Gas

Gas adalah salah satu dari empat wujud dasar materi (lainnya adalah padat, cairan, dan plasma). Gas murni dapat tersusun dari atom (misalnya gas mulia seperti neon), molekul elemen yang tersusun dari satu jenis atom (misalnya oksigen), atau molekul senyawa yang tersusun dari berbagai macam atom (misalnya karbon dioksida). Campuran gas akan mengandung beragam gas murni seperti udara. Hal yang membedakan gas dari cairan dan padat adalah pemisahan partikel gas yang sangat besar. Pemisahan ini biasanya membuat gas tak berwarna menjadi tak terlihat oleh pengamatan manusia. Interaksi partikel gas dengan adanya medan listrik dan medan gravitasi dapat diabaikan seperti ditunjukkan oleh vektor kecepatan konstan pada gambar. Salah satu jenis gas yang umum dikenal adalah kukus.
Materi berwujud gas dijumpai antara wujud cairan dan plasma, yang terakhir memberikan batas suhu atas untuk gas. Batas bawah skala suhu terletak gas kuantum degeneratif yang mendapatkan perhatian meningkat. Gas atom dengan berdensitas tinggi yang didinginkan super pada suhu sangat rendah diklasifikasikan menurut perilaku statistiknya baik sebagai gas Bose atau gas Fermi. Untuk daftar lengkap wujud materi eksotis ini lihat daftar wujud materi.

Gas unsur

Unsur kimia yang membentuk molekul homonuklir diatomik pada STP hanyalah hidrogen (H₂), nitrogen (N₂), oksigen (O₂), dan dua halogen: fluor (F₂) dan klor (Cl₂). Ketika dikelompokkan bersama-sama dengan gas mulia monoatomik – helium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), dan radon (Rn) – gas-gas ini disebut sebagai "gas unsur" atau "gas elemental". Alternatifnya, mereka kadang-kadang dikenal sebagai "gas molekuler" untuk membedakannya dari molekul yang juga senyawa kimia.

Etimologi

Istilah gas pertama kali digunakan pada awal abad ke-17 oleh kimiawan Flandria J.B. van Helmont. Istilah van Helmont muncul untuk menyederhanakan transkripsi fonetik istilah bahasa Yunani kuno χάος Khaos – g dalam bahasa Belanda diucapkan seperti kh dalam "akhir" – dalam hal ini Van Helmont hanya mengikuti penggunaan alkimia mapan yang pertama kali dibuktikan dalam karya Paracelsus. Menurut terminologi Paracelsus, khaos berarti sesuatu seperti "air ultra-langka".
Kisah lainnya adalah bahwa kata-kata van Helmont terpotong dari gahst (atau geist), yang artinya hantu atau arwah. Ini karena gas tertentu menggambarkan asal mula supernatural, seperti dari kemampuan mereka menyebabkan kematian, memadamkan api, dan terjadi di "tambang, dasar sumur, halaman gereja dan tempat-tempat sepi lainnya".

Karakteristik fisik

Oleh karena sebagian besar gas sulit untuk diamati secara langsung, mereka digambarkan melalui empat sifat fisik atau karakteristik makroskopis: tekanan, volume, jumlah partikel (kimiawan mengelompokkannya dengan mol) dan suhu. Empat karakteristik ini berulang-ulang diamati oleh para ilmuwan seperti Robert Boyle, Jacques Charles, John Dalton, Joseph Gay-Lussac dan Amedeo Avogadro untuk beragam gas dalam berbagai situasi. Studi terperinci mereka pada akhirnya menghasilkan hubungan matematis di antara sifat-sifat ini yang dinyatakan melalui hukum gas ideal (lihat bagian model yang disederhanakan di bawah ini).
Partikel gas dipisahkan berjauhan satu sama lain, dan akibatnya, memiliki ikatan antarmolekul yang lebih lemah daripada cairan atau padatan. Gaya antarmolekul ini dihasilkan dari interaksi elektrostatik antar partikel gas. Daerah gas bermuatan sejenis dengan partikel gas yang berbeda saling tolak-menolak, sementara daerah yang bermuatan berbeda saling tarik menarik satu sama lain; gas yang mengandung ion bermuatan permanen dikenal sebagai plasma. Senyawa gas dengan ikatan kovalen polar mengandung ketidakseimbangan muatan permanen dan dengan demikian mengalami gaya antarmolekul yang relatif kuat, walaupun muatan bersih senyawanya tetap netral. Sementara itu, muatan yang diinduksi secara acak berada pada molekul berikatan kovalen non-polar dan interaksi elektrostatik yang disebabkan olehnya disebut sebagai gaya Van der Waals. Interaksi gaya antarmolekul ini bervariasi di dalam zat yang menentukan banyak sifat fisik yang unik untuk setiap gas. Perbandingan titik didih untuk senyawa yang terbentuk oleh ikatan ionik dan kovalen membawa kita pada kesimpulan ini. Partikel asap yang bergerak melayang pada gambar memberikan beberapa wawasan tentang perilaku gas bertekanan rendah.
Dibandingkan wujud materi lainnya, gas memiliki densitas dan viskositas rendah. Tekanan dan suhu mempengaruhi partikel dalam volume tertentu. Variasi pemisahan dan kecepatan partikel ini disebut sebagai kompresibilitas. Pemisahan dan ukuran partikel ini mempengaruhi sifat optik gas seperti dapat ditemukan dalam daftar indeks bias berikut. Akhirnya, partikel gas menyebar terpisah atau berdifusi agar terdistribusi secara merata ke seluruh wadah.

Makroskopis

Saat mengamati gas, biasanya ditentukan menggunakan kerangka acuan atau skala panjang. Skala panjang yang lebih besar sesuai dengan skala makroskopis atau sudut pandang global gas. Wilayah ini (disebut volume) ukurannya harus cukup dalam untuk menampung sampel partikel gas yang besar. Analisis statistik yang dihasilkan dari ukuran sampel ini menghasilkan perilaku "rata-rata" (yaitu kecepatan, suhu atau tekanan) dari semua partikel gas di wilayah ini. Sebaliknya, skala panjang yang lebih kecil sesuai dengan skala mikroskopis atau sudut pandang partikel.
Secara makro, karakteristik gas yang diukur adalah dari segi partikel gas itu sendiri (kecepatan, tekanan, atau suhu) ataupun sekelilingnya (volume). Sebagai contoh, sebagian kecil karier Robert Boyle adalah mempelajari kimia pneumatik. Salah satu eksperimennya menyangkut sifat makroskopis tekanan dan volume gas. Eksperimennya menggunakan manometer tabung J yang terlihat seperti tabung reaksi berbentuk huruf J. Boyle memerangkap gas lembam dengan kolom raksa pada ujung tertutup tabung reaksi, sehingga membuat jumlah partikel dan suhu konstan. Ia mengamati bahwa ketika tekanan dalam gas dinaikkan, dengan menambahkan lebih banyak raksa pada kolom, volume gas yang terperangkap menurun (ini dikenal sebagai hubungan terbalik). Lebih lanjut, ketika Boyle mengalikan tekanan dan volume setiap pengamatan, hasilnya adalah konstan. Hubungan ini berlaku untuk setiap gas yang diamati oleh Boyle sehingga mengarah pada hukum Boyle, , yang dinamakan sesuai namanya untuk menghormati karyanya pada bidang ini.
Tersedia banyak instrumen matematika untuk menganalisis sifat-sifat gas. Karena kondisi gas yang ekstrim, instrumen-instrumen ini menjadi sedikit lebih kompleks, dari persamaan Euler untuk aliran tanpa viskositas sampai persamaan Navier–Stokes yang sepenuhnya memperhitungkan efek viskositas. Persamaan-persamaan ini diadaptasi ke kondisi sistem gas yang dipertanyakan. Peralatan laboratorium Boyle memungkinkan penggunaan aljabar untuk memperoleh hasil analisisnya. Hasilnya dimungkinkan karena ia melakukan studi gas-gas dalam situasi tekanan yang relatif rendah, situasi yang membuat gas-gas tersebut berperilaku "ideal". Hubungan ideal ini diterapkan pada perhitungan keselamatan untuk beragam kondisi penerbangan pada material yang digunakan. Peralatan berteknologi tinggi yang digunakan saat ini dirancang untuk membantu kita mengeksplorasi secara aman lingkungan operasi eksotis di mana gas-gas tidak lagi berperilaku "ideal". Matematika tingkat tinggi ini, termasuk statistika dan kalkulus multivariabel, memungkinkan penyelesaian situasi dinamis yang kompleks seperti masuknya pesawat ulang-alik kembali ke Bumi. Contohnya adalah analisis gambaran masuknya pesawat ulang-alik ke atmosfer Bumi untuk memastikan sifat bahan cocok di bawah kondisi ekstrem semacam itu. Dalam kawasan penerbangan ini, gas tidak lagi berperilaku ideal.

Tekanan

Simbol atau lambang yang digunakan untuk mewakili tekanan dalam persamaan adalah p atau P dengan satuan SI Pascal.
Ketika menjelaskan satu wadah gas, istilah tekanan (atau tekanan absolut) merujuk pada gaya rata-rata per satuan luas yang dberikan oleh gas pada permukaan wadah. Dalam volume ini, kadang-kadang lebih mudah memvisualisasikan partikel gas bergerak dalam garis lurus sampai mereka menumbuk dinding wadah (lihat diagram di atas artikel ini). Gaya yang diberikan oleh partikel gas kepada wadah saat tumbukan ini adalah perubahan momentum partikel. Saat terjadi tumbukan, hanya kecepatan komponen normal yang berubah. Partikel yang bergerak sejajar dengan dinding tidak mengalami perubahan momentum ini. Oleh karena itu, gaya rata-rata pada permukaan dinding wadah harus merupakan rata-rata perubahan momentum linier dari seluruh tumbukan partikel gas ini.
Tekanan adalah jumlah seluruh gaya komponen normal yang diberikan oleh partikel yang menabrak dinding wadah dibagi dengan luas permukaan dinding.

Suhu

Simbol atau lambang yang digunakan untuk menandakan suhu dalam persamaan adalah T dengan satuan SI kelvin.
Laju partikel gas berbanding lurus dengan suhu absolutnya. Volume balon dalam video menyusut saat partikel gas yang terperangkap melambat dengan penambahan nitrogen yang sangat dingin. Suhu dari setiap sistem fisik berhubungan dengan gerakan partikel (molekul dan atom) yang membentuk sistem [gas]. Dalam mekanika statistika, suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata yang tersimpan dalam partikel. Metode penyimpanan energi ini didikte oleh derajat kebebasan partikel itu sendiri (moda energi). Energi kinetik yang ditambahkan (proses endotermik) pada partikel gas melalui tumbukan menghasilkan gerakan linier, rotasi, dan vibrasi. Sebaliknya, penambahan panas pada molekul padatan hanya dapat meningkatkan moda vibrasinya karena struktur kristal kisi mencegah gerak linier maupun rotasi. Molekul gas yang dipanaskan ini memiliki rentang kecepatan lebih besar yang selalu bervariasi karena konstan bertumbukan dengan partikel lain. Rentang kecepatan dapat digambarkan dengan distribusi Maxwell-Boltzmann. Penggunaan distribusi ini menyiratkan gas ideal di dekat kesetimbangan termodinamika untuk sistem partikel yang dipertimbangkan.

Volume spesifik

Simbol yang digunakan untuk mewakili volume spesifik dalam persamaan adalah "v" dengan satuan SI meter kubik per kilogram (m³/kg).
Simbol yang digunakan untuk mewakili volume dalam persamaan adalah "V" dengan satuan SI meter kubik (m³).
Saat melakukan analisis termodinamika, biasanya dibahas tentang sifat ekstensif dan intensif. Sifat yang bergantung pada jumlah gas (baik massa maupun volume) disebut sifat ekstensif, sedangkan sifat yang tidak bergantung pada jumlah gas disebut sifat intensif. Volume spesifik adalah contoh sifat intensif karena ini adalah rasio volume terhadap satuan massa gas yang identik di seluruh sistem pada kesetimbangan. Seribu atom gas menempati ruang yang sama seperti 1000 atom lainnya pada suhu dan tekanan tertentu. Konsep ini lebih mudah divisualisasikan untuk padatan seperti besi yang tak termampatkan dibandingkan gas. Volume adalah sifat ekstensif, karena gas mengisi wadah mana pun yang ditempatinya.

Densitas

Simbol yang digunakan untuk merepresentasikan densitas dalam persamaan adalah ρ (rho) dengan satuan SI kilogram per meter kubik. Istilah ini adalah balikan perkalian dari volume spesifik.
Massa gas biasanya dikarakterisasi melalui densitasnya, karena molekul-molekul gas dapat bergerak bebas di dalam wadah. Densitas adalah jumlah massa per satuan volume suatu zat, atau kebalikan dari volume spesifik. Untuk gas, densitasnya bisa bervariasi dalam rentang yang luas karena partikelnya bebas bergerak mendekat saat terkendala oleh tekanan atau volume. Variasi densitas ini disebut sebagai kompresibilitas. Seperti tekanan dan suhu, densitas adalah variabel keadaan gas dan perubahan densitas selama proses apapun diatur oleh hukum termodinamika. Untuk gas statis, densitasnya sama di seluruh wadah. Oleh karena itu, densitas merupakan kuantitas skalar. Hal ini dapat ditunjukkan oleh teori kinetika bahwa densitas berbanding terbalik dengan ukuran wadah di mana ada keterbatasan massa gas tetap. Dalam kasus massa tetap ini, densitasnya berkurang saat volume meningkat.

Mikroskopis

Jika seseorang bisa mengamati gas di bawah mikroskop yang kuat, dia akan melihat kumpulan partikel (molekul, atom, ion, elektron, dan lain-lain) tanpa bentuk atau volume yang pasti, yang berada dalam gerak yang kurang lebih acak. Partikel gas netral ini hanya mengubah arah saat bertabrakan dengan partikel lain atau menumbuk sisi wadah. Pada gas ideal, tumbukan ini sangat elastis. Tampilan partikel atau mikroskopis gas ini dijelaskan oleh teori kinetika gas. Asumsi di balik teori ini dapat ditemukan di bagian postulat Teori Kinetika.

Teori kinetika

Teori kinetika memberi wawasan tentang sifat makroskopis gas dengan mempertimbangkan komposisi dan gerak molekulnya. Dimulai dengan definisi momentum dan energi kinetik, seseorang dapat menggunakan kekekalan momentum dan hubungan geometrik sebuah kubus untuk menghubungkan sifat sistem makroskopis suhu dan tekanan dengan sifat mikroskopis energi kinetik per molekul. Teori ini memberikan nilai rata-rata untuk kedua sifat ini.
Teori ini juga menjelaskan cara sistem gas merespon perubahan. Sebagai contoh, saat gas dipanaskan dari nol mutlak, ketika berada dalam keadaan diam sempurna (teori), maka energi dalam (suhu)nya meningkat. Saat gas dipanaskan, laju partikel dipercepat dan suhu naik. Hal ini menghasilkan jumlah tumbukan dengan wadah per satuan waktu menjadi lebih besar karena laju partikel menjadi lebih tinggi terkait dengan kenaikan suhu. Kenaikan tekanan berbanding lurus dengan jumlah tumbukan per satuan waktu.

Gerak Brown

Gerak Brown adalah model matematis yang digunakan untuk menggambarkan gerakan acak partikel yang tersuspensi dalam fluida. Animasi partikel gas, menggunakan partikel pink dan hijau, menggambarkan bagaimana perilaku ini berakibat pada penyebaran gas (entropi). Peristiwa ini juga dijelaskan dalam teori partikel.
Oleh karena untuk mengamati partikel gas (atom atau molekul) berada pada (atau melebihi) batas teknologi saat ini, hanya perhitungan teoretis yang dapat memberikan saran tentang gerakannya, tetapi gerak mereka berbeda dengan gerak Brown karena gerak Brown melibatkan kelenturan yang mulus karena kekuatan gesekan banyak molekul gas, diselingi oleh benturan keras antar (beberapa) molekul gas dengan partikelnya. Oleh karena iti, partikel (umumnya terdiri dari jutaan atau miliaran atom) bergerak zig-zag, namun tidak begitu zig-zag seperti yang diharapkan jika diamati molekul gas individual.

Gaya antarmolekul

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, gaya tarik (atau tolak) sesaat antar partikel berpengaruh pada dinamika gas. Dalam kimia fisika, gaya antarmolekul ini dinamakan gaya van der Waals. Gaya ini memainkan peran kunci dalam menentukan sifat fisika gas seperti viskositas dan laju aliran (lihat bagian karakteristik fisik). Mengabaikan gaya ini dalam kondisi tertentu (lihat Teori kinetika gas) memungkinkan gas nyata diperlakukan seperti gas ideal. Asumsi ini memungkinkan penggunaan hukum gas ideal yang sangat menyederhanakan perhitungan.
Penggunaan yang tepat hubungan gas ini membutuhkan teori kinetika gas. Bila partikel gas memiliki muatan magnetik atau gaya antarmolekul, mereka berangsur-angsur mempengaruhi satu sama lain karena jarak antar keduanya berkurang (model ikatan hidrogen adalah salah satu contohnya). Dengan tidak adanya muatan apapun, pada titik tertentu ketika jarak antara partikel gas sangat berkurang, mereka tidak dapat lagi menghindari tumbukan di antara mereka sendiri pada suhu gas normal. Kasus lain untuk meningkatkan tumbukan di antara partikel gas akan mencakup volume gas tetap, yang pada saat pemanasan akan mengandung partikel yang sangat cepat. Ini berarti bahwa persamaan ideal ini memberikan hasil yang masuk akal kecuali untuk kondisi tekanan tinggi (termampatkan) atau suhu tinggi (terionisasi). Perlu diperhatikan bahwa semua kondisi pengecualian ini memungkinkan perpindahan energi berlangsung dalam sistem gas. Tidak adanya transfer internal inilah yang disebut sebagai kondisi ideal dimana pertukaran energi hanya terjadi pada batas-batas sistem. Gas nyata mengalami beberapa tumbukan dan gaya antarmolekul ini. Bila tabrakan ini secara statistik dapat diabaikan (tak termampatkan), hasil dari persamaan ideal ini masih berarti. Jika partikel gas dimampatkan hingga berdekatan, mereka berperilaku lebih seperti cairan (lihat dinamika fluida).

Model yang disederhanakan

Persamaan keadaan (untuk gas) adalah model matematis yang digunakan untuk mendeskripsikan atau memprediksi secara kasar sifat keadaan suatu gas. Saat ini, tidak ada persamaan tunggal yang secara akurat dapat memprediksi sifat semua gas dalam semua kondisi. Oleh karena itu, sejumlah persamaan keadaan yang jauh lebih akurat telah dikembangkan untuk gas pada suhu dan rentang tekanan tertentu. "Model gas" yang paling banyak dibahas adalah "gas sempurna", "gas ideal" dan "gas nyata". Masing-masing model ini memiliki seperangkat asumsi tersendiri untuk memudahkan analisis sistem termodinamika yang diberikan. Setiap model yang berurutan memperluas rentang cakupan suhu yang akan diterapkan.

Kompresibilitas

Para ahli termodinamika menggunakan faktor ini (Z) untuk mengubah persamaan gas ideal agar dapat memperhitungkan efek kompresibilitas gas nyata. Faktor ini mewakili rasio volume spesifik aktual terhadap ideal. Kadang-kadang disebut sebagai "faktor pembenar" atau koreksi untuk memperluas jangkauan manfaat hukum gas ideal dengan tujuan perancangan. Biasanya nilai Z ini sangat mendekati seragam. Gambar faktor kompresibilitas menggambarkan Z yang bervariasi pada rentang suhu yang sangat dingin.

Bilangan Reynolds

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio gaya inersia (vₛρ) terhadap gaya kental (μ/L). Ini merupakan salah satu bilangan nirdimensi paling penting dalam dinamika fluida dan digunakan, biasanya bersama dengan bilangan nirdimensi lainnya, untuk memberikan kriteria pada penentuan kemiripan dinamika. Oleh karena itu, bilangan Reynolds menyediakan hubungan antara hasil pemodelan (desain) dan kondisi aktual berskala penuh. Ini juga dapat digunakan untuk mengkarakterisasi aliran.

Viskositas

Viskositas, sifat fisik, adalah ukuran seberapa baik molekul yang berdekatan menempel satu sama lain. Padatan bisa menahan gaya geser karena kekuatan gaya antarmolekul yang lengket ini. Fluida akan terus berubah bentuk bila mengalami beban serupa. Sementara gas memiliki nilai viskositas lebih rendah daripada cairan, ia tetap merupakan sifat yang dapat diamati. Jika gas tidak memiliki viskositas, maka mereka tidak akan menempel pada permukaan sayap dan membentuk lapisan batas. Sebuah studi tentang sayap delta pada gambar Schlieren menunjukkan bahwa partikel gas menempel satu sama lain (lihat bagian lapisan batas).

Turbulensi

Dalam dinamika fluida, turbulensi atau aliran turbulen adalah kawasan aliran yang ditandai dengan perubahan sifat secara stokastik, semrawut. Ini meliputi difusi momentum rendah, konveksi momentum tinggi, dan variasi tekanan dan kecepatan yang sangat cepat dalam ruang dan waktu. Citra satelit cuaca di sekitar Kepulauan Robinson Crusoe digambarkan sebagai salah satu contohnya.

Lapisan batas

Partikel akan, pada dasarnya, "menempel" ke permukaan benda yang bergerak melewatinya. Lapisan partikel ini disebut lapisan batas. Pada permukaan objek, pada dasarnya statis karena gesekan permukaan. Objek, dengan lapisan batasnya secara efektif merupakan bentuk baru dari objek yang "dilihat oleh" sisa molekul saat objek mendekati. Lapisan batas ini bisa terpisah dari permukaan, pada dasarnya menciptakan permukaan baru dan benar-benar mengubah jalur aliran. Contoh klasik dari hal ini adalah aerofoil yang anjlok. Citra sayap delta dengan jelas menunjukkan penebalan lapisan batas saat gas mengalir dari kanan ke kiri sepanjang tepi depan sayap.

Prinsip entropi maksimum

Oleh karena jumlah derajat kebebasan mendekati tak terhingga, sistem akan ditemukan dalam makrokeadaan yang sesuai dengan jumlah ketergandaan tertinggi. Untuk mengilustrasikan prinsip ini, amati suhu kulit dari batang logam beku. Dengan menggunakan gambar termal suhu kulit, perhatikan distribusi suhu di permukaan. Pengamatan awal suhu ini merupakan "mikrokeadaan". Beberapa saat kemudian, pengamatan kedua suhu kulit menghasilkan mikrokeadaan kedua. Dengan melanjutkan proses pengamatan ini, adalah mungkin untuk menghasilkan serangkaian mikrokeadaan yang menggambarkan sejarah termal permukaan batang. Karakterisasi rangkaian sejarah mikrokeadaan ini dimungkinkan dengan memilih makrokeadaan yang berhasil mengklasifikasikan semuanya ke dalam satu pengelompokan.

Kesetimbangan termodinamika

Ketika transfer energi berhenti dari suatu sistem, kondisi ini disebut kesetimbangan termodinamika. Biasanya kondisi ini menyiratkan sistem dan lingkungan berada pada suhu yang sama sehingga panas tidak lagi berpindah di antara keduanya. Ini juga menyiratkan bahwa kekuatan eksternal seimbang (volume tidak berubah), dan semua reaksi kimia dalam sistem sudah lengkap. Garis waktunya bervariasi untuk kejadian ini tergantung pada sistem yang dimaksud. Sebuah wadah es yang dibiarkan meleleh pada suhu kamar memerlukan waktu berjam-jam, sementara pada semikonduktor, perpindahan panas yang terjadi pada transisi perangkat dari keadaan on ke off dapat terjadi dalam beberapa nanodetik.