HUKUM BOYLE-MARIOTTE: SEJARAH, EKSPRESI, CONTOH - KIMIA - 2025

Hukum Boyle-Mariotte adalah hukum yang mengungkapkan hubungan antara tekanan yang diberikan oleh atau pada gas, dan volume yang ditempatinya; menjaga suhu gas tetap konstan, serta kuantitasnya (jumlah mol).

Hukum ini, bersama dengan hukum Charles, Gay-Lussac, Charles dan Avogadro, menjelaskan perilaku gas ideal; khususnya, dalam wadah tertutup yang mengalami perubahan volume yang dilakukan oleh gaya mekanis.

Kenaikan tekanan dengan mengurangi volume wadah. Sumber: Gabriel Bolívar

Gambar di atas secara singkat merangkum hukum Boyle-Mariotte.

Titik ungu mewakili molekul gas atau atom, yang bertabrakan dengan dinding bagian dalam wadah (kiri). Saat ruang atau volume yang tersedia di dalam wadah yang ditempati oleh gas ini berkurang, tumbukan meningkat, yang berarti peningkatan tekanan (kanan).

Hal ini menunjukkan bahwa tekanan P dan volume V gas berbanding terbalik jika wadah ditutup rapat; jika tidak, tekanan yang lebih tinggi akan sama dengan ekspansi wadah yang lebih besar.

Jika grafik V terhadap P dibuat, dengan data V dan P masing-masing pada sumbu Y dan X, kurva asimtotik akan diamati. Semakin kecil V, semakin besar peningkatan P; artinya, kurva akan meluas ke nilai P yang tinggi pada sumbu X.

Tentu saja, suhu tetap konstan; tetapi, jika percobaan yang sama dilakukan pada temperatur yang berbeda, posisi relatif kurva V vs P ini akan berubah pada sumbu Cartesian. Perubahan tersebut akan semakin terlihat jika diplot pada sumbu tiga dimensi, dengan konstanta T pada sumbu Z.

Sejarah Hukum Boyle

Latar Belakang

Sejak ilmuwan Galileo Galilei mengungkapkan keyakinannya akan keberadaan ruang hampa (1638), para ilmuwan mulai mempelajari sifat-sifat udara dan rongga parsial.

Ahli kimia Anglo-Irlandia Robert Boyle memulai studinya tentang sifat-sifat udara pada tahun 1638 setelah mengetahui bahwa Otto von Guericke, seorang insinyur dan fisikawan Jerman, telah membangun sebuah pompa udara.

Eksperimen merkuri

Untuk melakukan studinya tentang tekanan udara, Boyle menggunakan tabung kaca berbentuk "J", yang konstruksinya dikaitkan dengan Robert Hooke, asisten Boyle. Ujung lengan pendek ditutup rapat, sedangkan ujung lengan panjang tabung dibuka untuk menampung merkuri.

Sejak awal, Boyle ingin mempelajari elastisitas udara secara kualitatif dan kuantitatif. Dengan menuangkan merkuri melalui ujung terbuka tabung "J", Boyle menyimpulkan bahwa udara di lengan pendek tabung berkontraksi di bawah tekanan merkuri.

Hasil

Semakin besar jumlah merkuri yang ditambahkan ke dalam tabung, semakin besar tekanan yang diberikan di udara dan semakin kecil volumenya. Boyle memperoleh plot tipe eksponensial negatif dari volume udara sebagai fungsi tekanan.

Sedangkan jika volume udara diplot melawan kebalikan dari tekanan, maka kita memiliki garis lurus dengan kemiringan positif.

Pada tahun 1662, Boyle menerbitkan hukum fisika pertama yang diberikan dalam bentuk persamaan, yang menunjukkan ketergantungan fungsional dua variabel. Dalam hal ini, tekanan dan volume.

Boyle menunjukkan bahwa ada hubungan terbalik antara tekanan yang diberikan pada gas dan volume yang ditempati gas, hubungan ini relatif benar untuk gas nyata. Kebanyakan gas berperilaku seperti gas ideal pada suhu dan tekanan sedang.

Ketika tekanan yang lebih tinggi dan suhu yang lebih rendah terjadi, penyimpangan perilaku gas nyata dari ideal menjadi lebih terlihat.

Edme mariotte

Fisikawan Prancis Edme Mariotte (1620-1684) secara independen menemukan hukum yang sama pada tahun 1679. Tetapi memiliki kelebihan untuk menunjukkan bahwa volume bervariasi dengan suhu. Itulah mengapa disebut Hukum Mariotte atau Hukum Boyle dan Hukum Mariotte.

Penguatan hukum

Daniel Bernoulli (1737) memperkuat Hukum Boyle dengan menunjukkan bahwa tekanan suatu gas dihasilkan oleh dampak partikel gas pada dinding wadah yang berisi itu.

Pada tahun 1845, John Waterston menerbitkan sebuah artikel ilmiah, di mana ia berfokus pada prinsip-prinsip utama teori kinetik gas.

Kemudian, Rudolf Clausius, James Maxwell dan Ludqwig Boltzmann mengkonsolidasikan teori kinetik gas, yang menghubungkan tekanan yang diberikan oleh gas dengan kecepatan partikel gas yang bergerak.

Semakin kecil volume wadah yang berisi gas, semakin besar frekuensi tumbukan partikel yang membentuknya ke dinding wadah; dan oleh karena itu, semakin besar tekanan yang diberikan oleh gas tersebut.

Tentang apakah hukum ini?

Percobaan yang dilakukan oleh Boyle menunjukkan bahwa terdapat hubungan terbalik antara volume yang ditempati oleh suatu gas dan tekanan yang diberikan padanya. Namun, hubungan yang ditunjukkan tidak sepenuhnya linier, seperti yang ditunjukkan oleh grafik variasi volume sebagai fungsi tekanan yang dikaitkan dengan Boyle.

Hukum Boyle menunjukkan bahwa volume yang ditempati oleh gas berbanding terbalik dengan tekanan. Ini juga menunjukkan bahwa produk tekanan gas dan volumenya konstan.

Ekspresi matematika

Untuk sampai pada ekspresi matematis hukum Boyle-Mariotte, kita mulai dari:

V ∝ 1 / P.

Dimana menunjukkan bahwa volume yang ditempati oleh suatu gas berbanding terbalik dengan tekanannya. Namun, ada konstanta yang menentukan seberapa berbanding terbalik hubungan ini.

V = k / P.

Dimana k adalah konstanta proporsionalitas. Memecahkan k kita punya:

VP = k

Produk tekanan gas dan volumenya konstan. Begitu:

V ₁ P ₁ = k dan V ₂ P ₂ = k

Dan dari sini dapat disimpulkan bahwa:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Yang terakhir adalah ekspresi atau persamaan terakhir untuk hukum Boyle.

Untuk apa ini? Masalah apa yang dipecahkan oleh hukum Boyle?

Mesin uap

Kereta uap. Sumber: Pixabay.

Hukum Boyle-Mariotte diterapkan dalam pengoperasian mesin uap. Ini adalah mesin pembakaran eksternal yang menggunakan transformasi energi termal sejumlah air menjadi energi mekanik.

Air dipanaskan dalam ketel yang tertutup rapat, dan uap yang dihasilkan memberikan tekanan sesuai dengan hukum Boyle-Mariote yang menghasilkan ekspansi volume silinder dengan mendorong piston.

Gerakan linier piston diubah menjadi gerakan rotasi, melalui penggunaan sistem batang penghubung dan engkol, yang dapat menggerakkan roda lokomotif atau rotor generator listrik.

Saat ini, mesin uap alternatif merupakan mesin yang sedikit digunakan karena telah digantikan oleh motor listrik dan mesin pembakaran dalam pada kendaraan pengangkut.

Minum minuman

Tindakan menghisap minuman ringan atau jus dari botol melalui tabung plastik terkait dengan hukum Boyle-Mariotte. Saat udara dihisap keluar dari tabung menggunakan mulut, terjadi penurunan tekanan di dalam tabung.

Penurunan tekanan ini memfasilitasi pergerakan cairan di dalam tabung ke atas, sehingga memungkinkan untuk menelannya. Prinsip yang sama ini bekerja dalam mengambil darah melalui penggunaan semprit.

Sistem pernapasan

Sistem pernapasan. Sumber: Pixabay

Hukum Boyle-Mariotte terkait erat dengan fungsi sistem pernapasan. Selama fase inspirasi, diafragma dan otot lainnya berkontraksi; misalnya, interkosta eksternal yang menghasilkan perluasan tulang rusuk.

Hal ini menyebabkan penurunan tekanan intrapleural, menyebabkan ekspansi paru yang menghasilkan peningkatan volume paru. Oleh karena itu, tekanan intrapulmoner menurun sesuai dengan hukum Boyle-Mariotte.

Saat tekanan intrapulmoner menjadi subatmosfir, udara atmosfer mengalir ke paru-paru, yang menyebabkan peningkatan tekanan di paru-paru; sehingga menyamakan tekanannya dengan tekanan atmosfer, dan menyimpulkan fase inspirasi.

Selanjutnya, otot inspirasi mengendur dan otot ekspirasi berkontraksi. Selain itu, terdapat retraksi elastis paru, suatu fenomena yang menghasilkan penurunan volume paru-paru, yang mengakibatkan peningkatan tekanan intrapulmoner, dijelaskan oleh hukum Boyle-Mariotte.

Saat tekanan intrapulmoner meningkat, dan menjadi lebih besar dari tekanan atmosfer, udara mengalir dari dalam paru-paru ke atmosfer. Ini terjadi sampai tekanan seimbang, yang mengakhiri fase pernafasan.

Contoh (percobaan)

Eksperimen 1

Balon kecil yang tertutup rapat ditempatkan, membuat simpul di mulutnya, di dalam semprit, dari mana plunger telah ditarik, kira-kira 20 ml. Plunger dari spuit ditempatkan di tengah spuit, jarum ditarik dan saluran masuk udara diblokir.

Pengamatan

Dengan menarik plunger injektor secara perlahan, balon diamati mengembang.

Penjelasan

Dua tekanan diberikan pada dinding balon: tekanan pada bagian dalamnya, produk dari udara yang terkandung di dalam balon, dan tekanan lainnya pada permukaan luar balon, yang diberikan oleh udara yang terkandung dalam jarum suntik.

Dengan menarik plunger injektor, setengah vakum dibuat di dalamnya. Oleh karena itu, tekanan udara pada permukaan luar dinding pompa berkurang, sehingga tekanan yang bekerja di dalam pompa relatif lebih tinggi.

Tekanan bersih ini, menurut hukum Boyle-Mariote, akan menghasilkan distensi dinding balon dan peningkatan volume balon.

Eksperimen 2

Botol plastik dipotong kira-kira menjadi dua, memastikan bahwa potongannya horizontal mungkin. Balon yang pas ditempatkan di mulut botol, pada saat yang sama sejumlah air ditempatkan di piring yang dalam.

Pengamatan

Dengan menempatkan bagian bawah botol dengan balon di atas air di piring, balon mengembang secara sedang.

Penjelasan

Air menggantikan sejumlah udara, meningkatkan tekanan udara di dinding botol dan bagian dalam balon. Hal ini menyebabkan, menurut hukum Boyle-Mariotte, terjadi peningkatan volume balon, yang divisualisasikan dengan mengembangnya balon.

Referensi

1. Wikipedia. (2019). Hukum Boyle. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
2. Editor Encyclopaedia Britannica. (27 Juli 2018). Hukum Boyle. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (05 Desember 2018). Rumus Hukum Boyle. Diperoleh dari: thinkco.com
4. Film India Muda. (15 Mei 2018). Hukum Boyle: Percobaan Sains Untuk Anak-Anak. Diperoleh dari: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (22 Mei 2011). Balon udara. Definisi ABC. Diperoleh dari: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Fisiologi Medis. (Edisi ke-19). Editorial Manual Modern.