SHUTTERSTOCK/CARMIAN
Ilustrasi balon udara di Cappadocia, Turki.
KOMPAS.com - Wisata ke Cappadocia tengah menjadi primadona di kalangan masyarakat Indonesia. Daya tarik utamanya adalah menaiki balon udara dengan pemandangan yang indah. Tapi, pernahkah kamu terpikir, kenapa balon udara bisa terbang?
Kenapa balon udara bisa terbang?
Balon udara bisa naik ke langit bukan karena menggunakan mesin besar seperti pesawat terbang. Bukan juga menggunakan balon gas seperti helium seperti yang ada di film UP yang rilis tahun 2009 lalu. Balon udara terbang hanya dengan memanfaatkan prinsip fisika sederhana dari udara.
Prinsip yang digunakan untuk menerbangkan balon udara adalah udara panas lebih ringan daripada udara dingin. Sebelum membahas prinsip kerjanya, kenali dulu bagian-bagian dari balon udara berikut ini.
Komponen balon udara
Seperti yang kita tahu, balon udara terdiri dari 3 komponen penting. Komponen balon udara adalah envelope, burner, dan basket.
Envelope adalah bagian yang kita lihat berbentuk seperti balon. Burner adalah pemanas yang terletak di bawah envelope. Sedangkan basket adalah tempat yang berbentuk seperti keranjang tempat orang yang diangkut oleh balon udara.
Baca juga: Tahun Depan, Manusia Bisa Nikmati Wisata Luar Angkasa Naik Balon Udara
Prinsip kerja balon udara
Balon udara bekerja dengan memanaskan udara yang ada di dalam envelope untuk terbang ke udara. Udara yang panas akan terbang ke langit di atas udara yang lebih dingin.
Satu kubik udara memiliki berat sekitar 28 gram. Jika udara dipanaskan 37 derajat Celsius, berat udara akan turun sebesar 7 gram. Dengan konsep ini, maka diketahui bahwa 1 kubik udara bisa mengangkat beban sebanyak 7 gram.
Berat 7 gram adalah berat yang sangat sedikit. Oleh karena itu, untuk menerbangkan beberapa orang sekaligus dalam 1 basket membutuhkan envelope balon udara yang sangat besar.
Ketika burner dinyalakan, udara panas akan memenuhi envelope dan mengangkat balon udara ke angkasa.
Bagaimanapun, balon udara tidak akan bisa terbang terlalu tinggi sebagaimana pesawat terbang. Udara yang ada di atmosfer akan semakin tinggi akan semakin tipis. Hal ini akan menyebabkan kemampuan balon udara untuk mengapung ke udara semakin lemah.
Ketika Anda memasukkan kopi hangat di dalam botol lalu segera menutupnya, lama kelamaan suhu kopi akan turun dan menyesuaikan dengan lingkungan yang ada di sekitarnya. Turunnya suhu pada kopi membuat rumus gas ideal mulai bekerja yakni pada saat suhu turun membuat tekanan di dalam botol menjadi turun, hal inilah yang membuat botol kopi menjadi kempes seperti tersedot.
Lalu, mengapa suhu bisa berpengaruh pada tekanan dan volume? Itulah prinsip utama gas ideal yang ada di dalam teori kinetik gas.
Teori kinetik gas memberikan jembatan antara gas secara miskroskopik dan makroskopik. Kata kinetik berasal dari anggapan bahwa molekul gas selalu bergerak. Tiap partikel bergerak bebas dan terjadi tumbukan.
Tumbukan tersebut berupa tumbukan lenting sempurna. Dengan sifat tumbukan, tidak ada proses kehilangan energi yang dimiliki partikel gas. Diperlukan obyek gas yang sesuai untuk menyusun partikel gas. Objek gas tersebut disebut gas ideal.
Baca Juga
Gas ideal adalah sekumpulan partikel gas yang tidak saling berinteraksi satu dengan lainnya. Artinya, jarak antarpartikel gas ideal sangat berjauhan dan bergerak secara acak. Adapun sifat-sifat gas ideal adalah sebagai berikut.
- Molekul-molekul pada gas ideal diasumsikan tersebar secara merata dalam wadah.
- Memiliki partikel-partikel gas yang jumlah sangat banyak dan tidak ada interaksi antar partikel gas.
- Tidak ada gaya tarik menarik antara partikel satu dengan partikel gas yang lain.
- Partikel gas bergerak secara acak ke semua arah.
- Ukuran partikel gas bisa diabaikan jika dibandingkan dengan ukuran ruangan.
- Tumbukan antar partikel gas dan juga tumbukan dengan wadah merupakan tumbukan lenting sempurna.
- Partikel gas tidak berkumpul pada satu titik melainkan tersebar secara merata pada ruangan.
- Hukum Newton berlaku pada gerak partikel gas dengan energi kinetik rata-rata molekul gas ideal sebanding dengan suhu mutlaknya.
Baca Juga
Lalu, apakah ada perumusan matematis terkait gas ideal?
Advertising
Advertising
Keterangan:
- P adalah tekanan gas ideal [Pa].
- V adalah volume gas ideal [m3].
- n adalah jumlah mol partikel [mol].
- R adalah ketetapan gas ideal dengan nilai R untuk semua gas adalah sama. R = 8,314 x 103 J/kmol.K.
- T adalah suhu gas ideal [K].
Selain itu, ada pula beberapa fenomena yang komponennya tidak diketahui. Adapun perumusan gas ideal menurut komponennya adalah:
Keterangan:
- Mr adalah massa molekul relatif [kg/mol].
- m adalah massa 1 partikel gas ideal [kg].
- Na adalah bilangan avogadro partikel 6,02 x 1023 partikel/mol.
- k adalah konstanta Boltzmann 1,38 x 10-23 J/K.
- N adalah jumlah partikel gas ideal.
- ρ adalah massa jenis gas ideal [kg/m3].
Beberapa fenomena seperti pada gas nyata, perbandingan antara PV dan nT memiliki hasil yang mendekati konstan hingga tekanan gas bernilai besar. Jika pada gas ideal, perbandingan PV dan nT menghasilkan nilai yang konstan, seperti gambar di bawah ini.
Contoh teori kinetik gas lainnya adalah balon yang terisi udara. [ANTARA FOTO/Anis Efizudin/hp.]
Persamaan Keadaan Gas Ideal
Pada ruang tertutup keadaan suatu gas ideal dipengaruhi oleh tekanan, suhu, volume dan jumlah molekul gas. Ternyata, ada beberapa hukum yang menjelaskan keterkaitan antara keempat besaran tersebut.
1. Hukum Boyle
Hukum Boyle dicetuskan oleh seorang ilmuwan asal Inggris, yaitu Robert Boyle. Adapun pernyataan Hukum Boyle adalah “jika suhu suatu gas dijaga konstan, maka tekanan gas akan berbanding terbalik dengan volumenya”. Istilah lainnya bisa dinyatakan sebagai hasil kali antara tekanan dan volume suatu gas pada suhu tertentu adalah tetap [isotermal]. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
P1 = tekanan gas pada keadaan 1 [N/m2];
V1 = volume gas pada keadaan 1 [m3];
P2 = tekanan gas pada keadaan 2 [N/m2]; dan
V2 = volume gas pada keadaan 2 [m3].
2. Hukum Charles
Jika Hukum Boyle membahas pengaruh tekanan dan volume pada suhu tetap, tidak demikian dengan Hukum Charles. Hukum yang ditemukan oleh Jacques Charles ini menyatakan bahwa “jika tekanan suatu gas dijaga konstan, maka volume gas akan sebanding suhu mutlaknya”. Istilah lain dari Hukum Charles ini adalah hasil bagi antara volume dan suhu pada tekanan tetap [isobar] akan bernilai tetap. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
T1 = suhu gas pada keadaan 1 [K];
V1 = volume gas pada keadaan 1 [m3];
T2 = suhu gas pada keadaan 2 [K]; dan
V2 = volume gas pada keadaan 2 [m3].
3. Hukum Gay Lussac
Hukum Gay-Lussac ditemukan oleh seorang ilmuwan Kimia asal Prancis, yaitu Joseph Louis Gay-Lussac pada tahun 1802. Adapun pernyataan Hukum Gay-Lussac adalah “jika volume suatu gas dijaga konstan, tekanan gas akan sebanding dengan suhu mutlaknya”. Artinya, proses berlangsung dalam keadaan isokhorik [volume tetap]. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
P1 = tekanan gas pada keadaan 1 [N/m2];
T1 = suhu gas pada keadaan 1 [K];
P2 = tekanan gas pada keadaan 2 [N/m2]; serta
T2 = suhu gas pada keadaan 2 [K].
4. Hukum Boyle-Gay Lussac
Hukum Boyle- Gay Lussac adalah “hasil kali antara tekanan dan volume dibagi suhu pada sejumlah partikel mol gas adalah tetap”. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
P1 = tekanan gas pada keadaan 1 [N/m2];
V1 = volume gas pada keadaan 1 [m3];T1 = suhu gas pada keadaan 1 [K];
P2 = tekanan gas pada keadaan 2 [N/m2];
T2 = suhu gas pada keadaan 2 [K]; sertaV2 = volume gas pada keadaan 2 [m3].
Baca Juga
1. Kamu sedang mengadakan sebuah pesta ulang tahun dan menginginkan sebuah ruangan agar diisi dengan sebuah balon helium yang besar. Temperatur ruangan sebesar 24o Celcius. Balon diisi dengan gas helium dan memiliki volume sebesar 0,24 m3 serta tekanan didalamnya sebesar 0,038 atm. Berapa besar tekanan akhir balon besar tersebut hingga menempati ruangan sebesar 0,4 m3?
Pembahasan:
Diketahui dari soal bahwa temperatur ruangan tidak berubah-ubah [konstan]. Sehingga kita dapat menggunakan Hukum Boyle.
PV = k
P1V1 = P2V2
Maka besar P2 didapat sebesar:
2.
Sebuah tangki selam mengandung udara dengan temperatur . Tangki selam berbentuk silinder dan memiliki volume sebesar . Berapa besar tekanan udara di dalam tangki tersebut. [diketahui besar konstanta gas R = 8,3 J/mol . K]
Pembahasan:
Karena tidak ada perubahan volume dan temperatur pada sistem, maka dengan menggunakan persamaan gas ideal, bisa dicari besar tekanannya. Besar temperatur harus dikonversikan dahulu menjadi Kelvin.
PV = nRT
P= 30 MPa