88 agista sintia dewi adila
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Pembelajaran Persamaan Keadaan Gas dengan Pemodelan
AGISTA SINTIA DEWI ADILA1), SUTOPO2,*), ERA BUDI PRAYEKTI2)
Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang
E-MAIL : [email protected]
ABSTRAK: Pemahaman konsep persamaan keadaan gas diperlukan untuk memahami berbagai
fenomena yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Namun, pada kenyataannya masih banyak
siswa yang belum sepenuhnya memahami konsep persamaan keadaan gas dengan baik.
Kesulitan umum yang dialami siswa berkaitan dengan konsep: (1) tekanan, suhu dan volume
merupakan besaran makroskopis sedangkan gerak partikel dan energi kinetik merupakan
besaran mikroskopis (2) makroskopis: jika ada kenaikan suhu maka tekanan akan membesar (3)
gerak partikel
mikroskopis: jika ada kenaikan suhu maka energi kinetik partikel bertambah
kekuatan partikel yang menumbuk dinding wadah semakin besar (tekanan
semakin cepat
yang dialami wadah semakin besar) (4) mikroskopis: semakin sempit volumenya maka partikel
akan semakin sering menumbuk dinding wadah (5) ukuran partikel akan tetap seperti semula
walaupun partikel tersebut dipanaskan atau didinginkan. Untuk memfasilitasi siswa memahami
konsep persamaan keadaan gas dengan baik maka peneliti merancang pembelajaran materi
persamaan keadaan gas dengan pemodelan.
Kata Kunci: Pemodelan, persamaan keadaan gas, pemahaman konsep.
PENDAHULUAN
Salah satu tujuan pembelajaran fisika adalah membekali siswa agar dapat
memahami konsep fisika dan menggunakannya untuk menjelaskan fenomena-fenomena
yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari serta mengembangkan kecakapan sains
siswa. Seringkali, siswa belum memahami suatu konsep fisika karena tidak memahami
aplikasi dari suatu konsep tersebut. Cara yang tepat untuk memahami konsep fisika
adalah dengan mengidentifikasi suatu fenomena (NRC, 2012; Docktor et al, 2015).
Sehingga, fenomena merupakan hal yang penting untuk memahami suatu konsep.
Pokok bahasan Teori Kinetik Gas merupakan topik yang banyak berkaitan
dengan fenomena di kehidupan sehari-hari dan lebih mudah dipahami jika memahami
persamaan keadaan gas (PV=nRT) terlebih dahulu. Fenomena yang berkaitan dengan
persamaan keadaan gas adalah meletusnya ban sepeda motor karena panas, sistem
pernafasan manusia, cara kerja bekam dan penyoknya botol plastik jika dimasukkan
kedalam kulkas. Hasil pengidentifikasian fenomena-fenomena tersebut menghasilkan
pemahaman konsep hubungan antar variabel keadaan persamaan keadaan P,V, dan T
terutama secara makroskopis (Wiebe & Stinner, 2010; Kautz et al, 2005a).
Kesulitan memahami konsep persamaan keadaan gas dialami oleh mahasiswa
dan guru. Mahasiswa sering rancu antara model mikroskopis dan proses makroskopis
dalam memahami besaran termodinamika tersebut (Kautz et al, 2005a). Sebagian besar
guru tidak menggunakan persamaan keadaan gas secara lengkap untuk menjelaskan
fenomena alam yang terkait (Sutopo, 2010). Jika guru dan mahasiswa yang memiliki
jenjang pendidikan lebih tinggi daripada siswa belum memahami persamaan keadaan
gas dengan baik maka dapat diduga bahwa siswa SMA juga mengalami kesulitan dalam
konsep tersebut.
Kecakapan sains siswa perlu ditingkatkan. Kecakapan pertama adalah membuat
pertanyaan. Siswa mempertanyakan mengapa suatu fenomena bisa terjadi. Kedua,
mengembangkan dan menggunakan model. Ketiga, merencanakan penyelidikan untuk
menguji apakah model yang digunakan tepat. Keempat, menganalisis dan
menginterpretasi data. Kelima, menggunakan matematika sebagai alat untuk
merepresentasikan hubungan antar variabel. Keenam, mengkonstruksi penjelasan
tentang model yang digunakan terhadap suatu fenomena. Ketujuh, penjelasan dan
berargumentasi kelebihan dan kekurangan model. Kedelapan, mengkomunikasikan apa
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-21
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
yang ditemukan (NRC, 2012). Jika siswa melakukan kedelapan kecakapan sains maka
dapat dipastikan siswa memahami konsep fisika dengan baik.
Kesulitan memahami konsep dan rendahnya kecakapan sains siswa terhadap
persamaan keadaan gas dapat diatasi dengan pemodelan. Pemodelan yang dirujuk
adalah pemodelan matematis karena pemodelan matematis merupakan tema sentral
dalam pembelajaran fisika (Hestenes 1987; Wells et al, 1995).
PEMODELAN
Pemodelan merupakan strategi pembelajaran yang didasari oleh pendekatan
inquiry. Strategi pembelajaran dengan pemodelan mengajak siswa untuk memahami
dunia fisika dengan cara membangun model, mengevaluasi model dengan data atau
teori, dan mengaplikasikan model pada situasi nyata, Pembelajaran pemodelan
mencakup 6 komponen penting. Komponen pertama, membangun pemahaman dengan
mengkonstruksi dan menggunakan model sains untuk mendeskripsikan, menjelaskan,
memprediksi, mendesain dan mengkontrol fenomena nyata. Kedua, membekali siswa
dengan konsep dasar untuk memodelkan benda nyata dan prosesnya. Ketiga,
membiasakan siswa berpikir bahwa model dasar sebagai inti dari konteks fisika.
Keempat, menyesuaikan model yang didapatkan dengan teori. Kelima, membandingkan
model dengan data empirik (mengevaluasi). Keenam, mengembangkan keterampilan
memodelkan objek sebagai procedural core (Hestenes, 1987; Wells et al, 1995).
Etkina et al (2006), model merupakan bentuk penyederhanaan dari sebuah objek
atau fenomena; sebuah model dapat berupa deskripsi atau penjelasan. Selain itu, model
digunakan untuk menggambarkan pemahaman seseorang terhadap sistem (atau
sebagian dari sistem) dalam penyelidikan (NRC, 2012). Penelitian yang menggunakan
model telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti. Wells et al (1995) melaporkan
bahwa pemodelan terbukti dapat meningkatkan pemahaman siswa dibandingkan
dengan metode kooperatif dan pembelajaran konvensional. Schwarz et al (2009) meneliti
bagaimana model berguna untuk menjelaskan fenomena sains. Etkina & Planinsic
(2015) melakukan pemodelan suatu fenomena gaya apung agar siswa berfikir tingkat
tinggi dan dapat membuat hipotesis hingga menemukan sebuah model konseptual.
Model konseptual memudahkan kita untuk membayangkan dan memahami suatu
fenomena. Salah satu model konseptual adalah pemodelan matematis (NRC 2012).
GARIS BESAR PEMBELAJARAN PERSAMAAN KEADAAN GAS DENGAN
PEMODELAN
Diawal pembelajaran, siswa perlu stimulus untuk memahami konsep persamaan
keadaan gas. Fenomena merupakan salah satu cara untuk menstimulus pemikiran
siswa. Fenomena awal yang ditunjukkan dalam pembelajaran ini adalah memasukkan
telur kedalam tabung erlenmeyer. Fenomena tersebut merupakan gambaran yang tepat
untuk persamaan keadaan gas karena melibatkan hubungan anatara tekanna, volume,
jumlah partikel, dan suhu. Siswa diajak untuk berpikir secara global bahwa fenomena
tersebut tidak hanya dipengaruhi oleh tekanan dan suhu namun ada perubahan jumlah
partikel serta syarat volume tetap. Saat ada pembakaran (kenaikan suhu) didalam
tabung erlenmeyer, tekanan bertambah dan jumlah partikel didalam tabung erlenmeyer
berkurang (wadah terbuka). Saat telur diletakkan dimulut tabung erlenmeyer, partikel
gas tidak ada yang keluar dari tabung erlenmeyer (wadah tertutup) dan terjadi
penurunan suhu secara drastis yang menyebabkan tekanan berkurang. Garis besar
pembelajaran persamaan keadaan gas dengan pemodelan dapat dilihat pada Gambar 1.
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-22
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Gambar 1. Garis Besar Pembelajaran
Pemodelan Tekanan Gas
Tekanan gas dipengaruhi oleh 3 besaran yaitu jumlah partikel, suhu dan volume.
Pertambahan jumlah partikel dan penyusutan volume menyebabkan partikel gas sering
bertumbukan dengan dinding wadah sedangkan kenaikan suhu menyebabkan semakin
kerasnya tumbukan partikel gas dengan dinding wadah.
1. Pemodelan Hubungan Tekanan dan Jumlah Partikel
Frekuensi dinding ditumbuk partikel-partikel gas bergantung pada banyaknya
partikel-partikel gas yang ada dalam wadah. Jika volume wadah dan kecepatan gerakan
partikel-partikel gas dipertahankan tetap maka semakin banyak jumlah partikel
menyebabkan semakin sering (frekuensi) dinding wadah ditumbuk. Semakin seringnya
partikel gas menumbuk dinding wadah menyebabkan tekanan membesar (Aydeniz et al,
2012). Sehingga pemodelan matematis antara tekanan dengan jumlah partikel adalah
berbanding lurus (P ~ N). Karena N pada umumnya sangat besar, ingat: 1 mol O2
(memiliki massa 32 gram) memuat 6,02 x 1023 molekul. Untuk mempermudah
memahaminya maka jumlah partikel N dinyatakan dalam mole yaitu n.
Pemodelan hubungan tekanan dan jumlah partikel dapat disimulasikan dengan
meminta 10 siswa bertindak sebagai partikel gas yang bergerak dalam wadah.
Kesepuluh siswa melakukan simulasi berdasarkan instruksi guru yaitu bergerak lurus
dengan kecepatan konstan sampai bertumbukan dengan dinding ruang atau teman
yang lain. Setelah itu, meminta 5 siswa bergerak didalam ruangan yang sama.
Frekuensi terjadinya tumbukan pada 10 siswa lebih banyak daripada 5 siswa. Itu
berarti semakin banyak jumlah partikel maka semakin banyak (sering) partikel gas
yang menumbuk dinding wadah. Semakin sering partikel menumbuk dinding maka
tekanan yang dihasilkan semakin besar (Robertson, 2005).
Praktek pembelajaran hubungan antara tekanan dan jumlah partikel sering
diabaikan (Sutopo, 2010). Didalam fenomena alam jumlah partikel yang berubah-ubah
dapat mempengaruhi tekanan, suhu maupun volume. Jadi, jumlah partikel merupakan
besaran yang penting dalam persamaan keadaan gas.
2. Pemodelan Hubungan Antara Tekanan dan Volume
Jika jumlah patikel dan kecepatan gerak partikel gas dipertahankan tetap, maka
semakin sempit volume wadah menyebabkan seringnya partikel gas menumbuk dinding
wadah. Semakin sering partikel menumbuk dinding maka tekanan yang dihasilkan
semakin besar. Sehingga didapatkan pemodelan matematis antara tekanan dengan
volume (P ~1/V).
Pemodelan hubungan tekanan dan volume dapat disimulasikan dengan meminta
10 siswa bertindak sebagai partikel gas. Kesepuluh siswa ini berada dalam suatu
ruangan dan diminta untuk melakukan instruksi sesuai ketentuan yaitu bergerak lurus
dengan kecepatan konstan sampai bertumbukan dengan dinding ruang atau teman
yang lain. Setelah itu, meminta 10 siswa bergerak didalam ruangan yang lebih sempit.
Tumbukan pada ruang sempit lebih sering daripada tuimbukan pada ruang
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-23
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
sebelumnya. Itu berarti semakin sempit ruang gerak partikel maka semakin semakin
sering partikel gas yang menumbuk dinding wadah (Robertson, 2005).
Volume gas adalah besarnya volume ruangan yang ditempati oleh partikelpartikel gas. Jumlah partikel dan perubahan suhu tidak menyebabkan volume gas
membesar atau menyusut karena partikel gas akan tetap memenuhi ruang walau
volume gas besar atau kecil/sempit (tidak berlaku pada benda yang volumenya bisa
berubah dengan mudah misal balon).
3. Pemodelan Hubungan Tekanan dan Suhu Gas
Semakin tinggi kenaikan suhu maka semakin besar kecepatan gerak partikel gas.
Pemodelan matematis antara suhu dengan kecepatan gerak partikel gas adalah
berbanding lurus (T ~ v). Semakin besar kecepatan gerak partikel gas maka semakin
keras dinding wadah ditumbuk karena gaya impuls yang diberikan ke dinding semakin
besar. Hasilnya tekanan yang dikenakan pada dinding wadah semakin besar.
Pemodelan matematis antara kecepatan gerak partikel gas dengan tekanan adalah
berbanding lurus (P~ v). Sebagaimana diketahui, suhu gas merupakan representasi
makroskopis dari energi kinetik rata-rata tiap partikel gas. Energi kinetik rata-rata
menunjukkan kecepatan gerak partikel gas (Wiebe & Stinner, 2010; Kautz et al, 2005b).
Sehingga didapatkan tekanan berbanding lurus dengan suhu (P ~T).
Pemodelan hubungan tekanan dan suhu dapat disimulasikan dengan
demonstrasi menetesi pewarna makanan kedalam air panas dan air dingin. Jika
pewarna diteteskan ke dalam air maka pewarna tersebut akan tercampur merata
dengan sendirinya. Pergerakan tetesan pewarna yang tersebar merata ini merupakan
bukti bahwa partikel air selalu bergerak. Bila partikel air tidak bergerak, maka
pewarna makanan hanya jatuh kedasar gelas dan tidak tercampur merata dengan air.
Tetapi kenyataannya pewarna makanan tersebar merata didalam air. Penyebabnya
adalah partikel air bergerak menumbuk partikel tetesan pewarna makanan yang juga
bergerak merata ke air. Penjelasan lainnya adalah partikel-partikel zat pewarna
menumpang molekul air. Gerakan partikel bewarna menandakan adanya gerakan
molekul-molekul air. Semakin panas air maka penyebaran pewarna makanan semakin
cepat (Robertson 2002).
4. Pemodelan Hubungan Antara Tekanan, Volume, Jumlah Partikel dan Suhu
Berdasarkan pemodelan matematis yang telah didapatkan sebelumnya maka
pemodelan matematis tersebut dapat dijadikan menjadi satu kesatuan. Pemodelan yang
diperoleh sebelumnya antara lain: P ~n, P ~1/V, P ~T. Jika disatukan menjadi P
.
Untuk menyempurnakan kesebandingan tersebut menjadi persamaan maka diperlukan
konstanta yaitu R sebesar 8,315 J/mol.K. Nilai konstanta R pada semua gas adalah
sama. Karena alasan inilah, R disebut konstanta gas universal. Sehingga persamaan
tersebut menjadi PV=nRT (persamaan keadaan gas ideal). Gas ideal adalah gas dimana
persamaan keadaan gas ideal tepat berlaku untuk seluruh tekanan dan suhu. Dalam
praktik sehari-hari, persamaan gas ideal diterapkan pada gas nyata yang memiliki
tekanan sangat rendah dan suhu sangat tinggi, ketika partikel gas terpisah jauh, dan
dalam gerakan yang cepat. Persamaan keadaan gas ini juga sangat baik (dengan
toleransi hanya beberapa persen) pada tekanan sedang (sekian atm saja) dan pada suhu
jauh diatas titik cair gas (Young & Freedman, 2008; Serway & Jewett, 2014).
Secara garis besar, pembelajaran ini memberi kesempatan kepada siswa untuk
mengamati fenomena, berargumentasi dalam kelompok untuk mendeskripsikan
fenomena secara konkrit sesuai fakta, melakukan pemodelan untuk menemukan data
kualitatif, menemukan pemodelan matematis PV=nRT melalui diskusi kelas, dan
menguji ketepatan pemodelan matematis pada fenomena awal.
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-24
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
KESIMPULAN
Berdasarkan uraian di depan, untuk memfasilitasi siswa memahami konsep-konsep
persamaan keadaan gas diperlukan pemodelan. Inti dari pembelajaran ini adalah
mengkonstruksi fenomena alam menjadi pemodelan matematis. Pemodelan persamaan
keadaan gas didapatkan melalui simulasi besaran mikroskopis (gerak partikel dan
energi kinetik) yang kemudian dikaitkan dengan besaran makroskopis. Pengkaitan
kedua besaran dikarenakan pengamatan fenomena yang terjadi merupakan besaran
makroskopik (tekanan, suhu dan volume). Namun demikian perlu dilakukan penelitian
sistematis untuk menguji dugaan tersebut.
DAFTAR RUJUKAN
Aydeniz, Mehmet. 2012. Argumentation and Student s Conceptual Understanding of
Properties and Behaviors of Gases. International Journal of Science and Mathematics
Education, 10: 1303Y1324
Bouwma-Gearhart, J., Stewart, J. & Brown, K. 2009. Student Misapplication of a Gaslike Model to Explain Particle Movement in Heated Solids: Implications for
Curriculum and Instruction towards Students' Creation and Revision of Accurate
Explanatory Models. International Journal of Science Education Vol. 31, No. 9, pp.
1157 1174
Etkina. E, Warren A, Gentile. M. 2006. The Role of Models in Physics Instruction. The
Physics Teacher, 40: 34-39
Etkina. E, Planin i , Gorazd. 2015. Defining and Developing Critical Thinking
Through Devising and Testing Multiple Explanations of the Same Phenomenon.
Research Gate
Hestenes, D. 1987. Toward a Modeling Theory of Physics Instruction. American Journal
of Physics. 5 (5), 440-454.
Kautz, C. H., Heron, P. R. L., Loverude, M. E. & McDermott, L. C. (2005a). Student
Understanding of the Ideal Gas Law, part I: A Macroscopic Perspective. American
Journal of Physics, 73: 1055 1063.
Kautz, C. H., Heron, P. R. L., Shaffer, P. S. & McDermott, L. C. (2005b). Student
Understanding of the Ideal Gas Law, part II: A Microscopic Perspective. American
Journal of Physics, 73: 1064 1071.
NRC. 2012. A Framework for K-12 Science Education. United States of America:
National Academy Press
Robertson, William C. 2005. Stop Faking It! Finally Understanding Science So You Can
Teach It : Air, Water,& Weather. United States of America: National Science Teachers
Association
Robertson, William C. 2002. Stop Faking It! Finally Understanding Science So You Can
Teach It : Energy. United States of America: National Science Teachers Association
Schwarz, Christina V. 2009. Developing a Learning Progression for Scientific Modeling:
Making Scientific Modeling Accessible and Meaningful for Learners. Journal of
Research in Science Teaching, 46 (6): 632 654
Serway, R.A, Jewett, J. R. 2014. Physics for Scientist and Engineers with Modern
Physics, Ninth Edition. Boston, USA: Brooks/Cole
Sutopo. 2010. The Ways The Physics Teachers Solve A Multifaceted Real-World Problem
Relates to the Behavior of Gas. Research Gate
Wells, M., Hestenes, D. & Swackhamer, G. 1995. A Modeling Method For High School
Physics Instruction. American Journal of Physics. 606-619
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-25
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Wiebe, R. & Stinner, A. (2010). Using Story to Help Students Understanding of Gas
Behavior. Interchange, 41(4), 347 361
Young & Freedman. 2008. University Physics. United States of America: Pearson
Education.
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-26
Pembelajaran Persamaan Keadaan Gas dengan Pemodelan
AGISTA SINTIA DEWI ADILA1), SUTOPO2,*), ERA BUDI PRAYEKTI2)
Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang
E-MAIL : [email protected]
ABSTRAK: Pemahaman konsep persamaan keadaan gas diperlukan untuk memahami berbagai
fenomena yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Namun, pada kenyataannya masih banyak
siswa yang belum sepenuhnya memahami konsep persamaan keadaan gas dengan baik.
Kesulitan umum yang dialami siswa berkaitan dengan konsep: (1) tekanan, suhu dan volume
merupakan besaran makroskopis sedangkan gerak partikel dan energi kinetik merupakan
besaran mikroskopis (2) makroskopis: jika ada kenaikan suhu maka tekanan akan membesar (3)
gerak partikel
mikroskopis: jika ada kenaikan suhu maka energi kinetik partikel bertambah
kekuatan partikel yang menumbuk dinding wadah semakin besar (tekanan
semakin cepat
yang dialami wadah semakin besar) (4) mikroskopis: semakin sempit volumenya maka partikel
akan semakin sering menumbuk dinding wadah (5) ukuran partikel akan tetap seperti semula
walaupun partikel tersebut dipanaskan atau didinginkan. Untuk memfasilitasi siswa memahami
konsep persamaan keadaan gas dengan baik maka peneliti merancang pembelajaran materi
persamaan keadaan gas dengan pemodelan.
Kata Kunci: Pemodelan, persamaan keadaan gas, pemahaman konsep.
PENDAHULUAN
Salah satu tujuan pembelajaran fisika adalah membekali siswa agar dapat
memahami konsep fisika dan menggunakannya untuk menjelaskan fenomena-fenomena
yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari serta mengembangkan kecakapan sains
siswa. Seringkali, siswa belum memahami suatu konsep fisika karena tidak memahami
aplikasi dari suatu konsep tersebut. Cara yang tepat untuk memahami konsep fisika
adalah dengan mengidentifikasi suatu fenomena (NRC, 2012; Docktor et al, 2015).
Sehingga, fenomena merupakan hal yang penting untuk memahami suatu konsep.
Pokok bahasan Teori Kinetik Gas merupakan topik yang banyak berkaitan
dengan fenomena di kehidupan sehari-hari dan lebih mudah dipahami jika memahami
persamaan keadaan gas (PV=nRT) terlebih dahulu. Fenomena yang berkaitan dengan
persamaan keadaan gas adalah meletusnya ban sepeda motor karena panas, sistem
pernafasan manusia, cara kerja bekam dan penyoknya botol plastik jika dimasukkan
kedalam kulkas. Hasil pengidentifikasian fenomena-fenomena tersebut menghasilkan
pemahaman konsep hubungan antar variabel keadaan persamaan keadaan P,V, dan T
terutama secara makroskopis (Wiebe & Stinner, 2010; Kautz et al, 2005a).
Kesulitan memahami konsep persamaan keadaan gas dialami oleh mahasiswa
dan guru. Mahasiswa sering rancu antara model mikroskopis dan proses makroskopis
dalam memahami besaran termodinamika tersebut (Kautz et al, 2005a). Sebagian besar
guru tidak menggunakan persamaan keadaan gas secara lengkap untuk menjelaskan
fenomena alam yang terkait (Sutopo, 2010). Jika guru dan mahasiswa yang memiliki
jenjang pendidikan lebih tinggi daripada siswa belum memahami persamaan keadaan
gas dengan baik maka dapat diduga bahwa siswa SMA juga mengalami kesulitan dalam
konsep tersebut.
Kecakapan sains siswa perlu ditingkatkan. Kecakapan pertama adalah membuat
pertanyaan. Siswa mempertanyakan mengapa suatu fenomena bisa terjadi. Kedua,
mengembangkan dan menggunakan model. Ketiga, merencanakan penyelidikan untuk
menguji apakah model yang digunakan tepat. Keempat, menganalisis dan
menginterpretasi data. Kelima, menggunakan matematika sebagai alat untuk
merepresentasikan hubungan antar variabel. Keenam, mengkonstruksi penjelasan
tentang model yang digunakan terhadap suatu fenomena. Ketujuh, penjelasan dan
berargumentasi kelebihan dan kekurangan model. Kedelapan, mengkomunikasikan apa
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-21
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
yang ditemukan (NRC, 2012). Jika siswa melakukan kedelapan kecakapan sains maka
dapat dipastikan siswa memahami konsep fisika dengan baik.
Kesulitan memahami konsep dan rendahnya kecakapan sains siswa terhadap
persamaan keadaan gas dapat diatasi dengan pemodelan. Pemodelan yang dirujuk
adalah pemodelan matematis karena pemodelan matematis merupakan tema sentral
dalam pembelajaran fisika (Hestenes 1987; Wells et al, 1995).
PEMODELAN
Pemodelan merupakan strategi pembelajaran yang didasari oleh pendekatan
inquiry. Strategi pembelajaran dengan pemodelan mengajak siswa untuk memahami
dunia fisika dengan cara membangun model, mengevaluasi model dengan data atau
teori, dan mengaplikasikan model pada situasi nyata, Pembelajaran pemodelan
mencakup 6 komponen penting. Komponen pertama, membangun pemahaman dengan
mengkonstruksi dan menggunakan model sains untuk mendeskripsikan, menjelaskan,
memprediksi, mendesain dan mengkontrol fenomena nyata. Kedua, membekali siswa
dengan konsep dasar untuk memodelkan benda nyata dan prosesnya. Ketiga,
membiasakan siswa berpikir bahwa model dasar sebagai inti dari konteks fisika.
Keempat, menyesuaikan model yang didapatkan dengan teori. Kelima, membandingkan
model dengan data empirik (mengevaluasi). Keenam, mengembangkan keterampilan
memodelkan objek sebagai procedural core (Hestenes, 1987; Wells et al, 1995).
Etkina et al (2006), model merupakan bentuk penyederhanaan dari sebuah objek
atau fenomena; sebuah model dapat berupa deskripsi atau penjelasan. Selain itu, model
digunakan untuk menggambarkan pemahaman seseorang terhadap sistem (atau
sebagian dari sistem) dalam penyelidikan (NRC, 2012). Penelitian yang menggunakan
model telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti. Wells et al (1995) melaporkan
bahwa pemodelan terbukti dapat meningkatkan pemahaman siswa dibandingkan
dengan metode kooperatif dan pembelajaran konvensional. Schwarz et al (2009) meneliti
bagaimana model berguna untuk menjelaskan fenomena sains. Etkina & Planinsic
(2015) melakukan pemodelan suatu fenomena gaya apung agar siswa berfikir tingkat
tinggi dan dapat membuat hipotesis hingga menemukan sebuah model konseptual.
Model konseptual memudahkan kita untuk membayangkan dan memahami suatu
fenomena. Salah satu model konseptual adalah pemodelan matematis (NRC 2012).
GARIS BESAR PEMBELAJARAN PERSAMAAN KEADAAN GAS DENGAN
PEMODELAN
Diawal pembelajaran, siswa perlu stimulus untuk memahami konsep persamaan
keadaan gas. Fenomena merupakan salah satu cara untuk menstimulus pemikiran
siswa. Fenomena awal yang ditunjukkan dalam pembelajaran ini adalah memasukkan
telur kedalam tabung erlenmeyer. Fenomena tersebut merupakan gambaran yang tepat
untuk persamaan keadaan gas karena melibatkan hubungan anatara tekanna, volume,
jumlah partikel, dan suhu. Siswa diajak untuk berpikir secara global bahwa fenomena
tersebut tidak hanya dipengaruhi oleh tekanan dan suhu namun ada perubahan jumlah
partikel serta syarat volume tetap. Saat ada pembakaran (kenaikan suhu) didalam
tabung erlenmeyer, tekanan bertambah dan jumlah partikel didalam tabung erlenmeyer
berkurang (wadah terbuka). Saat telur diletakkan dimulut tabung erlenmeyer, partikel
gas tidak ada yang keluar dari tabung erlenmeyer (wadah tertutup) dan terjadi
penurunan suhu secara drastis yang menyebabkan tekanan berkurang. Garis besar
pembelajaran persamaan keadaan gas dengan pemodelan dapat dilihat pada Gambar 1.
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-22
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Gambar 1. Garis Besar Pembelajaran
Pemodelan Tekanan Gas
Tekanan gas dipengaruhi oleh 3 besaran yaitu jumlah partikel, suhu dan volume.
Pertambahan jumlah partikel dan penyusutan volume menyebabkan partikel gas sering
bertumbukan dengan dinding wadah sedangkan kenaikan suhu menyebabkan semakin
kerasnya tumbukan partikel gas dengan dinding wadah.
1. Pemodelan Hubungan Tekanan dan Jumlah Partikel
Frekuensi dinding ditumbuk partikel-partikel gas bergantung pada banyaknya
partikel-partikel gas yang ada dalam wadah. Jika volume wadah dan kecepatan gerakan
partikel-partikel gas dipertahankan tetap maka semakin banyak jumlah partikel
menyebabkan semakin sering (frekuensi) dinding wadah ditumbuk. Semakin seringnya
partikel gas menumbuk dinding wadah menyebabkan tekanan membesar (Aydeniz et al,
2012). Sehingga pemodelan matematis antara tekanan dengan jumlah partikel adalah
berbanding lurus (P ~ N). Karena N pada umumnya sangat besar, ingat: 1 mol O2
(memiliki massa 32 gram) memuat 6,02 x 1023 molekul. Untuk mempermudah
memahaminya maka jumlah partikel N dinyatakan dalam mole yaitu n.
Pemodelan hubungan tekanan dan jumlah partikel dapat disimulasikan dengan
meminta 10 siswa bertindak sebagai partikel gas yang bergerak dalam wadah.
Kesepuluh siswa melakukan simulasi berdasarkan instruksi guru yaitu bergerak lurus
dengan kecepatan konstan sampai bertumbukan dengan dinding ruang atau teman
yang lain. Setelah itu, meminta 5 siswa bergerak didalam ruangan yang sama.
Frekuensi terjadinya tumbukan pada 10 siswa lebih banyak daripada 5 siswa. Itu
berarti semakin banyak jumlah partikel maka semakin banyak (sering) partikel gas
yang menumbuk dinding wadah. Semakin sering partikel menumbuk dinding maka
tekanan yang dihasilkan semakin besar (Robertson, 2005).
Praktek pembelajaran hubungan antara tekanan dan jumlah partikel sering
diabaikan (Sutopo, 2010). Didalam fenomena alam jumlah partikel yang berubah-ubah
dapat mempengaruhi tekanan, suhu maupun volume. Jadi, jumlah partikel merupakan
besaran yang penting dalam persamaan keadaan gas.
2. Pemodelan Hubungan Antara Tekanan dan Volume
Jika jumlah patikel dan kecepatan gerak partikel gas dipertahankan tetap, maka
semakin sempit volume wadah menyebabkan seringnya partikel gas menumbuk dinding
wadah. Semakin sering partikel menumbuk dinding maka tekanan yang dihasilkan
semakin besar. Sehingga didapatkan pemodelan matematis antara tekanan dengan
volume (P ~1/V).
Pemodelan hubungan tekanan dan volume dapat disimulasikan dengan meminta
10 siswa bertindak sebagai partikel gas. Kesepuluh siswa ini berada dalam suatu
ruangan dan diminta untuk melakukan instruksi sesuai ketentuan yaitu bergerak lurus
dengan kecepatan konstan sampai bertumbukan dengan dinding ruang atau teman
yang lain. Setelah itu, meminta 10 siswa bergerak didalam ruangan yang lebih sempit.
Tumbukan pada ruang sempit lebih sering daripada tuimbukan pada ruang
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-23
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
sebelumnya. Itu berarti semakin sempit ruang gerak partikel maka semakin semakin
sering partikel gas yang menumbuk dinding wadah (Robertson, 2005).
Volume gas adalah besarnya volume ruangan yang ditempati oleh partikelpartikel gas. Jumlah partikel dan perubahan suhu tidak menyebabkan volume gas
membesar atau menyusut karena partikel gas akan tetap memenuhi ruang walau
volume gas besar atau kecil/sempit (tidak berlaku pada benda yang volumenya bisa
berubah dengan mudah misal balon).
3. Pemodelan Hubungan Tekanan dan Suhu Gas
Semakin tinggi kenaikan suhu maka semakin besar kecepatan gerak partikel gas.
Pemodelan matematis antara suhu dengan kecepatan gerak partikel gas adalah
berbanding lurus (T ~ v). Semakin besar kecepatan gerak partikel gas maka semakin
keras dinding wadah ditumbuk karena gaya impuls yang diberikan ke dinding semakin
besar. Hasilnya tekanan yang dikenakan pada dinding wadah semakin besar.
Pemodelan matematis antara kecepatan gerak partikel gas dengan tekanan adalah
berbanding lurus (P~ v). Sebagaimana diketahui, suhu gas merupakan representasi
makroskopis dari energi kinetik rata-rata tiap partikel gas. Energi kinetik rata-rata
menunjukkan kecepatan gerak partikel gas (Wiebe & Stinner, 2010; Kautz et al, 2005b).
Sehingga didapatkan tekanan berbanding lurus dengan suhu (P ~T).
Pemodelan hubungan tekanan dan suhu dapat disimulasikan dengan
demonstrasi menetesi pewarna makanan kedalam air panas dan air dingin. Jika
pewarna diteteskan ke dalam air maka pewarna tersebut akan tercampur merata
dengan sendirinya. Pergerakan tetesan pewarna yang tersebar merata ini merupakan
bukti bahwa partikel air selalu bergerak. Bila partikel air tidak bergerak, maka
pewarna makanan hanya jatuh kedasar gelas dan tidak tercampur merata dengan air.
Tetapi kenyataannya pewarna makanan tersebar merata didalam air. Penyebabnya
adalah partikel air bergerak menumbuk partikel tetesan pewarna makanan yang juga
bergerak merata ke air. Penjelasan lainnya adalah partikel-partikel zat pewarna
menumpang molekul air. Gerakan partikel bewarna menandakan adanya gerakan
molekul-molekul air. Semakin panas air maka penyebaran pewarna makanan semakin
cepat (Robertson 2002).
4. Pemodelan Hubungan Antara Tekanan, Volume, Jumlah Partikel dan Suhu
Berdasarkan pemodelan matematis yang telah didapatkan sebelumnya maka
pemodelan matematis tersebut dapat dijadikan menjadi satu kesatuan. Pemodelan yang
diperoleh sebelumnya antara lain: P ~n, P ~1/V, P ~T. Jika disatukan menjadi P
.
Untuk menyempurnakan kesebandingan tersebut menjadi persamaan maka diperlukan
konstanta yaitu R sebesar 8,315 J/mol.K. Nilai konstanta R pada semua gas adalah
sama. Karena alasan inilah, R disebut konstanta gas universal. Sehingga persamaan
tersebut menjadi PV=nRT (persamaan keadaan gas ideal). Gas ideal adalah gas dimana
persamaan keadaan gas ideal tepat berlaku untuk seluruh tekanan dan suhu. Dalam
praktik sehari-hari, persamaan gas ideal diterapkan pada gas nyata yang memiliki
tekanan sangat rendah dan suhu sangat tinggi, ketika partikel gas terpisah jauh, dan
dalam gerakan yang cepat. Persamaan keadaan gas ini juga sangat baik (dengan
toleransi hanya beberapa persen) pada tekanan sedang (sekian atm saja) dan pada suhu
jauh diatas titik cair gas (Young & Freedman, 2008; Serway & Jewett, 2014).
Secara garis besar, pembelajaran ini memberi kesempatan kepada siswa untuk
mengamati fenomena, berargumentasi dalam kelompok untuk mendeskripsikan
fenomena secara konkrit sesuai fakta, melakukan pemodelan untuk menemukan data
kualitatif, menemukan pemodelan matematis PV=nRT melalui diskusi kelas, dan
menguji ketepatan pemodelan matematis pada fenomena awal.
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-24
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
KESIMPULAN
Berdasarkan uraian di depan, untuk memfasilitasi siswa memahami konsep-konsep
persamaan keadaan gas diperlukan pemodelan. Inti dari pembelajaran ini adalah
mengkonstruksi fenomena alam menjadi pemodelan matematis. Pemodelan persamaan
keadaan gas didapatkan melalui simulasi besaran mikroskopis (gerak partikel dan
energi kinetik) yang kemudian dikaitkan dengan besaran makroskopis. Pengkaitan
kedua besaran dikarenakan pengamatan fenomena yang terjadi merupakan besaran
makroskopik (tekanan, suhu dan volume). Namun demikian perlu dilakukan penelitian
sistematis untuk menguji dugaan tersebut.
DAFTAR RUJUKAN
Aydeniz, Mehmet. 2012. Argumentation and Student s Conceptual Understanding of
Properties and Behaviors of Gases. International Journal of Science and Mathematics
Education, 10: 1303Y1324
Bouwma-Gearhart, J., Stewart, J. & Brown, K. 2009. Student Misapplication of a Gaslike Model to Explain Particle Movement in Heated Solids: Implications for
Curriculum and Instruction towards Students' Creation and Revision of Accurate
Explanatory Models. International Journal of Science Education Vol. 31, No. 9, pp.
1157 1174
Etkina. E, Warren A, Gentile. M. 2006. The Role of Models in Physics Instruction. The
Physics Teacher, 40: 34-39
Etkina. E, Planin i , Gorazd. 2015. Defining and Developing Critical Thinking
Through Devising and Testing Multiple Explanations of the Same Phenomenon.
Research Gate
Hestenes, D. 1987. Toward a Modeling Theory of Physics Instruction. American Journal
of Physics. 5 (5), 440-454.
Kautz, C. H., Heron, P. R. L., Loverude, M. E. & McDermott, L. C. (2005a). Student
Understanding of the Ideal Gas Law, part I: A Macroscopic Perspective. American
Journal of Physics, 73: 1055 1063.
Kautz, C. H., Heron, P. R. L., Shaffer, P. S. & McDermott, L. C. (2005b). Student
Understanding of the Ideal Gas Law, part II: A Microscopic Perspective. American
Journal of Physics, 73: 1064 1071.
NRC. 2012. A Framework for K-12 Science Education. United States of America:
National Academy Press
Robertson, William C. 2005. Stop Faking It! Finally Understanding Science So You Can
Teach It : Air, Water,& Weather. United States of America: National Science Teachers
Association
Robertson, William C. 2002. Stop Faking It! Finally Understanding Science So You Can
Teach It : Energy. United States of America: National Science Teachers Association
Schwarz, Christina V. 2009. Developing a Learning Progression for Scientific Modeling:
Making Scientific Modeling Accessible and Meaningful for Learners. Journal of
Research in Science Teaching, 46 (6): 632 654
Serway, R.A, Jewett, J. R. 2014. Physics for Scientist and Engineers with Modern
Physics, Ninth Edition. Boston, USA: Brooks/Cole
Sutopo. 2010. The Ways The Physics Teachers Solve A Multifaceted Real-World Problem
Relates to the Behavior of Gas. Research Gate
Wells, M., Hestenes, D. & Swackhamer, G. 1995. A Modeling Method For High School
Physics Instruction. American Journal of Physics. 606-619
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-25
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Wiebe, R. & Stinner, A. (2010). Using Story to Help Students Understanding of Gas
Behavior. Interchange, 41(4), 347 361
Young & Freedman. 2008. University Physics. United States of America: Pearson
Education.
ISBN 978-602-71279-1-9
PFMO-26