Fisika

Pengertian Rumus Hukum Boyle dan Contoh Soalnya

Written by Kamal N

Rumus Hukum Boyle – Waktu masih kecil dulu, kamu mungkin pernah meniup gelembung di dalam air saat berenang bersama teman-teman. Tahukah kamu bahwa gelembung yang kamu tiup itu ukurannya akan membesar saat naik ke permukaan? Yup, awalnya ukuran gelembung memang kecil tapi semakin naik ke atas, pelan-pelan ukurannya makin membesar. Kalau nggak percaya, silakan coba praktekkan sendiri kalau berenang nanti.

Perkara meniup gelembung di dalam air tadi, dalam fisika dan kimia, berhubungan dengan hukum boyle. Dalam artikel ini, kita akan membahas tentang pengertian, bunyi, rumus, sampai contoh penerapan hukum boyle dalam kehidupan sehari-hari.

Hukum Boyle Adalah

Hukum boyle merupakan hukum yang membahas tentang hubungan suhu, volume, serta tekanan di dalam suatu ruang tertutup. Bunyi hukum boyle menyatakan bahwa tekanan yang berasal dari gas dengan massa tertentu dan mempunyai suhu yang konstan akan berbanding terbalik dengan volume tempat yang ditempatinya.

Artinya, volume dan tekanan gas saling berbanding terbalik ketika suhu dan juga jumlah gasnya dijaga secara konstan. Hukum ini pertama kali disusun oleh Robert Boyle, seorang ahli kimia asal Inggris, pada tahun 1662 M. Gas yang dimaksud dalam hukum ini adalah gas ideal yang dalam ilmu fisika dan kimia memiliki beberapa kriteria, diantaranya adalah:

  1. Mengandung banyak partikel dan antara satu partikel dengan yang lainnya tidak ada gaya tarik-menarik.
  2. Setiap partikel bergerak secara sembarangan (tanpa arah)
  3. Ukuran partikel tidak memperdulikan ukuran wadah
  4. Jika ada tumbukan, tumbukan tersebut akan terjadi secara lenting sempurna
  5. Semua partikel gas menyebar secara merata di seluruh ruang yang ada di dalam wadah
  6. Gerak partikel gas nya memenuhi hukum newton mengenai gerak.

Jika dijelaskan sedikit lebih jauh lagi, menurut hukum boyle suatu gas pada suhu, tekanan, dan volume tertentu bisa mengalami tiga proses. Pertama volume tetap (isokhorik), suhu tetap (isotermis), dan tekanan tetap (isobarik). Jadi, ketika suatu gas dengan volume V ditekan menggunakan suhu yang tetap, maka volume nya akan berkurang namun tekanan gasnya akan bertambah.

Sebelum mengemukakan hukum boyle, Robert Boyle melakukan percobaan terlebih dulu. Saat itu, dia melakukan percobaan dengan memasukkan sejumlah gas tertentu ke dalam wadah yang tertutup. Setelah itu, Boyle menyadari bahwa ketika dia memberikan tekanan pada gas tertentu yang ada dalam wadah tertutup tersebut, volume gasnya akan berkurang. Dalam percobaannya ini, Boyle mengukur volume gas pada tekanan yang lebih besar dari 1 atm.

Boyle lalu membuat pompa vakum lalu mengamatinya. Hasil dari pengamatan ini ditemukan bahwa gas yang ada pada tekanan di bawah 1 atm, volumenya akan menegmbang. Biar lebih jelas, seperti ini gambaran percobaan yang dilakukan oleh Boyle:

Kalau dilihat dari gambar ini,volume udara di bagian tabung tertutup yang berbentuk J, terperangkap oleh cairan. Volume udara ini mengalami penurunan yang besarnya sama dengan tekanan yang dihasilkan dari cairan di bagian tabung yang panjang.

Kemudian, udara yang terperangkap ini bertugas menjadi pegas dan mengeluarkan kekuatan yang melawan kompresinya. Oleh Boyle, efek ini disebut sebagai “mata air udara” dalam karyanya.

Perbedaan ketinggian dua kolom air raksa akan memberikan tekanan, kemudian volume udaranya dihitung dari diameter tabung serta panjang kolom udara. Nah, setelah hasil percobaannya diterbitkan, Boyle kemudian membuat pernyataan singkat yang menyatakan bahwa:

Jika suhu gas selalu konstan, ketika tekanan gas nya bertambah maka volume gasnya akan semakin berkurang. begitupun sebaliknya, saat tekanan gas berkurang, volume gasnya justru semakin bertambah. 

Kesimpulannya, tekanan gas akan berbanding terbalik dengan volumenya. Berkaitan tentang hukum boyle ini, ada satu hal yang penting untuk kamu ingat, yaitu pernyataan Boyle ini hanya berlaku jika suhu dan jumlah molekulnya konstan. Kalau dua kondisi ini tidak terpenuhi, maka harus menggunakan konsep dasar yang lain.

Kemudian, hukum boyle ini hanya berlaku pada tekanan yang rendah, tidak pada tekanan yang tinggi. Alasannya karena gas akan memiliki perilaku yang sama seperti gas ideal ketika berada pada tekanan yang tinggi.

Semakin penasaran dengan cerita penemuan Robert Boyle yang lainnya? Tenang saja, kamu bisa mengetahuinya dengan membaca buku Seri Tokoh Dunia 69: Robert Boyle. Buku ini berisi cerita lengkap tentang Robert Boyle dari lahir sampai proses dia menemukan berbagai ilmu pengetahuan yang sangat bermanfaat bagi kita sekarang.

Rumus Hukum Boyle

Pixabay.com/byrev

Hukum boyle bisa dinyatakan dalam sebuah rumus, yaitu pv = konstan dan P1 . V1 = P2 . V2. P1 di sini maksudnya adalah tekanan awal yang diberikan oleh gas, sedangkan P2 adalah tekanan akhirnya.

Sementara V1 berarti volume awal yang ditempati oleh gasnya dan V2 merupakan volume akhirnya. Kemudian yang dimaksud konstan adalah jumlah dari tekanan dan volume yang ada di dalam sistem tersebut konstan.

Lebih jauh lagi, ada beberapa rumus dalam hukum Boyle yang semuanya berkaitan erat dengan kondisi antara suhu dan jumlah molekulnya.

  • Bagi gas, hubungan antara tekanan pada masa serta suhu yang konstan dengan volume bisa dinyatakan menggunakan rumus: P (1V). P di sini adalah tekanan yang diberikan oleh gas nya sedangkan V merupakan volume yang ditempati oleh gasnya.
  • Nah proporsionalitas tersebut bisa diubah menjadi sebuah persamaan dengan cara menambahkan konstanta. Dengan begitu, didapatkan persamaan baru yaitu: P = k x (1V). PV = k. 

Untuk rumus yang kedua ini, P adalah tekanan dari gas nya, lalu V adalah volume gas, sedangkan k merupakan jumlah konstan dari volume serta tekanan yang ada di dalam sistem tersebut.  Volume tekanan v/s untuk sejumlah tetap gas yang terjaga di suhu yang konstan dapat diilustrasikan dengan kurva seperti berikut ini:

wikielektronika.com

Menurut hukum Boyle, setiap perubahan volume pada tempat yang ditempati oleh gas pada suhu dan jumlah yang konstan, maka akan menghasilkan perubahan tekanan yang dikeluarkan olehnya.

Ini berarti, produk yang berasal dari volume awal dan tekanan awal gas jumlah nya sama dengan produk dari volume akhir dan tekanan akhir dalam suhu jumlah mol yang konstan. Pada akhirnya didapatkan lah persamaan rumus hukum boyle seperti ini:

P1 . V1 = P2 . V2

P1 adalah tekanan awal yang dikeluarkan oleh gas

V1 adalah volume awal dari tempat yang ditempati oleh gas

P2 adalah tekanan akhir yang diberikan oleh gas

V2 adalah volume akhirnya.

Menurut Lilik B. S dalam bukunya yang berjudul Belajar Tekanan Gas, PV = k dalam hukum Boyle adalah persamaan 1. Arti dari persamaan ini yaitu, dalam suhu (T) yang konstan, jika tekanan (P) gas nya berubah, maka volume (V) gas nya juga berubah.

Dengan begitu, hasil kali antara tekanan dan volume nya selalu konstan. Yang berarti, jika tekanan gas nya bertambah, maka volume gas nya akan berkurang, begitupun sebaliknya, ketika tekanan gas nya berkurang, maka volume gas nya bertambah.

Untuk menggambar grafik hukum Boyle, lanjut Lilik, bisa dilakukan dengan dua cara, yaitu:

  • Jika P ditetapkan sebagai ordinat dan V menjadi absis nya, maka akan didapatkan garis berbentuk hiperbola (seperti grafik a pada gambar grafik di atas).
  • Jika V diplot terhadap 1P, maka bentuk garisnya akan lurus seperti grafik b yang ada pada gambar grafik di atas.

Contoh Penerapan Hukum Boyle Dalam Kehidupan Sehari-Hari

pixabay.com/stevepb

Supaya kamu lebih mudah memahami pernyataan hukum Boyle, kita akan menggunakan beberapa contoh penerapan hukum Boyle dalam kehidupan sehari-hari.

  • Sistem pernapasan manusia

Saat kita bernapas, paru-paru kita bekerja dengan menggunakan prinsip hukum Boyle. Saat menghirup, paru-paru kita diisi oleh udara kemudian menjadi mengembang. Di sini, volume nya meningkat sehingga tekanan akan menurun.

Nah ketika menghembuskan udara, paru-paru kita akan menyusut yang menandakan bahwa volume udara di dalamnya berkurang sehingga tekanannya meningkat. Perubahan pada volume dan tekanan dalam paru-paru kita sifatnya sesaat dan periodik saja.

  • Pompa ban kendaraan (pompa tekan udara)

Pompa tekan udara adalah pompa yang biasa digunakan untuk menambahkan tekanan udara kepada suatu ruang yang tertutup, misalnya ban sepeda, ban motor, maupun ban mobil.

Pompa tekan udara memiliki prinsip kerja yang berdasarkan pada hukum Boyle. Jadi ketika silinder yang ada pada pompa dihubungkan dengan ban kendaraan oleh sebuah pipa, katup dasarnya akan membuka keluar jika tekanan di bawah penghisap dalam pompa lebih tinggi dari tekanan di dalam ban.

Sebaliknya, katup torak pada pengisap akan membuka ke bawah jika tekanan di atas penghisapnya justru lebih daripada tekanan yang ada di bawahnya. Jadi saat penghisapnya bergerak ke bawah, udara yang ada di bawah penghisap akan dimampatkan, kemudian katup dasar pun membuka, lalu udara masuk ke dalam ban.

Ketika penghisapnya kembali ke atas, katup torak di bagian penghisap akan membuka sehingga udara dari luar akan masuk ke dalam pompa melalui lubang yang ada di ujung dindingnya sehingga tabung pun akan berisi udara.

  • Ikan di laut dalam yang mati

Contoh berikutnya bisa kamu temukan pada spesies-spesies ikan di laut dalam yang mati, kemudian akan mencapai permukaan air. Fenomena ini terjadi karena adanya pemuaian gas yang terkandung dalam darah ikan.

  • Balon yang meletus

Saat kamu memeras sebuah balon yang berisi udara, volume balon tersebut akan berkurang. Ketika ini terjadi, akan ada peningkatan tekanan yang diberikan oleh udara pada balon. Kemudian jika kamu terus menekan balon tersebut, tekanannya akan semakin meningkat sehingga balonnya meletus.

Jika membahas tentang hukum boyle memang tidak cukup hanya dalam 1 artikel ini saja. Nah, bagi kamu yang ingin mempelajari hukum boyle lebih jauh lagi, maka bisa membeli buku Semalam Suntuk Belajar Fisika SMA. Buku ini juga dilengkapi dengan contoh soal yang akan membuat kamu lebih mudah dalam memahami suatu materi.

  • Pompa air

Pompa air adalah pompa yang dipakai untuk memompa air atau mengeluarkan udara dari suatu ruang yang tertutup. Prinsip kerja pompa air ini cukup sederhana dan tentunya berdasarkan pada hukum Boyle. Jadi, pompa air ini terdiri dari dua bagian, pertama tabung penghisap berisi udara yang merupakan ruang di bawah penghisap, dan satu lagi penghisap yang terletak pada alat tabung.

Nah, jika penghisapnya ditarik ke atas, maka ruang di dalam tabung di bawah penghisap hampir hampa, kemudian katup pada penghisap tertutup, setelah itu katup di ujung tabung akan membuka sendiri.

Saat ini terjadi, volume udara di bawahnya akan bertambah besar sehingga tekanannya pun berkurang. Oleh karena itu air yang ada di dalam tabung akan naik. Kemudian jika penghisapnya ditekan ke bawah, katup pada penghisap akan terbuka dan katup di ujung tabung tertutup.

Setelah penghisapnya naik turun beberapa kali, air akan masuk ke dalam tabung melalui katup jantung. Jika penghisapnya ke bawah, air masuk ke dalam ruang yang ada di atas penghisap lewat katup pada penghisap. Saat langkah naik selanjutnya, air akan dibawa ke atas kemudian dialirkan lewat keluar lewat pompa, Begitu seterusnya.

  • Pipet

Pipet adalah alat yang biasa dipakai untuk memindahkan zat cair yang jumlahnya sedikit dari satu tempat ke tempat lainnya. Prinsip kerja pipet adalah sebagai berikut:

Ketika pipa dimasukkan ke dalam zat cair, permukaan zat cair yang ada di dalam dan di luar pipet sama tingginya. Lalu saat ujung atasnya ditutup dengan jari dan dikeluarkan, ada sedikit zat cair yang menetes keluar. Saat ini, ruang udara yang tertutup bertambah besar dan tekanannya pun bertambah kecil. Tekanan ini setimbang dengan selisih tekanan udara luar dan tekanan zat cair yang masih tertinggal di dalam pipet.

  • Cartesian diver

Cartesian diver atau penyelam Cartesia adalah salah satu media praktik yang dapat menunjukkan banyak sekali hukum serta azas-azas fisika. Media ini diciptakan oleh seorang ahli filsafat yang bernama Descartes.

Untuk menggunakan penyelam Cartesia ini, mula-mula bola kecil dan botol harus diisi air terlebih dulu, Jumlah air dalam bola harus membuat bola tersebut mengapung di dalam air dengan posisi mulutnya berada di bawah.

Setelah itu, lubang atas silinder ditutup menggunakan selaput karet yang tipis. Jika selaput karet ditekan dengan jari, maka botolnya akan turun. Namun jika jari yang menekan selaput dilepaskan, botolnya akan naik kembali ke permukaan.

Kemudian botol penyelam cartesia ini bisa bergerak naik turun menurut tekanan yang dilakukan pada selaput karet yang menutup silinder besar. Dari percobaan ini, kita bisa mengetahui bahwa:

  • Udara di bawah selaput mudah dimampatkan.
  • Tekanan pada udara diteruskan ke permukaan air alias diteruskan ke segala arah.
  • Udara yang berada di sisi atas botol kecil dimampatkan sehingga berat jenisnya pun bertambah besar. Ruang yang kosong diisi dengan air dari bawah. Berat botol dan isinya pun bertambah.
  • Berat air yang didesak oleh botol kecil kurang daripada beratnya sendiri sehingga botol pun tenggelam.
  • Jika tekanan jari pada selaput karet dilepaskan, udara di dalam botol akan memuai dan mendesak sebagian air untuk keluar dari botol. Berat jenis udaranya berkurang lagi dan berat botol beserta isinya jadi lebih kecil daripada berat air yang didesaknya, dengan begitu botol pun mengapung ke permukaan.
  • Kita juga bisa mengusahakan agar tekanan pada selaput karetnya cukup besar sampai botolnya melayang di air.

Contoh Soal Hukum Boyle Dan Pembahasannya

Soal 1

  1. Sebuah bejana yang tutupnya bisa bergerak, berisi 48 L gas nitrogen pada suhu 27 derajat celcius dan tekanan 30 atmosfer. Suatu saat suhu gas dinaikkan menjadi 127 derajat celcius, sementara tekanannya dinaikkan menjadi 96 atmosfer. Jika gas dianggap ideal, maka volume akhir gas adalah…
  1. 20 L
  2. 10 L
  3. 9 L
  4. 8 L
  5. 6 L

Pembahasan:

Diketahui:

T0 = (27 + 273) = 300 K

V0 = 48 L

P0 = 30 atm

P1 = 96 atm

T1 = 127 + 273 = 400 K

V1 = ?

Persamaan gas ideal:

PV = nRT

P0V0T0 = P1V1T1

30 48300 = 96 V1400

V1 = 400.30.48300.96 = 20 Liter

Jawaban: A.

Soal 2

  1. Sebuah silinder yang volumenya 18 L berisi gas oksigen pada tekanan 13,8 atmosfer. Jika gas dianggap ideal dan suhunya 227 derajat celcius, jumlah partikel gas adalah… (1 atm = 105N/m2)
  1. 3,6 X 1023 partikel
  2. 3,6 x 1024 partikel
  3. 3,6 x 1025 partikel
  4. 3,6 x 1026 partikel
  5. 3,6 x 1027 partikel

Pembahasan:

Diketahui:

T0 = (227 + 273) = 500 K

V0 = 18 L

P0 = 13,8 atm

R = 0,08206 L.atm/(mol.K)

Mroksigen = 32 Kg/Kmol

Bilangan avoga dro (NA) = 6,02 x 1026 partikel/Kmol

PV = nRT

12,8 . 18 = n 0,08206 . 500

n = 13,8 . 180,8206 . 500 = 6,054 mol

Banyak partikel:

N = n NA

Err:509

Jawaban B.

Soal 3

  1. Sejumlah gas ideal berada dalam ruangan yang tutupnya bebas bergerak. Pada temperatur 47 derajat celcius, keadaan setimbang jika di atas tutupnya diletakkan benda bermassa 200 gram. Agar volume gas menjadi ⅕ semula dan suhunya menjadi 127 derajat celcius, maka harus ditambahkan benda sebesar…
  1. 1250 gram
  2. 1050 gram
  3. 800 gram
  4. 600 gram
  5. 400 gram

Pembahasan:

Diketahui:

Sumber: Dini Nurfiani (2014)

m P TV

M1V1T2T1V2 = 200 (127 + 273) V1(47 + 273) 15 V1 = 200 x 40064 = 1250 gram

Jawaban: A

Jika ingin mengetahui berbagai macam soal tentang hukum boyle lainnya kamu bisa membaca buku Buku Saku Hafal Mahir Teori & Rumus Fisika Sma/Ma Kelas 10,11,12. Di dalam buku ini ada berbagai macam contoh soal yang bisa kamu pelajari. Selain itu, buku ini juga akan memberikan penjelasan setiap jawaban, sehingga kamu akan lebih mudah dalam memahami materinya. Tertarik memiliki buku ini?

Demikian pembahasan tentang rumus hukum Boyle. Semoga setelah membaca artikel ini sampai selesai, kalian akan jadi lebih mudah dalam mengerjakan soal hukum Boyle.

Jika ingin mencari buku tentang fisika, maka kalian bisa mendapatkannya di gramedia.com. Untuk mendukung Grameds dalam menambah wawasan, Gramedia selalu menyediakan buku-buku berkualitas dan original agar Grameds memiliki informasi #LebihDenganMembaca.

Penulis: Gilang Oktaviana

Sumber:
  • https://wikielektronika.com/hukum-boyle/?page=all
  • https://prezi.com/p/ggiqdiv5xiub/hukum-boyle/
  • https://www.zenius.net/blog/rumus-hukum-boyle-dan-contoh-soal
  • Dini Nurfiani (2014) Kumpulan Soal Tersulit dan Pemecahannya Fisika SMA/MA Kelas 10,11,12

About the author

Kamal N

Ada banyak pelajaran yang dipelajari ketika di sekolah, salah satunya adalah fisika. Ilmu fisika ini juga sering kita temukan dalam kehidupan sehari-hari.