## Desain Eksperimen  Karakterisasi  Perilaku Udara  Sekitar  dalam  Tinjauan Sebagai Gas Ideal atau Gas Nyata
Nur Aji Wibowo a* , Wachid Susilo ab , Albertus Sigit Pradipta b , Anisa Setiyani b , Elfira Josmin Fillimditty b
a Program Studi Fisika, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga, 50711, Indonesia b Program Studi Pendidikan Fisika, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga, 50711, Indonesia
x Corresponding author: Jalan Diponegoro No.52-60, Salatiga, 50711, Indonesia. E-mail addresses: nurajiwibowo@gmail.com
a  r  t  i  c  l  e     i  n  f  o

## a  b  s  t  r  a  c  t
Article history: Received: 14 August 2017 Received in revised form:  15 September 2017 Accepted: 14 December 2017 Available online: December 2017
Keywords: Instructional Media Environmetal Air Van der Waals Temperature Pressure
Kata Kunci: Media Pembelajaran Udara lingkungan
Van der Waals Suhu
Tekanan
EXPERIMENTAL  DESIGN  OF  CHARACTERIZATION  OF  ENVIRONMENTAL  AIR BEHAVIOR  IN  REVIEW  AS  AN  IDEAL  OR  REAL  GAS.  The  aim  of  this  study  is  to characterize  the  behavior  of  the  environmental  air  using  a  simple  method  which  can  be implemented  as  a  learning  media  in  senior  high  school  or  undergraduate  students.  The method used is experimental which combined with curve fitting. From the curve fitting step, the  behavior  of  the  air  can  be  explained.  Otherwise,  the  quantitative  data  such  as  Van  der Waals  constants  can  also  be  obtained.  From  this  study  obtained  that  the  Van  der  Waals constants, a and b, of the chosen air samples as large as (11.23 ± 0.84) J.m3/mol2 and (2.04 ± 0.15) × 10-3 m3/mol respectively. These results can be used to predict that the chosen air samples  will  act  as  an  ideal  gas  at  636.5  K  and  105  Pa  in  temperature  and  pressure respectively.
Tujuan  dari  penelitian  ini  untuk  mengetahui  perilaku  udara  sekitar  dalam  tinjauan  sebagai gas  ideal  atau  gas  nyata  dengan  metode  sederhana  yang  dapat  diterapkan  sebagai  media pembelajaran baik di tingkat perguruan tinggi maupun sekolah menengah atas. Metode yang digunakan  adalah  eksperimen  yang  dipadukan  dengan  pencocokan  kurva.  Informasi  terkait kecenderungan  perilaku  udara  sekitar  diperoleh  dari  tahapan  pencocokan  kurva.  Nilai kuantitatif  yang  berupa  konstanta  Van  der  Waals  dari  sampel  udara  sekitar  juga  dapat diperoleh dari persamaan hasil pencocokan kurva yaitu a dan b secara berturut-turut sebesar (11.23 ± 0.84) J.m3/mol2 dan (2.04 ± 0.15) × 10-3 m3/mol. Nilai konstanta yang diperoleh dapat  digunakan  untuk  memprediksi  bahwa  sampel  udara  yang  diamati  akan  berperilaku sebagai gas ideal ketika bersuhu 636.5 K dengan tekanan 105 Pa.

## 1. Pendahuluan
Sejak  satu  dekade  terakhir,  pembelajaran  sains  melalui  aktivitas  laboratorium  menjadi fokus dari berbagai pemangku kepentingan pendidikan  (Greene and Wilson, 2011; Koponen and Mäntylä, 2006; Krišťák et al., 2013). Integrasi antara pemahaman teori dengan aktivitas laboratorium diyakini mampu menumbuhkan pola berpikir ilmiah di kalangan pelajar. Proses untuk  memperoleh  dan  mengintegrasikan  fakta-fakta  ilmiah  hingga  membangun  sebuah pengetahuan  akan  suatu  fenomena  alam  dapat  secara  langsung  dialami  oleh  pelajar  selama
Scientiae Educatia: Jurnal Pendidikan Sains (2017), Vol 6 (2) : 102-110 DOI: http://dx.doi.org/10.24235/sc.educatia.v6i1.1823 Published by Tadris IPA Biologi, IAIN Syekh Nurjati Cirebon, Indonesia. p-ISSN: 2303-1530, e-ISSN: 2527-7596

## SCIENTIAE EDUCATIA: JURNAL PENDIDIKAN SAINS
Journal homepage: www.syekhnurjati.ac.id/jurnal/index.php/sceducatia http://www.syekhnurjati.ac.id/jurnal/index.php/sceducatia/article/view/1823
melakukan kerja laboratorium (Stern et al., 2017). Alasan inilah yang mendorong para tenaga pengajar untuk mengintegrasikan pembelajaran sains berbasis eksperimen.
Namun  demikian,  tidak  banyak  modul-modul  eksperimen  yang  tersedia  untuk  memenuhi kebutuhan  pembelajaran  di  setiap  topik  bahasan  dari  berbagai  level  pendidikan.  Bahkan, untuk  tingkat  perguruan  tinggi,  ketersediaan  akan  modul-modul  eksperimen  juga  terbatas (Ross  et  al.,  2005).  Padahal,  pada  aras  tersebut,  eksperimen  merupakan  metode  yang  harus dilakukan dalam proses pembelajaran untuk menghasilkan lulusan sarjana yang memiliki pola pikir ilmiah.
Salah  satu  bahasan  di  dalam  sains  yang  memerlukan  perhatian  lebih  adalah  perilaku  gas, baik gas ideal maupun gas nyata. Bahasan ini seringkali menjadi hal yang abstrak di kalangan pelajar (Kibar et al., 2013).  Topik ini menjadi sulit dipahami (Kautz et al., 2005) dan hanya menjadi sebuah kelas teori karena objek tidak bisa teramati secara langsung. Penelitian terkait metode pembelajaran dengan topik perilaku  gas terus-menerus dilakukan untuk  memperoleh hasil pembelajaran  yang optimal  (Aydeniz et  al.,  2012;  Ayyıldız and Tarhan, 2013;  Roehrig and Garrow, 2007; Schuttlefield et al., 2012).
Untuk  mempelajari  perilaku  gas,  terdapat  tiga  tahapan  pemahaman  yang  harus  dilalui, yaitu  makroskopis,  mikroskopis,  dan  simbolisasi  (Hammar,  2013).  Pada  level  terakhir  yang disebutkan,  perilaku  gas  akan  dinyatakan  dalam  bentuk  persamaan  matematis.  Sebagai pengajar,  level  ini  sangat  penting  untuk  menjadi  perhatian  karena  seringnya  pelajar  hanya menghafalkan  persamaan-persamaan  matematis  yang  ada  tanpa  mengetahui  dari  mana  asal- usulnya.  Oleh  karena  itu,  di  dalam  makalah  ini,  pembahasan  akan  difokuskan  pada  metode pembelajaran di level simbolisasi melalui eksperimen dengan topik perilaku gas ideal dan gas nyata.
Makalah ini akan menyajikan desain eksperimen untuk mengetahui perilaku udara sekitar dalam  tinjauan  sebagai  gas  ideal  atau  gas  nyata.  Metode  eksperimen  yang  dipergunakan cukup  sederhana  dan  mudah  diterapkan  baik  di  aras  perguruan  tinggi  maupun  sekolah menengah atas.

## 2. Metode Penelitian
Pengumpulan data dilakukan dengan cara observasi langsung melalui dua tahap penelitian. Pada tahap pertama, tekanan dan volume dari sampel udara lingkungan diukur pada keadaan isotermal.  Skema  eksperimen  tahap  pertama  ditunjukkan  oleh  Gambar  1.  Pada  tahap  ini,
antara  sistem  (udara  di  dalam  alat  suntik)  dan  lingkungan  (ruangan)  tidak  dibatasi  oleh isolator  panas  sehingga  dimungkinkan  untuk  terjadi  pertukaran  panas  yang  mengakibatkan sistem  dan  lingkungan  mengalami  kesetimbangan  termal.  Karena  ukuran  sistem  jauh  lebih kecil dibanding lingkungan, maka perubahan kecil suhu pada sistem tidak berdampak secara signifikan  terhadap  suhu  kesetimbangan  sistem-lingkungan,  sehingga  dapat  dianggap  bahwa suhu  sistem  selalu  tetap.  Peralatan  yang  dipergunakan  diantaranya  adalah  komputer  yang sudah terinstal dengan perangkat lunak Logger Lite, antar-muka Vernier dengan kemampuan pembacaan 12.000 sampel per detik, sensor tekanan Vernier dengan ketelitian ±4 kPa, dan Kit Eksperimen  Panas  dan  Kalor  yang  diproduksi  oleh  Pudak  Scientific.  Mula-mula,  klep  alat suntik  diatur  pada  angka  10  mL.  Selanjutnya  tuas  alat  suntik  ditarik  atau  ditekan  sehingga klep  tersebut  menunjukkan  angka  4  mL,  5  mL,  6  mL,  dan  seterusnya  hingga  angka  20  mL. Nilai tekanan yang dihasilkan dari setiap volume tersebut dicatat.
Gambar 1. Skema Eksperimen Tahap Pertama
Pada  tahap  kedua,  tekanan  dan  suhu  dari  sampel  udara  lingkungan  diukur  pada  keadaan isokhorik.  Skema  eksperimen  tahap  kedua  ditunjukkan  oleh  Gambar  2.  Wadah  yang digunakan  sebagai  pembatas  antara  sistem  dan  lingkungan  merupakan  benda  kaku  (terbuat dari  kaca)  yang  mana  bila  dikenai  tekanan  tidak  mengalami  perubahan  volume  secara signifikan, sehingga dapat dianggap bahwa volume sistem selalu tetap. Pada tahap ini, media air  digunakan  sebagai  lingkungan  untuk  memanaskan  udara  di  dalam  gelas  erlenmayer.  Hal ini bertujuan untuk meminimalkan kontak antara sistem dan udara luar, sehingga didapatkan pengukuran  suhu  yang  lebih  akurat.  Selain  apa  yang  sudah  dipergunakan  pada  tahapan sebelumnya,  peralatan  yang  dipergunakan  dalam  tahapan  ini  adalah  sensor  suhu  Vernier dengan  ketelitian  ±0,5  °C.  Pada  tahapan  ini,  air  di  dalam  gelas  ukur  dipanaskan    hingga
Sensor Tekanan Vernier Alat suntik Komputer Kabel USB Interface Vernier
mencapai suhu 60 °C. Selama proses pemanasan, tekanan dan suhu gas di dalam erlenmayer akan terekam secara real-time di komputer.
Gambar 2. Skema Eksperimen Tahap Kedua
Serangkaian  data  yang  sudah  diperoleh  dianalisis  dengan  cara  pencocokan  kurva  ( curve fitting ).  Dengan  pencocokan  kurva,  informasi  yang  hilang  sebagai  akibat  dari  keterbatasan data  eksperimen  dapat  diatasi  (Noor  et  al.,  2015).  Metode  pencocokan  kurva  banyak dipergunakan untuk memodelkan perilaku dari serangkaian data guna memperoleh informasi yang  lebih  mendalam  dari  suatu  hasil  eksperimen  yang  terbatas  (Lukšič  et  al.,  2014; Metsämäki  et  al.,  2002;  Saaban  et  al.,  2015;  Said  and  Al-ameeri,  1987;  Shao  et  al.,  2014).
Untuk  pencocokan  dengan  perilaku  gas  ideal,  maka  digunakan  persamaan  kurva 1 P AV   dengan P adalah  tekanan, V adalah  volume,  dan A adalah  konstanta.  Sedangkan  untuk pencocokan dengan perilaku gas nyata, digunakan persamaan gas   2     P AV B V C dan A , B ,  dan C merupakan  konstanta  hasil  dari  pencocokan  kurva.  Persamaan  yang  terakhir disebut merupakan bentuk dasar dari persamaan gas nyata Van der Waals dengan A , B , dan C secara berturut-turut mewakili n 2 a , nRT , dan nb . Persamaan gas Van der Waals dipilih karena cukup representative untuk digunakan sebagai acuan perilaku dari gas nyata (Berberan-Santos et  al.,  2008;  de  Visser,  2011).  Perilaku  gas  diperoleh  dengan  mengamati  simpangan  antara distribusi data dengan kurva-kurva dari persamaan gas yang dijadikan model.
Komputer Interface Vernier Sensor Tekanan Vernier Pemanas Peny angg a Sensor Suhu Vernier Tabung berisi udara lingkungan Selang Kabel USB Wadah berisi air

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Keterkaitan Tekanan Udara Lingkungan Terhadap Volume
Gambar 3. Perubahan Tekanan Terhadap Volume dari Sampel Udara Lingkungan Dari  eksperimen  yang  dilakukan  diperoleh  data  keterkaitan  antara  tekanan  dan  volume sampel  udara  lingkungan  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  3.  Dapat  dilihat  bahwa  seiring dengan  kenaikan  volume,  tekanan  udara  lingkungan  cenderung  semakin  kecil.  Berdasarkan hasil pencocokan kurva, dapat dilihat bahwa data yang diperoleh lebih cocok didekati dengan menggunakan persamaan Van der Waals dibanding persamaan gas ideal. Hal ini ditunjukkan oleh nilai Root Mean Square Error (RMSE) dari persamaan Van der Waals yang lebih kecil yaitu  hanya  sebesar  399.3  dibandingkan  dengan  nilai  RMSE  dari  persamaan  gas  ideal  yang mencapai  6216.  Hasil  ini  mengindikasikan  bahwa  udara  lingkungan  pada  suhu  ruangan (terukur  300  K)  cenderung  berperilaku  sebagai  gas  nyata  dibanding  sebagai  gas  ideal. Persamaan 1 merupakan persamaan hasil pencocokan kurva dengan menggunakan pendekatan persamaan Van der Waals dengan P adalah tekanan (Pa) dan V adalah volume (m 3 ). Melalui perbandingan  dengan  persamaan  Van  der  Waals,  diperoleh  informasi  bahwa  nilai  1.06, 8.68×10 -7 , dan 2.03×10 -6 menunjukkan nilai dari nRT , nb , dan n 2 a . Dari konstanta-konstanta tersebut  diperoleh nilai  konstanta Van  der Waals dari sampel udara sekitar adalah a sebesar (11.23 ± 0.84) J·m 3 /mol 2 dan b sebesar (2.04 ± 0.15) × 10 -3 m 3 /mol. Nilai a merupakan faktor koreksi  penurunan  tekanan  akibat  adanya  gaya  antar  molekul  udara  lingkungan,  sedangkan nilai b menunjukkan faktor koreksi volume udara lingkungan.
Van der Waals
Gas Ideal P = 1,06/ V P V Data
6 7 2
1.06 2.03 10
8.68 10
  
                P V V (1) 1.06  P V
(2)
Untuk  mengidentifikasi  jenis  interaksi  antar  partikel  yang  terjadi  di  dalam  sampel  udara, maka diperlukan persamaan  gas  ideal  dari sampel  tersebut  pada keadaan  yang sama sebagai pembanding. Persamaan gas ideal dari sampel udara yang diteliti diberikan oleh Persamaan 2. Terlihat dari Gambar 3 bahwa besarnya tekanan udara lingkungan cenderung berada di bawah tekanan sampel udara ketika berperilaku sebagai gas ideal. Hal ini menunjukkan bahwa pada suhu  300  K,  terjadi  interaksi  tarik-menarik  antar  partikel  dari  sampel  udara  yang  diteliti sehingga mengurangi tekanan total yang diberikan oleh udara tersebut.

## 3.2 Keterkaitan Tekanan Udara Lingkungan Terhadap Suhu
Dari  eksperimen  tahap  kedua  diperoleh  data  keterkaitan  antara  tekanan  dan  suhu  udara lingkungan  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  4.  Dari  Gambar  4  terlihat  bahwa  seiring  dengan kenaikan suhu, tekanan udara lingkungan juga cenderung semakin besar. Secara lebih khusus teramati  pula  bahwa  kenaikan  tekanan  ini  cenderung  bersifat  linear  terhadap  peningkatan suhu. Berdasarkan hasil pencocokan kurva, distribusi data yang diperoleh pada tahap ini juga lebih  cocok  didekati  dengan  menggunakan  persamaan  Van  der  Waals  dibanding  persamaan gas  ideal.  Hasil  pencocokan  kurva  dengan  menggunakan  persamaan  Van  der  Waals ditunjukkan  oleh  Persamaan  3  dengan P adalah  tekanan  (Pa)  dan T adalah  suhu  (K). Persamaan  ini  menunjukkan  adanya  linearitas  perubahan  tekanan  terhadap  suhu.  Selain  itu, dapat  diprediksi  pula  bahwa tekanan udara lingkungan  akan bernilai  sebesar (26.530 ±  380) Pa pada suhu 0 K.
  224.2 26.530   P T (3)
Gambar 4. Perubahan Tekanan Udara Terhadap Suhu dari Sampel Udara Lingkungan Manfaat  lebih  jauh  dari  hasil  eksperimen  ini  adalah  dimungkinkannya  prediksi  terhadap perilaku udara sekitar pada keadaan yang lain dengan memanfaatkan nilai konstanta Van der Waals  yang  diperoleh.  Sebagai  contoh,  dari  nilai a dan b yang  diperoleh  pada  proses pencocokan kurva, sampel udara yang diteliti ini diprediksi akan berperilaku sebagai gas ideal ketika berada pada keadaan dengan tekanan dan suhu secara berturut-turut sebesar 10 5 Pa dan 636.5 K.

## 4. Simpulan
Telah  dilakukan  eksperimen  sederhana  untuk  karakterisasi  perilaku  udara  lingkungan dengan  menganalisa  kurva  hasil  pengukuran  antara  tekanan-volume  dan  tekanan-suhu. Melalui  metode  pencocokan  kurva  diperoleh  bahwa  tekanan  dari  sampel  udara  lingkungan, selain  dipengaruhi  oleh  volume,  juga  meningkat  secara  linear  terhadap  suhu.  Pada  suhu ruangan  (terukur  300  K),  udara  lingkungan  cenderung  berperilaku  sebagai  gas  nyata  dan memenuhi persamaan Van der Waals dengan nilai konstanta, a = (11.23 ± 0.84) J·m 3 /mol 2 dan b = (2.04 ± 0.15) × 10 -3 m 3 /mol. Dapat diprediksi pula bahwa pada tekanan 10 5 Pa dan suhu 636.5 K, sampel udara berperilaku sebagai gas ideal.
Van der Waals Gas Ideal T P Data

## Daftar Pustaka
Aydeniz,  M.,  Pabuccu,  A.,  Cetin,  P.S.,  &  Kaya,  E.  (2012).  Argumentation  and  students’ conceptual  understanding  of  properties  and  behaviors  of  gases. International  Journal  of Science and Mathematical Education . 10, 1303–1324. DOI: 10.1007/s10763-012-9336-1 Ayyıldız, Y., & Tarhan, L. (2013). Case study applications in chemistry lesson: gases, liquids, and solids. Chem. Educ. Res. Pract . 14, 408–420. DOI: 10.1039/C3RP20152J Berberan-Santos,  M.N.,  Bodunov,  E.N.,  &  Pogliani,  L.(2008).  The  van  der  Waals  equation: analytical and approximate solutions. Journal of Mathematical Chemistry . 43, 1437–1457. DOI: 10.1007/s10910-007-9272-4
De  Visser,  S.P.  (2011).  Van  der  Waals  equation  of  state  revisited:  importance  of  the dispersion correction. J. Phys. Chem . B 115, 4709–4717. DOI: 10.1021/jp200344e Greene, C.A., Wilson, P.S. (2011). Laboratory investigation of a passive acoustic method for measurement  of  underwater  gas  seep  ebullition. The Journal  of  the  Acoustical  Society  of America . 131, EL61–EL66. DOI: 10.1121/1.3670590
Hammar,  M.  (2013).  Teaching  the  gas  properties  and  gas  laws:  an  inquiry  unit  with alternative  assessment.  Diss.  Masters  Theses  Masters  Rep.  -  Open.  Available  online: http://digitalcommons.mtu.edu/etds/698/
Kautz,  C.H.,  Heron,  P.R.L.,  Loverude,  M.E.,  &  McDermott,  L.C.  (2005).  Student understanding  of  the  ideal  gas  law,  part  I:  a  macroscopic  perspective. Am.  J.  Phys .  73, 1055–1063. DOI: 10.1119/1.2049286
Kibar,  Z.B.,  Yaman,  F.,  &  Ayas,  A.  (2013).  Assessing  prospective  chemistry  teachers’ understanding of gases through qualitative and quantitative analyses of their concept maps. Chem. Educ. Res. Pract . 14, 542–554. DOI: 10.1039/C3RP00052D
Koponen,  I.T.,  &  Mäntylä,  T.  (2006).  Generative  role  of  experiments  in  physics  and  in teaching  physics:  a  suggestion  for  epistemological  reconstruction. Sci.  Educ. 15,  31–54. DOI: 10.1007/s11191-005-3199-6
Krišťák, Ľ., Němec, M., Ján, S., & Zuzana, D. (2013).  Interactive P&E method in  teaching physics at secondary schools. Journal of Technology and Information Education 5, 42–50. DOI: 10.5507/jtie.2013.006
Lukšič,  M.,  Fennell,  C.J.,  &  Dill,  K.A.  (2014).  Using  interpolation  for  fast  and  accurate calculation  of  ion–ion  interactions. J.  Phys.  Chem. B  118,  8017–8025.  DOI: 10.1021/jp501141j
Metsämäki,  S.,  Vepsäläinen,  J.,  Pulliainen,  J.,  &  Sucksdorff,  Y.  (2002).  Improved  linear interpolation  method  for  the  estimation  of  snow-covered  area  from  optical  data. Remote Sens. Environ . 82, 64–78. DOI: 10.1016/S0034-4257(02)00025-1
Noor, N.M., Abdullah, A.B., Mustafa, M., Yahaya, A.S., & Ramli, N.A. (2015). Comparison of  linear  interpolation  method  and  mean  method  to  replace  the  missing  values  in environmental data set. Mater. Sci. Forum 803, 278–281. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.803.278
Roehrig,  G.,  &  Garrow,  S.  (2007).  The  impact  of  teacher  classroom  practices  on  student achievement  during  the  implementation  of  a  reform ‐ based  chemistry  curriculum. Int.  J. Sci. Educ . 29, 1789–1811. DOI: 10.1080/09500690601091865
Ross, S.M., Morrison, G.R., & Lowther, D.L., (2005). Using experimental methods in higher education research. J. Comput. High. Educ. 16, 39–64. DOI: 10.1007/BF02961474
Saaban, A., Zainudin, L., & Bakar, M.N.A. (2015). Evaluation of linear interpolation method for missing value on solar radiation dataset in Perlis. AIP Conf. Proc. 1660, 050024. DOI:
10.1063/1.4915657
Said,  A.S.,  &  Al-ameeri  R.  S.  (1987).  Curve  fitting  in  science  and  technology. Sep.  Sci. Technol . 22, 65–84. DOI: 10.1080/01496398708056158
Schuttlefield,  J.D.,  Kirk,  J.,  Pienta,  N.J.,  &  Tang,  H.  (2012).  Investigating  the  effect  of complexity  factors  in  gas  law  problems. J.  Chem.  Educ .  89,  586–591.  DOI: 10.1021/ed100865y
Shao,  C.,  Fang,  F.,  Bai,  F.,  &  Wang,  B.  (2014).  An  interpolation  method  combining  snurbs with window interpolation adjustment. IEEE, pp. 176–179. DOI: 10.1109/ICIST.2014.6920359
Stern,  C.,  Echeverría,  C.,  &  Porta,  D.  (2017).  Teaching  Physics  through  Experimental Projects. Procedia  IUTAM,  24th  International  Congress  of  Theoretical  and  Applied Mechanics 20, 189–194. DOI: 10.1016/j.piutam.2017.03.026