โดย จิตรยุทธ จุณภาต
ความชื้นสัมบูรณ์และความชื้นสัมพัทธ์
ความชื้นเป็นคุณสมบัติอันเกิดจากการมีไอน้ำอยู่ในสิ่งที่เรากำลังสนใจ ไม่ว่าจะเป็นวัสดุหรือในอากาศ แต่สิ่งที่เราต้องการศึกษาขณะนี้จะเกี่ยวกับไอน้ำที่อยู่ในอากาศเท่านั้น
ความชื้นสัมบูรณ์ (Specific Humidity)
มีนิยามคือ ปริมาณของไอน้ำ(โดยมวล) ต่อ ปริมาณของอากาศ(โดยมวล) ในปริมาตรหนึ่งๆที่อุณหภูมิหนึ่งๆ
สำหรับคุณสมบัติของอากาศแล้ว อากาศที่อุณหภูมิสูงขึ้น จะสามารถเก็บ (Contain) ปริมาณไอน้ำไว้ได้มากกว่าอากาศที่อุณหภูมิต่ำกว่า โดยทั่วไปบอกเป็น Grains ของความชื้นต่อน้ำหนักเป็นปอนด์ของอากาศแห้ง โดย 7,000 grains มีค่าเท่ากับหนึ่งปอนด์
ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity)
มีนิยามคือ อัตราส่วนโดยมวลของไอน้ำในอากาศในขณะหนึ่ง(ที่อุณหภูมิหนึ่ง) ต่อ ไอน้ำสูงสุดที่อากาศ (ที่อุณหภูมินั้น) สามารถแบกรับไว้ได้
การที่เรามีอากาศหนึ่งที่มีความชื้นสัมบูรณ์เป็น 100% จะหมายความว่าอากาศนั้นได้ "อิ่มตัว" (Saturated) และไม่สามารถรับไอน้ำไว้ได้อีกต่อไป ถ้าเราพยายามใส่ไอน้ำเป็นปริมาณเกินกว่าที่อากาศสามารถแบกรับไว้ได้แล้ว ไอน้ำส่วนที่เกินนั้นจะ "กลั่นตัว" (Condense) ออกมาเป็นหยดน้ำเหลือไว้แต่เพียงปริมาณไอน้ำที่ยังคงอิ่มตัวและมีความชื้นสัมพัทธ์เป็น 100% อยู่ เราคุ้นเคยกับปรากฏการณ์นี้ว่าการเกิดฝนนั้นเอง (ความชื้นสัมพัทธ์บริเวณก้อนเมฆสูงถึง 100% ในขณะที่ความชื้นสัมพัทธ์บริเวณใกล้พื้นดินอาจจะต่ำกว่านั้นมาก)
ความรู้สึกของมนุษย์ต่อความชื้น
คนเรามีความรู้สึกไวต่อความชื้นมาก หน้าที่หนึ่งของผิวของคนเราคือพยายามรักษาอุณหภูมิของร่างกายให้คงที่ ซึ่งทำได้โดยการ "ขับเหงื่อ" (Sweating) ถ้าอากาศมีความชื้นสัมพัทธ์เป็น 100% แล้ว เหงื่อที่ผิวจะไม่สามารถระเหยได้ทำให้ไม่สามารถพาความร้อนออกจากร่างกาย (โดยการใช้พลังงานแฝงของการเปลี่ยนสถานะ) ได้และเราจะรู้สึกเหมือนว่าร้อนกว่าอุณหภูมินั้นมาก ในทางตรงกันข้าม ถ้าความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ เหงื่อที่ขับออกมาจะระเหยและพาความร้อนออกจากร่างกายไปด้วย จะทำให้เรารู้สึกเย็นกว่าที่เป็น
ตัวอย่างเช่น ถ้าอุณหภูมิของอากาศเป็น 24 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ์เป็น 0% จะรู้สึกเหมือนว่าอุณหภูมิของอากาศเป็น 21° C แต่ถ้าความชื้นสัมพัทธ์เป็น 100% เราจะรู้สึกว่าอากาศมีอุณหภูมิสูงถึง 27° C โดยทั่วไปคนเราจะรู้สึกสบายพอดีที่ความชื้นสัมพัทธ์ประมาณ 45%
การวัดความชื้นสัมพัทธ์
วิธีที่แพร่หลายในการหาความชื้นสัมพัทธ์เรียกว่า "วิธีวัดอุณหภูมิกระเปาะเปียก-กระเปาะแห้ง"
เราใช้เทอร์โมมิเตอร์จำนวนสองตัว ตัวแรกสำหรับวัดอุณหภูมิของอากาศแห้งตามธรรมดา อีกตัวหนึ่งจะถูกหุ้มห่อด้วยวัสดุอุ้มน้ำ และหล่อไว้ด้วยน้ำ
การทำงานจะอาศัยหลักการที่กล่าวมาแล้วในหัวข้อที่ผ่านมา เมื่ออากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ น้ำจะสามารถระเหยกลายเป็นไอได้มากและเร็ว (เนื่องจากว่ายังมี "ที่เหลือ" สำหรับไอน้ำในอากาศนั้นได้อีกมาก) ซึ่งอัตราการระเหยที่เร็ว (และสามารถพาความร้อนออกไปจากกระเปาะเปียกได้มาก) นี้ จะทำให้อุณหภูมิของกระเปาะเปียกต่ำมากกว่าอุณหภูมิของกระเปาะแห้งมาก ในขณะที่หากความชื้นในอากาศสูงมากขึ้น อัตราการระเหยการเป็นไอของน้ำในกระเปาะเปียกจะน้อยลง ทำให้นำพาความร้อนออกไปได้น้อยลง ผลก็คือความแตกต่างของอุณหภูมิของกระเปาะทั้งสองจะน้อยลง และเมื่อใดที่ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศเป็น 100% อัตราการระเหยของน้ำในกระเปาะเปียกจะเป็นศูนย์ด้วย ทำให้ไม่มีความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของกระเปาะเปียกและกระเปาะแห้งทั้งสอง
เมื่อเราทราบอุณหภูมิของกระเปาะเปียกและกระเปาะแห้งแล้ว เราสามารถหาความชื้นสัมพัทธ์ได้จากการเทียบกับชาร์ตที่เรียกว่า โนโมกราฟ (Nomograph) หรือ ไซโคเมตริกชาร์ต (Psychrometric chart) โดยที่การหาจากโนโมกราฟจะสะดวกรวดเร็วกว่าในกรณีนี้ (แต่ไซโคเมตริกชาร์ตจะให้รายละเอียดอย่างอื่นด้วย)
รูปที่ 1 โนโมกราฟและการใช้งาน
ตัวอย่างการใช้โนโมกราฟแสดงในรูปข้างล่าง สมมติว่าอุณหภูมิกระเปาะเปียกเป็น 22.2° C (72° F) และอุณหภูมิกระเปาะแห้งเป็น 28.8° C (84° F) จะหาความชื้นสัมพัทธ์ได้เป็น 56%
ทำไมความชื้นสัมพัทธ์ (ในอาคาร) จึงต่ำเมื่ออากาศ (ภายนอก) เย็น
ในประเทศที่มีอากาศหนาวเย็น เมื่อเราอยู่ภายในห้องหรืออาคารที่ทำการปรับอากาศ จะรู้สึกว่าอากาศ (ภายในอาคารนั้น) แห้งมาก ทั้งนี้เนื่องจากความสามารถในการเก็บกักไอน้ำของอากาศเย็น (ภายนอกอาคาร) ต่ำกว่าของอากาศร้อน เช่น อากาศเย็นปริมาตร 10,000 ลูกบาศก์ฟุตที่อุณหภูมิ 10° F สามารถเก็บไอน้ำได้ 7,700 grains สมมติว่าอากาศภายนอกอาคารมีความชื้นสัมพัทธ์สูงมากคือ 100% (อากาศมีไอน้ำอิ่มตัว) ต่อมาอากาศนี้ถูกทำให้อุ่นขึ้น (ภายในอาคาร) จนมีอุณหภูมิ 70° F ซึ่งอากาศที่อุณหภูมิ 70° F สามารถเก็บอุ้มไอน้ำไว้ได้ 80,500 grains (ในขณะที่มีปริมาณไอน้ำในอากาศคงที่เป็น 7,700 grains) ดังนั้นจะทำให้สัดส่วนของไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศจริงต่อไอน้ำที่อากาศที่ 70° F สามารถเก็บอุ้มไว้ได้ (ก็คือความชื้นสัมพัทธ์นั่นเอง) มีค่าต่ำมากเป็น 7,700/80,500 หรือต่ำกว่า 10% จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้อากาศภายในอาคารที่ปรับอากาศให้อุ่นกว่าอากาศภายนอกอาคารมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำมาก
ยิ่งหากเมื่ออากาศเย็นที่ 10° F ตั้งต้นไม่ได้มีความชื้นสัมพัทธ์เป็น 100% ด้วยแล้ว ยิ่งทำให้อากาศนั้นเมื่อถูกทำให้อุ่นขึ้นจนเป็น 70° F มีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำกว่า 10% ลงไปอีก
จุดหยาดน้ำค้าง (Dew Point)
มีนิยามคือ อุณหภูมิที่ไอน้ำในอากาศเริ่มเกิดการกลั่นตัวขณะที่อุณหภูมิของอากาศนั้นลดต่ำลง (เมื่อปริมาณไอน้ำในอากาศยังคงที่)
จุดที่ไอน้ำในอากาศเริ่มเกิดการกลั่นตัวนี้จะเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของอากาศต่ำลงเรื่อยๆจนกระทั่งความชื้นสัมพัทธ์มีค่าสูงขึ้นเรื่อยๆจนเป็น 100% (คืออากาศอิ่มตัวสมบูรณ์) เมื่อใดที่ความชิ้นสัมพัทธ์เป็น 100% จะทำให้เกิดการกลั่นตัวขึ้น หากอุณหภูมินี้ต่ำกว่า 0° C เราเรียกว่า Frost Point
บางครั้งเราคิดว่าการกลั่นตัวจะเกิดขึ้นไม่ได้เมื่ออากาศร้อน ซึ่งไม่เป็นความจริง ตราบใดที่อากาศยังมีความชื้นอยู่ ย่อมต้องเกิดการกลั่นตัวได้ แต่จริงอยู่ที่ว่าเราสามารถป้องกันการเกิดการกลั่นตัวได้ง่ายเมื่อความชื้นต่ำ
เราสามารถคำนวณอุณหภูมิจุดหยาดน้ำค้างได้จากสมการ
Tdew = (112 + 0.9 Tair)*B 112 + 0.1 Tair
โดยที่
B = รากที่แปดของ (RH/100) และอุณหภูมิทั้งหมดมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียสอีกวิธีหนึ่งทำให้สามารถหาจุดหยาดน้ำค้างได้จะโดยการเปิดตาราง (ตาราง 1) เช่นถ้าความชื้นสัมพัทธ์เป็น 50% และอากาศ (หรือกระเปาะแห้ง) มีอุณหภูมิเป็น 40° C จะมีอุณหภูมิหยาดน้ำค้างเป็น 23° C แต่หากความชื้นเพิ่มสูงขึ้นเป็น 90% อุณหภูมิหยาดน้ำค้างจะสูงขึ้นเป็น 37° C (คือกลั่นตัวได้ง่ายขึ้นเมื่ออุณหภูมิต่ำลงเพียงเล็กน้อย)
ตารางที่ 1 จุดหยาดน้ำค้างที่อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ต่างๆ
หากเราดูที่ตาราง เมื่อความชื้นสัมพัทธ์สูงขึ้นเรื่อยๆจนถึง 100% จะเห็นว่าอุณหภูมิหยาดน้ำค้างจะเท่ากับอุณหภูมิอากาศ ซึ่งอธิบายได้ว่าในขณะนั้นอากาศอิ่มตัวพอดี ไม่สามารถรับไอน้ำเพิ่มได้อีกแล้ว อุณหภูมิของอากาศไม่จำเป็นต้องลดลงไปมากเพื่อให้เกิดการกลั่นตัว แม้ลดอีกเพียงเล็กน้อย (ซึ่งทำให้ความสามารถในการเก็บไอน้ำน้อยลงเล็กน้อย) ก็จะเกิดการกลั่นตัวทันที ในกรณีที่ความชื้นสัมพัทธ์เป็น 100% นี้ จะเกิดสภาวะที่เรียกว่า "หมอก" (Fog) ขึ้น
มีเหตุการณ์ที่น่าสนใจเกี่ยวกับจุดหยาดน้ำค้างคือ ในขณะเวลากลางคืน เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงและความชื้นสัมพัทธ์สูงขึ้น (เพราะอากาศที่เย็นลงมีความสามารถในการเก็บกักไอน้ำไว้ได้น้อยลงในขณะที่ปริมาณไอน้ำสัมบูรณ์ในอากาศยังคงเท่าเดิม) ถ้าเราดูจากตารางจะเห็นว่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ดูเหมือนจะถ่วงดุลกันและกันเอาไว้ทำให้จุดหยาดน้ำค้างยังค่อนข้างคงที่ ตัวอย่างเช่นอากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ 50%ที่อุณหภูมิ 50° F จะมีจุดหยาดน้ำค้างที่ 32° F ถ้าอากาศนี้มีอุณหภูมิลดต่ำลงเหลือ 45° F ในขณะที่ความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้นเป็น 60% จุดหยาดน้ำค้างจะยังไม่เปลี่ยนแปลงคืออยู่ที่ 32° F เท่าเดิม แต่ในความเป็นจริงจุดหยาดน้ำค้างอาจจะไม่ได้คงที่เสมอไปแต่เปลี่ยนขึ้นลงได้บ้างขึ้นอยู่กับว่าอุณหภูมิหรือความชื้นสัมพัทธ์เปลี่ยนเร็วกว่ากัน ซึ่งในความเป็นจริง จุดหยาดน้ำค้างจะไม่เปลี่ยนแปลงเร็วเท่ากับอุณหภูมิของอากาศ
รูปที่ 2 ไซโคเมตริกชาร์ต
ENTHALPY (h)
ในไซโคเมตริกชาร์ต จะเห็นแกน Enthalpy ซึ่งเป็นพลังงานที่มีอยู่ในอากาศ (ที่อาจจะมีไอน้ำปนอยู่ด้วย) อากาศร้อนจะมีเอนธาลปีสูงกว่าอากาศเย็น ในขณะเดียวกันอากาศที่มีความชื้นสูงกว่าจะมีเอนธาลปีสูงกว่าอากาศที่เย็นกว่า เนื่องจากอากาศต้องการความร้อนมากกว่าที่จะทำให้ความชื้นกลายเป็นไอ (ยิ่งอากาศมีความชื้นมากขึ้น ยิ่งต้องการความร้อนมากขึ้นที่จะทำให้ร้อนขึ้นและทำให้กลายเป็นไอ) ในทางกลับกันก็ต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อที่จะลดปริมาณของความชื้นลงและทำให้เย็นลง ตามปกติจะต้องใช้พลังงาน 1,061 BTU เพื่อทำให้น้ำปริมาณ 1 ปอนด์ระเหยกลายเป็นไอ
สรุป
1) จุดหยาดน้ำค้างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศและความชื้นสัมพัทธ์และสามารถคำนวณได้
2) จะเกิดหยดน้ำขึ้นบนวัตถุที่มีอุณหภูมิเท่ากับหรือต่ำกว่าจุดหยาดน้ำค้าง
3) จุดหยาดน้ำค้าง (โดยปกติอยู่ต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศ) จะขยับสูงขึ้น (ใกล้กับอุณหภูมิของอากาศมากขึ้น - เกิดการกลั่นตัวได้ง่ายขึ้น) เมื่อความชื้นสัมพัทธ์สูงขึ้น