fizikzauglom

เกรด 8 · การเปลี่ยนแปลงสถานะของการรวมกลุ่ม

การระเหย การควบแน่น และความชื้น

ไออิ่มตัวและการวัดความชื้นสัมพัทธ์

24 นาที7 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

เสื้อยืดแห้งได้แม้อยู่ในห้องที่เย็น และมีหยดน้ำปรากฏบนแก้วที่เย็น โมเลกุลของน้ำออกสู่อากาศโดยไม่เดือดได้อย่างไร และเหตุใดบางครั้งจึงกลับมา?

อุณหภูมิห้องไอน้ำออกสู่อากาศโดยไม่เดือดหยดน้ำบนผ้าและโมเลกุลในอากาศ: ภาพแผน
เสื้อยืดเปียกแห้งในห้องทั่วไปได้ แม้น้ำจะยังห่างจากภาวะเดือดมาก โมเลกุลออกจากผิวได้ที่อุณหภูมิปกติทั่วไป

ออกจากผิวของเหลว

โมเลกุลบริเวณผิวของเหลวเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่างกัน บางโมเลกุลมีพลังงานพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดจากเพื่อนบ้านแล้วออกไปเป็นแก๊ส การระเหยจึงเกิดที่ผิวได้ในช่วงอุณหภูมิปกติที่สารยังเป็นของเหลว โดยไม่ต้องเดือด ลองใส่น้ำปริมาณเท่ากันในแก้วแคบกับจานกว้าง จานมีพื้นที่ผิวให้โมเลกุลออกไปได้มากกว่า เมื่อเงื่อนไขอื่นเหมือนกัน น้ำในจานจึงมักหายไปเร็วกว่า

การระเหยการควบแน่น
การระเหยเกิดที่ผิวของเหลว ลูกศรแสดงเส้นทางโมเลกุลผ่านขอบเขตผิว ออกสู่แก๊สเมื่อระเหยและกลับสู่ของเหลวเมื่อควบแน่น ไม่มีฟองภายในของเหลว ส่วนภาชนะปิดและภาวะสมดุลจะพิจารณาในภายหลัง

เหตุใดของเหลวจึงเย็นลง

เหตุใดผิวที่เปียกจึงรู้สึกเย็น? โดยเฉลี่ย โมเลกุลที่ออกจากของเหลวพาพลังงานออกไปมากกว่าโมเลกุลที่เหลือ ทำให้พลังงานภายในของของเหลวลดลง หากสิ่งแวดล้อมไม่ชดเชยพลังงานส่วนนี้ ของเหลวจะเย็นลง แต่การระเหยเกิดที่อุณหภูมิคงตัวได้เช่นกัน โดยรับพลังงานจากอากาศหรือเครื่องให้ความร้อน เป็นต้น ดังนั้นการที่ของเหลวไม่เย็นลงจึงไม่ได้พิสูจน์ว่าการระเหยหยุดแล้ว

โมเลกุลใดออกไป?พลังงานมากกว่าโดยเฉลี่ยของเหลวที่เหลือเฉลี่ยพลังงานลดลงหากไม่มีพลังงานภายนอกชดเชย
โดยเฉลี่ย โมเลกุลที่ออกไปพาพลังงานมากกว่าโมเลกุลที่เหลือ พลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนในของเหลวจึงอาจลดลง ลูกศรเริ่มจากโมเลกุลใกล้ผิว ของเหลวจะเย็นลงหากไม่มีพลังงานจากภายนอกมาชดเชย

ปัจจัยที่กำหนดอัตราการระเหย

การทำให้ผ้าอุ่นขึ้น คลี่ผ้าออก และให้อากาศพัดผ่าน ล้วนช่วยให้ผ้าแห้ง การเพิ่มอุณหภูมิทำให้โมเลกุลออกจากของเหลวได้มากขึ้น ส่วนการคลี่ผ้าเพิ่มพื้นที่ผิวที่สัมผัสอากาศ กระแสอากาศพาไอออกไปและลดจำนวนโมเลกุลที่กลับสู่ผิว เมื่อต้องการทดสอบปัจจัยหนึ่ง ต้องคงปัจจัยอื่นไว้ ลมเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้น้ำร้อนขึ้น แต่เปลี่ยนการแลกเปลี่ยนไอระหว่างผิวกับอากาศรอบข้าง

ให้ความร้อนพื้นที่ลมผิวกว้างขึ้นพาไอออกไปลมลดการกลับมาของโมเลกุลคงเงื่อนไขอื่นให้เหมือนกัน
ปัจจัยสามอย่างเมื่อเงื่อนไขอื่นเหมือนกัน ได้แก่ การให้ความร้อน การเพิ่มพื้นที่ผิวอิสระ และการพาอากาศชื้นออกไป ลูกศรการระเหยเริ่มที่ผิวของเหลว ส่วนพลังงานเข้าสู่ก้นภาชนะ ลมพาไอออกไป ทำให้โมเลกุลกลับสู่ผิวน้อยลง จำนวนลูกศรไม่ได้ระบุอัตราส่วนเชิงตัวเลขของอัตราการระเหย

การเคลื่อนที่กลับสู่ของเหลว

โมเลกุลของไอเคลื่อนที่ตลอดเวลาเช่นกัน และบางครั้งกลับเข้าสู่ของเหลว การเปลี่ยนกลับจากแก๊สเป็นของเหลวเรียกว่าการควบแน่น เมื่อปิดภาชนะที่มีน้ำและรักษาอุณหภูมิให้คงตัว ไอจะเพิ่มขึ้น ทำให้โมเลกุลกลับสู่ของเหลวบ่อยขึ้น หากมีของเหลวเพียงพอและยังเหลืออยู่ อัตราเฉลี่ยของการระเหยกับการควบแน่นจะเท่ากัน ไอนี้เรียกว่าไออิ่มตัว แต่หากน้ำหมดก่อน อาจยังไม่ถึงภาวะอิ่มตัว

ภาชนะปิด, T = constออกไปและกลับมาการระเหยการควบแน่นที่สมดุลเท่ากัน
โมเลกุลของไอผ่านผิวกลับสู่ของเหลว เรียกว่าการควบแน่น ในภาชนะปิดที่อุณหภูมิคงตัว การเคลื่อนที่สองทิศทางจะมีอัตราเฉลี่ยเท่ากันในที่สุด หากมีของเหลวเพียงพอและยังเหลืออยู่ ไอจะอิ่มตัว เส้นทางทั้งสองไปถึงผิวของเหลว

สมดุลที่ยังมีการเคลื่อนที่

เมื่ออิ่มตัว ปริมาณของเหลวและไอโดยเฉลี่ยคงเดิม แต่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลยังข้ามขอบเขตไปมาทั้งสองทิศทาง นี่คือสมดุลพลวัต ไม่ใช่การหยุดเคลื่อนที่ ความหนาแน่นของไออิ่มตัว ρнас ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และสำหรับน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่อร้อนขึ้น ดังนั้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ ไอปริมาณเดิมมักไม่เพียงพอสำหรับภาวะอิ่มตัว หากยังมีของเหลวอยู่ ก็จะระเหยเพิ่มอีกบางส่วน

กระบวนการไม่หยุดการระเหยการควบแน่น=อัตราเฉลี่ยเท่ากันρнасT₁T₂T₃T₁ < T₂ < T₃: ρнас เพิ่ม
เมื่ออิ่มตัว การระเหยและการควบแน่นยังเกิดด้วยอัตราเฉลี่ยเท่ากัน ด้านล่างเปรียบเทียบความหนาแน่นไออิ่มตัวเชิงคุณภาพที่อุณหภูมิสามค่า T₁ < T₂ < T₃ ความสูงไม่ได้ระบุค่าหรืออัตราส่วนที่แน่นอน แต่แสดงว่าอุณหภูมิสูงขึ้นให้ความหนาแน่นสมดุลสูงขึ้น

ปริมาณไอเมื่อเทียบกับภาวะอิ่มตัว

ห้องสองห้องอาจมีมวลไอน้ำต่อปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เมตรเท่ากัน แต่ใกล้ภาวะอิ่มตัวไม่เท่ากันหากอุณหภูมิต่างกัน ความหนาแน่นของไอ ρ คือมวลไอต่อหนึ่งหน่วยปริมาตรของอากาศ มีหน่วย kg/m³ หรือ g/m³ การประเมินโอกาสเกิดการระเหยและการควบแน่นต่อไปทำได้โดยเปรียบเทียบ ρ กับความหนาแน่นของไออิ่มตัว ρнас ที่อุณหภูมิเดียวกัน การเปรียบเทียบนี้นิยามความชื้นสัมพัทธ์

T เดียวกันT เดียวกัน50%100%
ความชื้นสัมพัทธ์เปรียบเทียบความหนาแน่นไอน้ำกับความหนาแน่นไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน ภาพแสดงกรณี 50% และ 100% อย่างเป็นแผนภาพ

สัดส่วนและร้อยละ

หากความหนาแน่นจริงเป็นครึ่งหนึ่งของความหนาแน่นไออิ่มตัว ความชื้นสัมพัทธ์เป็นครึ่งหนึ่ง หรือ 50% โดยทั่วไป φ = ρ/ρнас และคูณอัตราส่วนนี้ด้วย 100% เพื่อแสดงเป็นร้อยละ หน่วยความหนาแน่นต้องตรงกันจึงจะตัดกันได้ ที่อุณหภูมิคงตัว การเพิ่ม ρ เป็นสองเท่าทำให้ φ เป็นสองเท่าจนถึงภาวะอิ่มตัว เมื่อ ρ = 0 ความชื้นเป็นศูนย์ และเมื่อ ρ = ρнас ความชื้นเป็น 100% กรณีหลังหมายถึงไออิ่มตัว ไม่ใช่ว่าอากาศทั้งหมดเป็นน้ำ

φ = ρ : ρнасρρнасตอนนี้ความอิ่มตัวφ = 0,5 → 50 %
อัตราส่วนของความหนาแน่นไอต่อความหนาแน่นไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกันให้สัดส่วน φ ในตัวอย่าง ความหนาแน่นจริงเป็นครึ่งหนึ่งของค่าอิ่มตัว ความสูงแท่งที่วัดจากศูนย์เดียวกันมีอัตราส่วน 1:2 พอดี สัดส่วน 0.5 ตรงกับ 50%

จุดน้ำค้าง

ทำให้อากาศในภาชนะปิดแข็งเกร็งเย็นลงในช่วงที่ยังไม่มีหยดน้ำ มวลไอและปริมาตรคงเดิม ดังนั้น ρ คงเดิม แต่ ρнас ลดลง อัตราส่วน φ จึงเพิ่มขึ้นจนเท่ากับหนึ่ง นี่คืออุณหภูมิที่เริ่มเกิดการควบแน่นในการทดลองที่ปริมาตรคงตัวนี้ ส่วนจุดน้ำค้างตามนิยามทั่วไปหาโดยทำให้อากาศเย็นลงที่ความดันและปริมาณไอน้ำคงตัว หากเย็นลงอีก ไอบางส่วนอาจกลายเป็นหยดน้ำ น้ำบนแก้วเย็นจึงมาจากอากาศรอบข้าง ไม่ได้ซึมผ่านเนื้อแก้วออกมา

ทำให้เย็นลงที่ V = constT, °Cρ, г/м³ρнасρ ก่อนควบแน่นเริ่มการควบแน่นเย็นลงจากนั้นไอบางส่วนเป็นของเหลว
กราฟแผนภาพสำหรับการทำให้เย็นลงที่ปริมาตรคงตัวและไม่มีไอรั่วออก ก่อนควบแน่น ความหนาแน่นจริงคงตัวตามเส้นประแดงด้านขวา อุณหภูมิเริ่มควบแน่นในการทดลองนี้อยู่ที่จุดตัดกับ ρнас(T) จุดน้ำค้างมาตรฐานนิยามต่างกัน โดยใช้ความดันและปริมาณไอคงตัว เมื่อเย็นลงอีก ไอบางส่วนควบแน่นและความหนาแน่นสมดุลเปลี่ยนตามเส้นโค้งสีน้ำเงิน เส้นประแดงจึงไม่ต่อไปทางซ้าย

การวัดความชื้น

ไซโครมิเตอร์มีเทอร์มอมิเตอร์กระเปาะแห้งหนึ่งอันและกระเปาะเปียกน้ำอีกหนึ่งอัน ในอากาศชื้น การระเหยทำให้กระเปาะเปียกเย็นลงน้อยกว่าในอากาศแห้ง หาความชื้นได้จากค่าที่อ่านได้ทั้งสองค่าและตารางที่ตรงกับเงื่อนไขการใช้เครื่องมือ เมื่ออิ่มตัว ค่าที่อ่านได้เกือบเท่ากันหากติดตั้งเทอร์มอมิเตอร์ถูกต้อง ทั้งอุณหภูมิกระเปาะแห้งและผลต่างของค่าที่อ่านได้มีความสำคัญ ผลต่างเพียงอย่างเดียวไม่ให้ค่าร้อยละที่ใช้ได้ทุกสภาวะ

แห้งเปียก22 °C010203016 °Cค่าที่อ่าน + ตาราง → ความชื้น
ค่าตัวอย่างของเทอร์มอมิเตอร์เหมือนกันสองอัน: กระเปาะแห้ง 22 °C และกระเปาะเปียก 16 °C กระเปาะเปียกหุ้มด้วยผ้าเปียก การระเหยจากผ้าทำให้เครื่องมือเย็นลง สเกลมีศูนย์และช่วงแบ่งเท่ากัน หาความชื้นโดยใช้อุณหภูมิกระเปาะแห้ง ผลต่างของค่าที่อ่านได้ และตารางไซโครเมตริก ในอากาศอิ่มตัวแทบไม่มีการเย็นลงจากการระเหย

ความชื้นในห้อง

ความหนาแน่นของไอเป็น 8 g/m³ และความหนาแน่นของไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกันเป็น 20 g/m³ จงหาความชื้นสัมพัทธ์

ความหนาแน่นทั้งคู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน0820ρ, г/м³ρнас, г/м³ความชื้นสัมพัทธ์ — ?
ความหนาแน่นไอจริงเป็น 8 g/m³ และค่าอิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกันเป็น 20 g/m³ ทั้งสองค่ามีศูนย์และมาตราส่วนเดียวกัน ความสูงแท่งจึงแปรผันตรงกับความหนาแน่น ต้องหาความชื้นสัมพัทธ์ โดยคงข้อมูลและแท่งเดิมไว้ทุกขั้นตอน

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1

เปรียบเทียบไอกับไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน ความหนาแน่นทั้งสองมีหน่วย g/m³ จึงไม่ต้องแปลงหน่วยก่อนหาอัตราส่วน

ความหนาแน่นทั้งคู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน0820ρ, г/м³ρнас, г/м³(г/м³) / (г/м³) = 1อัตราส่วนไร้มิติ
คงความหนาแน่น 8 และ 20 g/m³ ที่อุณหภูมิเดียวกันและแท่งเดิมไว้ เมื่อหาร g/m³ ด้วย g/m³ หน่วยจะตัดกัน ผลลัพธ์เป็นจำนวนไร้มิติ ไม่ใช่ความหนาแน่น

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2

φ = 8/20 = 0,4 คือสัดส่วนของความหนาแน่นเทียบกับไออิ่มตัว คูณด้วย 100% ได้ 40%

ความหนาแน่นทั้งคู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน0820ρ, г/м³ρнас, г/м³φ = 8 / 20 = 0,4ยังเป็นสัดส่วน
ใช้แท่งคู่เดิม หารความหนาแน่นจริง 8 g/m³ ด้วยความหนาแน่นไออิ่มตัว 20 g/m³ ที่อุณหภูมิเดียวกัน φ = 8/20 = 0,4 คือสัดส่วนเทียบกับภาวะอิ่มตัว ค่าตั้งต้น หน่วย ศูนย์ร่วม และมาตราส่วนยังคงเดิม

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 3

หากอุณหภูมิคงเดิม ยังห่างจากภาวะอิ่มตัวมาก ความหนาแน่นจริงเป็นสี่ในสิบของ 20 g/m³ เมื่อเย็นลง ไอเดิมอาจมีความชื้นสัมพัทธ์เปลี่ยนไป

ความหนาแน่นทั้งคู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน0820ρ, г/м³ρнас, г/м³0,4 × 100% = 40%ที่ T นี้ ไอยังไม่อิ่มตัว
คงความหนาแน่น 8 และ 20 g/m³ และอัตราส่วนความสูงแท่งเดิมไว้ คูณสัดส่วน 0.4 ด้วย 100% ได้ 40% ที่อุณหภูมินี้ ความหนาแน่นจริงน้อยกว่าค่าอิ่มตัว ไอจึงยังไม่อิ่มตัว สิ่งที่แปลงเป็นร้อยละคืออัตราส่วน ส่วนแท่งยังคงแสดงความหนาแน่น

ตรวจสอบผลลัพธ์

ความชื้นสัมพัทธ์ 40% หมายถึงที่อุณหภูมินี้ ความหนาแน่นของไอเป็น 40% ของความหนาแน่นไออิ่มตัว ไม่ใช่ 40% ของมวลอากาศทั้งหมด

ใจความสำคัญ · 1

การระเหยและการควบแน่นเกิดพร้อมกัน ผลที่สังเกตได้ขึ้นอยู่กับผลต่างของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสองทิศทาง

ใจความสำคัญ · 2

ภาวะอิ่มตัวหมายถึงกระบวนการทั้งสองมีอัตราเฉลี่ยเท่ากัน โดยยังมีสถานะของเหลวอยู่

ใจความสำคัญ · 3

ความชื้นขึ้นอยู่กับทั้งปริมาณไอและอุณหภูมิ การทำให้เย็นลงอาจทำให้อากาศถึงจุดน้ำค้าง

บทเรียนถัดไป

ขณะเดือด ไอเกิดภายในของเหลวด้วย ต่อไปเราจะเรียนรู้ว่าความดันเกี่ยวข้องอย่างไร

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ไออิ่มตัว

ไอที่อยู่ในสมดุลพลวัตกับของเหลว ณ อุณหภูมิที่กำหนด โดยอัตราเฉลี่ยของการระเหยและการควบแน่นเท่ากัน

โมเลกุลยังเคลื่อนผ่านผิวทั้งสองทิศทาง ในภาชนะปิดจะเกิดภาวะอิ่มตัวได้หากมีของเหลวเพียงพอและยังเหลืออยู่ แต่ของเหลวอาจระเหยหมดก่อนถึงภาวะนั้น ความหนาแน่นของไออิ่มตัวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ไอไม่อิ่มตัวมีความหนาแน่นน้อยกว่าไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน และการระเหยอาจเกิดมากกว่าการควบแน่น

การระเหยและการควบแน่น

การระเหยเกิดขึ้นจากพื้นผิวของของเหลว และการควบแน่นจะเปลี่ยนไอกลับเป็นของเหลว

การระเหยจะถูกเร่งด้วยความร้อน ลม และพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้น โมเลกุลที่เร็วที่สุดจะพาพลังงานไปและทำให้ของเหลวเย็นลง

ความชื้นสัมพัทธ์

อัตราส่วนของความหนาแน่นที่แท้จริงของไอน้ำต่อความหนาแน่นของไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน หากต้องการแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ให้คูณอัตราส่วนนี้ด้วย 100

จุดน้ำค้างคืออุณหภูมิที่ต้องทำให้อากาศเย็นลงจนถึงภาวะอิ่มตัว โดยรักษาความดันและปริมาณไอน้ำให้คงตัว หากเย็นลงอีก อาจเกิดการควบแน่นได้ วัดความชื้นด้วยไซโครมิเตอร์หรือเซนเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ และต้องเปรียบเทียบความหนาแน่นที่อุณหภูมิเดียวกัน

ปริมาณทางฟิสิกส์

3 ปริมาณ

ความชื้นสัมพัทธ์

\varphi

อัตราส่วนของความหนาแน่นที่แท้จริงของไอน้ำต่อความหนาแน่นของไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน สำหรับเปอร์เซ็นต์อัตราส่วนนี้จะคูณด้วย 100

หน่วย: ปริมาณไร้มิติ

ความหนาแน่นของไอน้ำ

\rho

มวลของไอน้ำต่อหน่วยปริมาตรอากาศ

หน่วย: กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร · \frac{\mathrm{кг}}{\mathrm{м}^3}

ความหนาแน่นของไออิ่มตัว

\rho_{\text{нас}}

ความหนาแน่นของไอสมดุลสูงสุดที่อุณหภูมิที่กำหนด

หน่วย: กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร · \frac{\mathrm{кг}}{\mathrm{м}^3}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

ความชื้นสัมพัทธ์

\varphi = \frac{\rho}{\rho_{\text{нас}}}

ความชื้นสัมพัทธ์เท่ากับอัตราส่วนของความหนาแน่นของไอจริงต่อความหนาแน่นของไออิ่มตัว

เงื่อนไข: ความหนาแน่นทั้งสองต้องเป็นค่าที่อุณหภูมิเดียวกันและใช้หน่วยเดียวกัน สูตรให้ค่าเป็นสัดส่วน เมื่อต้องการแสดงเป็นร้อยละ ให้คูณผลลัพธ์ด้วย 100%

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ