การระเหย การควบแน่น และความชื้น

เสื้อยืดแห้งได้แม้อยู่ในห้องที่เย็น และมีหยดน้ำปรากฏบนแก้วที่เย็น โมเลกุลของน้ำออกสู่อากาศโดยไม่เดือดได้อย่างไร และเหตุใดบางครั้งจึงกลับมา?

โมเลกุลบริเวณผิวของเหลวเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่างกัน บางโมเลกุลมีพลังงานพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดจากเพื่อนบ้านแล้วออกไปเป็นแก๊ส การระเหยจึงเกิดที่ผิวได้ในช่วงอุณหภูมิปกติที่สารยังเป็นของเหลว โดยไม่ต้องเดือด ลองใส่น้ำปริมาณเท่ากันในแก้วแคบกับจานกว้าง จานมีพื้นที่ผิวให้โมเลกุลออกไปได้มากกว่า เมื่อเงื่อนไขอื่นเหมือนกัน น้ำในจานจึงมักหายไปเร็วกว่า

เหตุใดผิวที่เปียกจึงรู้สึกเย็น? โดยเฉลี่ย โมเลกุลที่ออกจากของเหลวพาพลังงานออกไปมากกว่าโมเลกุลที่เหลือ ทำให้พลังงานภายในของของเหลวลดลง หากสิ่งแวดล้อมไม่ชดเชยพลังงานส่วนนี้ ของเหลวจะเย็นลง แต่การระเหยเกิดที่อุณหภูมิคงตัวได้เช่นกัน โดยรับพลังงานจากอากาศหรือเครื่องให้ความร้อน เป็นต้น ดังนั้นการที่ของเหลวไม่เย็นลงจึงไม่ได้พิสูจน์ว่าการระเหยหยุดแล้ว

การทำให้ผ้าอุ่นขึ้น คลี่ผ้าออก และให้อากาศพัดผ่าน ล้วนช่วยให้ผ้าแห้ง การเพิ่มอุณหภูมิทำให้โมเลกุลออกจากของเหลวได้มากขึ้น ส่วนการคลี่ผ้าเพิ่มพื้นที่ผิวที่สัมผัสอากาศ กระแสอากาศพาไอออกไปและลดจำนวนโมเลกุลที่กลับสู่ผิว เมื่อต้องการทดสอบปัจจัยหนึ่ง ต้องคงปัจจัยอื่นไว้ ลมเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้น้ำร้อนขึ้น แต่เปลี่ยนการแลกเปลี่ยนไอระหว่างผิวกับอากาศรอบข้าง

โมเลกุลของไอเคลื่อนที่ตลอดเวลาเช่นกัน และบางครั้งกลับเข้าสู่ของเหลว การเปลี่ยนกลับจากแก๊สเป็นของเหลวเรียกว่าการควบแน่น เมื่อปิดภาชนะที่มีน้ำและรักษาอุณหภูมิให้คงตัว ไอจะเพิ่มขึ้น ทำให้โมเลกุลกลับสู่ของเหลวบ่อยขึ้น หากมีของเหลวเพียงพอและยังเหลืออยู่ อัตราเฉลี่ยของการระเหยกับการควบแน่นจะเท่ากัน ไอนี้เรียกว่าไออิ่มตัว แต่หากน้ำหมดก่อน อาจยังไม่ถึงภาวะอิ่มตัว

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

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

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

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

ไซโครมิเตอร์มีเทอร์มอมิเตอร์กระเปาะแห้งหนึ่งอันและกระเปาะเปียกน้ำอีกหนึ่งอัน ในอากาศชื้น การระเหยทำให้กระเปาะเปียกเย็นลงน้อยกว่าในอากาศแห้ง หาความชื้นได้จากค่าที่อ่านได้ทั้งสองค่าและตารางที่ตรงกับเงื่อนไขการใช้เครื่องมือ เมื่ออิ่มตัว ค่าที่อ่านได้เกือบเท่ากันหากติดตั้งเทอร์มอมิเตอร์ถูกต้อง ทั้งอุณหภูมิกระเปาะแห้งและผลต่างของค่าที่อ่านได้มีความสำคัญ ผลต่างเพียงอย่างเดียวไม่ให้ค่าร้อยละที่ใช้ได้ทุกสภาวะ

ความหนาแน่นของไอเป็น 8 g/m³ และความหนาแน่นของไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกันเป็น 20 g/m³ จงหาความชื้นสัมพัทธ์

เปรียบเทียบไอกับไออิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน ความหนาแน่นทั้งสองมีหน่วย g/m³ จึงไม่ต้องแปลงหน่วยก่อนหาอัตราส่วน

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

หากอุณหภูมิคงเดิม ยังห่างจากภาวะอิ่มตัวมาก ความหนาแน่นจริงเป็นสี่ในสิบของ 20 g/m³ เมื่อเย็นลง ไอเดิมอาจมีความชื้นสัมพัทธ์เปลี่ยนไป

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

การระเหยและการควบแน่นเกิดพร้อมกัน ผลที่สังเกตได้ขึ้นอยู่กับผลต่างของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสองทิศทาง

ภาวะอิ่มตัวหมายถึงกระบวนการทั้งสองมีอัตราเฉลี่ยเท่ากัน โดยยังมีสถานะของเหลวอยู่

ความชื้นขึ้นอยู่กับทั้งปริมาณไอและอุณหภูมิ การทำให้เย็นลงอาจทำให้อากาศถึงจุดน้ำค้าง

ขณะเดือด ไอเกิดภายในของเหลวด้วย ต่อไปเราจะเรียนรู้ว่าความดันเกี่ยวข้องอย่างไร