi, berapa volume tangki, dengan asumsi Anda mengisinya dengan jumlah udara yang sama dan menjaga suhu tetap sama?
Masukkan nilai yang diberikan ke dalam Hukum Boyle:
3000\text{ psi}\times 70\text{ ft}^3 = 3500\text{ psi}\times V_2
Sederhanakan, lalu isolasi variabel di satu sisi persamaan dan selesaikan untuk V2:
V_2=\frac{3000\text{ psi}\times 70\text{ kaki}^3}{3500\text{ psi}}=60\text{ kaki}^3
Jadi versi kedua tangki selam Anda adalah 60 kaki kubik.
Suhu dan Volume Udara: Hukum Charles
Bagaimana hubungan antara volume dan suhu? Temperatur yang lebih tinggi membuat molekul semakin cepat, bertabrakan semakin keras dengan sisi wadahnya dan mendorongnya keluar. Hukum Charles memberikan matematika untuk situasi ini.
Hukum Charlesmenyatakan bahwa pada tekanan konstan, volume dari suatu massa (jumlah) gas berbanding lurus dengan suhu (absolutnya).
Atau:
\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}
Untuk Hukum Charles, tekanan harus dijaga konstan, dan suhu harus diukur dalam Kelvin.
Tekanan, Suhu, dan Volume: Hukum Gabungan Gas
Sekarang, bagaimana jika Anda memiliki tekanan, suhu, dan volume bersama-sama dalam masalah yang sama? Ada aturan untuk itu juga. ItuHukum Gas Gabunganmengambil informasi dari Hukum Boyle dan Hukum Charles dan menyatukannya untuk mendefinisikan aspek lain dari hubungan tekanan-suhu-volume.
ItuHukum Gas Gabunganmenyatakan bahwa volume sejumlah tertentu gas sebanding dengan rasio suhu Kelvin dan tekanannya. Kedengarannya rumit, tetapi lihat persamaannya:
\frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}
Sekali lagi, suhu harus diukur dalam Kelvin.
Hukum Gas Ideal
Satu persamaan terakhir yang menghubungkan sifat-sifat gas ini adalahHukum Gas Ideal. Hukum diberikan oleh persamaan berikut:
PV=nRT
di mana P = tekanan, V = volume, n = jumlah mol, R adalahkonstanta gas universal, yang sama dengan 0,0821 L-atm / mol-K, dan T adalah suhu dalam Kelvin. Untuk mendapatkan semua unit yang benar, Anda harus mengonversi kesatuan SI, satuan standar pengukuran dalam komunitas ilmiah. Untuk volume, itu liter; untuk tekanan, atm; dan untuk suhu, Kelvin (n, jumlah mol, sudah dalam satuan SI).
Hukum ini disebut hukum gas "Ideal" karena menganggap bahwa perhitungan berhubungan dengan gas yang mengikuti aturan. Dalam kondisi ekstrim, seperti panas atau dingin yang ekstrim, beberapa gas dapat bertindak berbeda dari Gas Ideal Hukum akan menyarankan, tetapi secara umum aman untuk mengasumsikan bahwa perhitungan Anda menggunakan hukum akan benar.
Sekarang Anda mengetahui beberapa cara untuk menghitung volume udara dalam berbagai keadaan.