ความดันไอน้ำ

        ปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนสถานะของน้ำคือ อุณหภูมิ และความดัน ปัจจัยทั้งสองเกี่ยวพันใกล้ชิดจนเปรียบเสมือนด้านหัวและก้อยของเหรียญเดียวกัน ขึ้นอยู่ว่าเราจะมองด้านไหน  การมองว่า “อุณหภูมิ” คือระดับของพลังงาน จะช่วยให้ทำความเข้าใจเรื่องปริมาณไอน้ำในอากาศได้ง่ายขึ้น    ระดับพลังงาน ณ อุณหภูมิห้อง (10°C – 40°C)  ทำให้โมเลกุลของน้ำสั่น น้ำจึงมีสถานะเป็นของเหลว หากพลังงานเพิ่มขึ้นโมเลกุลของน้ำก็จะสั่นมากขึ้น จนถึงระดับหนึ่งก็จะหลุดลอยเป็นอิสระและเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส ซึ่งเรียกว่า “ไอน้ำ”  ในทางกลับกันหากพลังงานลดต่ำลง  โมเลกุลของน้ำจะเกาะตัวกันแน่นขึ้นจนกลายเป็นผลึกและมีสถานะเป็นของแข็ง  เราจึงสรุปได้ว่า “วันที่มีอุณหภูมิสูงมีไอน้ำในอากาศมาก วันที่มีอุณหภูมิต่ำมีไอน้ำในอากาศน้อย” หรืออาจกล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า “ฤดูร้อนย่อมมีไอน้ำในอากาศมากกว่าฤดูหนาว” “บริเวณร้อนชื้นแถบศูนย์สูตรย่อมมีไอน้ำในบรรยากาศมากกว่าบริเวณเขตหนาวขั้วโลก”  ทั้งนี้จะเห็นได้ว่า ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ จะมีปริมาณไอน้ำในอากาศ เป็นจำนวนที่ชี้เฉพาะขึ้นอยู่กับระดับของพลังงาน (อุณหภูมิ)      เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะมีแนวโน้มว่า มีไอน้ำในบรรยากาศมากขึ้น   และหากอุณหภูมิลดต่ำลงจะมีแนวโน้มว่า ไอน้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวหรือของแข็ง

ภาพที่ 1 โมเลกุลน้ำในภาชนะ

        หากมีกล้องวิเศษที่สามารถมองถังน้ำในภาพที่ 1 ด้วยกำลังขยายหนึ่งพันล้านเท่า  เราจะมองเห็นโมเลกุลของน้ำเบียดเสียดวิ่งไปวิ่งมา โดยที่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแตกต่างกัน ช้าบ้าง เร็วบ้าง ซึ่งค่าเฉลี่ยของความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก็คือ อุณหภูมิของน้ำ (พลังงานจลน์)   ถ้าโมเลกุลที่อยู่บริเวณผิวน้ำมีความเร็วมากพอ ก็จะเคลื่อนที่หลุดออกไปสู่อากาศ  โมเลกุลเหล่านี้จะเปลี่ยนสถานะจากน้ำเป็นไอน้ำ ซึ่งก็คือ “การระเหย” นั่นเอง   

        เมื่อเราปิดฝาถังและดันเข้าไปดังเช่นรูปขวามือของภาพที่ 1  น้ำที่เคยระเหยเป็นไอน้ำ จะถูกควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครั้งหนึ่ง   หากจำนวนโมเลกุลของน้ำที่ระเหยกลายเป็นไอน้ำ จะเท่ากับจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่ควบแน่นกลับเป็นน้ำพอดี เราเรียกว่า “อากาศอิ่มตัวด้วยไอน้ำ”  ในทางกลับกันหากดึงฝาเปิดออก ไอน้ำในอากาศซึ่งเคยอยู่ในถังจะหนีออกมา  ทำให้จำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่เหลืออยู่ข้างในน้อยลง อากาศจึงไม่เกิดการอิ่มตัว  ปัจจัยในธรรมชาติที่ทำให้อากาศไม่เกิดการอิ่มตัวคือ กระแสลม เมื่ออากาศเสียดสีกับพื้นน้ำ  โมเลกุลของอากาศจะส่งถ่ายพลังงานไปยังโมเลกุลของน้ำ  เมื่อมีกระแสลมแรงพลังงานที่ส่งถ่ายมากขึ้น จนทำให้โมเลกุลของน้ำสั่นหลุดเป็นอิสระ เปลี่ยนสถานะกลายเป็นแก๊ส 

ภาพที่ 2 โมเลกุลของแก๊สต่างๆ ในกลุ่มอากาศ

        อากาศมีแรงดันทุกทิศทุกทาง ความดันเกิดจากการพุ่งชนกันของโมเลกุลของแก๊ส ถ้าสมมติให้กลุ่มอากาศ (Air parcel) ในภาพที่ 2 มีความกดอากาศ 1,000 mb (มิลลิบาร์)  มีองค์ประกอบเป็นแก๊สไนโตรเจน 78% แก๊สออกซิเจน 21% และไอน้ำประมาณ 1%  ด้วยสัดส่วนนี้แก๊สไนโตรเจนทำให้เกิดแรงดัน 780 mb  แก๊สไนโตรเจนทำให้เกิดแรงดัน 210 mb  และไอน้ำทำให้เกิดแรงดัน 10 mb  จะเห็นได้ว่า ความดันไอน้ำ (Vapor pressure) มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับความดันของแก๊สทั้งหมด  อย่างไรก็ตามหากเราเพิ่มความดันให้กับกลุ่มอากาศ โดยการเพิ่มปริมาณอากาศในลักษณะเดียวกับการเป่าลูกโป่ง ทำให้จำนวนโมเลกุลของไอน้ำอากาศมากขึ้น ความดันไอน้ำมากขึ้นย่อมทำให้อุณหภูมิสูงตามขึ้นไปตามกฎของแก๊ส (อุณหภูมิของแก๊สแปรผันตามความดัน แต่แปรผกผันกับปริมาตร)​ เราจึงสรุปได้ว่า อุณหภูมิของอากาศแปรผันตามความดันไอน้ำหรือปริมาณของไอน้ำในอากาศ  ดังนั้นอากาศชื้นย่อมมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศแห้ง