Содержание воды

Количество воды, содержащейся в материале

Состав почвы по объему и массе , по фазам: воздух , вода , пустота (поры, заполненные водой или воздухом), нефть и общий .

Содержание воды или влажность — это количество воды , содержащейся в материале, таком как почва (так называемая влажность почвы ), камень , керамика , сельскохозяйственные культуры или древесина . Содержание воды используется в широком спектре научно-технических областей и выражается в виде отношения, которое может находиться в диапазоне от 0 (полное высыхание) до значения пористости материалов при насыщении. Его можно давать на объемной или массовой (гравиметрической) основе.

Определения

Объемное содержание воды θ определяется математически как:

${\displaystyle \theta ={\frac {V_{w}}{V_{\text{wet}}}}}$

где - объем воды и равен общему объему влажного материала, т. е. сумме объемов твердого вмещающего материала (например, частиц почвы, растительной ткани) , воды и воздуха . ${\displaystyle V_{w}}$ ${\displaystyle V_{\text{wet}}=V_{s}+V_{w}+V_{a}}$ ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle V_{w}}$ ${\displaystyle V_{a}}$

Гравиметрическое содержание воды ^[1] выражается в массе (весе) следующим образом:

${\displaystyle u={\frac {m_{w}}{m_{s}}}}$

где – масса воды, – масса твердых веществ. ${\displaystyle m_{w}}$ ${\displaystyle m_{s}}$

Для материалов, объем которых изменяется в зависимости от содержания воды, таких как уголь , весовое содержание воды u выражается через массу воды на единицу массы влажного образца (до высыхания):

${\displaystyle u'={\frac {m_{w}}{m_{\text{wet}}}}}$

Однако деревообработка , геотехника и почвоведение требуют, чтобы гравиметрическое содержание влаги выражалось по отношению к сухому весу образца:

${\displaystyle u''={\frac {m_{w}}{m_{\text{dry}}}}}$

А в пищевой науке оба и используются и называются соответственно влажностью на сырую основу (MC _wb ) и влажностью на сухую основу (MC _db ). ^[2] ${\displaystyle u'}$ ${\displaystyle u''}$

Значения часто выражаются в процентах, т. е. u × 100%.

Чтобы преобразовать весовое содержание воды в объемное содержание воды, умножьте весовое содержание воды на объемный удельный вес материала: ${\displaystyle SG}$

${\displaystyle \theta =u\times SG}$.

Производные величины

В механике грунтов и нефтяном машиностроении водонасыщенность или степень насыщенности определяется как ${\displaystyle S_{w}}$

${\displaystyle S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V\phi }}={\frac {\theta }{\phi }}}$

где пористость , выраженная в единицах объема пустот или порового пространства и общего объема вещества . ^{[ необходимы разъяснения ]} Значения S _w могут варьироваться от 0 (сухой) до 1 (насыщенный). В действительности S _w никогда не достигает 0 или 1 — это идеализация для инженерных целей. ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$ ${\displaystyle V_{v}}$ ${\displaystyle V}$

Нормализованное содержание воды , , (также называемое эффективной насыщенностью или ) представляет собой безразмерную величину, определенную Ван Генухтеном ^[3] как: ${\displaystyle \Theta }$ ${\displaystyle S_{e}}$

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

где – объемное содержание воды; – остаточное содержание воды, определяемое как содержание воды, при котором градиент становится нулевым; и – содержание насыщенной воды, эквивалентное пористости, . ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta _{r}}$ ${\displaystyle d\theta /dh}$ ${\displaystyle \theta _{s}}$ ${\displaystyle \phi }$

Измерение

Прямые методы

Содержание воды можно непосредственно измерить с помощью сушильной печи .

Гравиметрическое содержание воды u рассчитывается ^[4] через массу воды : ${\displaystyle m_{w}}$

${\displaystyle m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}$

где и – массы образца до и после сушки в печи. Это дает числитель u ; знаменатель равен или (в результате получается u' или u" соответственно), в зависимости от дисциплины. ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$ ${\displaystyle m_{\text{dry}}}$ ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$ ${\displaystyle m_{\text{dry}}}$

С другой стороны, объемное содержание воды θ рассчитывается ^[5] через объём воды : ${\displaystyle V_{w}}$

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}}$

где плотность воды . Это дает числитель θ ; знаменатель , представляет собой общий объем влажного материала, который фиксируется путем простого заполнения контейнера известного объема (например, консервной банки ) при отборе пробы. ${\displaystyle \rho _{w}}$ ${\displaystyle V_{\text{wet}}}$

Для древесины принято указывать содержание влаги в сухом состоянии (т.е. обычно образец сушится в духовке при температуре 105 градусов по Цельсию в течение 24 часов или до тех пор, пока он не перестанет терять вес). При сушке древесины это важное понятие.

Лабораторные методы

Другие методы определения содержания воды в образце включают химическое титрование (например, титрование по Карлу Фишеру ), определение потери массы при нагревании (возможно, в присутствии инертного газа) или после сублимационной сушки . В пищевой промышленности также широко используется метод Дина-Старка .

Из Ежегодного сборника стандартов ASTM (Американского общества по испытаниям и материалам) общее содержание испаряемой влаги в заполнителе (C 566) можно рассчитать по формуле:

${\displaystyle p={\frac {W-D}{W}}}$

где – доля общей испаряющейся влаги пробы, – масса исходной пробы, – масса высушенной пробы. ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle D}$

Измерение влажности почвы

Помимо прямых и лабораторных методов, описанных выше, доступны следующие варианты.

Геофизические методы

Существует несколько геофизических методов, которые могут приблизительно определить содержание влаги в почве на месте . К этим методам относятся: рефлектометрия во временной области (TDR), нейтронный зонд , датчик в частотной области , емкостной зонд , рефлектометрия в амплитудной области , томография удельного сопротивления , георадар (GPR) и другие, чувствительные к физическим свойствам воды . ^[6] Геофизические датчики часто используются для непрерывного мониторинга влажности почвы в сельскохозяйственных и научных целях.

Метод спутникового дистанционного зондирования

Спутниковое микроволновое дистанционное зондирование используется для оценки влажности почвы на основе большого контраста между диэлектрическими свойствами влажной и сухой почвы. Микроволновое излучение не чувствительно к атмосферным переменным и может проникать сквозь облака. Кроме того, микроволновый сигнал может в определенной степени проникать через растительный покров и получать информацию с поверхности земли. ^[7] Данные спутников микроволнового дистанционного зондирования, таких как WindSat, AMSR-E, RADARSAT, ERS-1-2, Metop/ASCAT и SMAP, используются для оценки поверхностной влажности почвы. ^[8]

Измерение влажности древесины

Существуют два основных метода измерения содержания влаги в древесине: испытание на сушку в печи и использование электронного измерителя влажности.

Сухой метод

Метод сушки в печи требует сушки образца древесины в специальной печи или печи и регулярной проверки веса образца. Когда процесс сушки завершен, вес образца сравнивается с его весом до сушки, и разница используется для расчета исходной влажности древесины.

Метод измерения влажности

Штифтовые и бесштыревые измерители являются двумя основными типами влагомеров.

Измерители штифтов требуют вбивания двух штифтов в поверхность древесины, при этом следя за тем, чтобы штифты были выровнены по текстуре, а не перпендикулярны ей. Штыревые измерители обеспечивают показания содержания влаги путем измерения сопротивления электрического тока между двумя штырями. Чем суше древесина, тем больше сопротивление электрическому току при измерении ниже точки насыщения волокна древесины. Штыревые измерители обычно предпочтительнее, когда нет плоской поверхности древесины, доступной для измерения.

Бесконтактные счетчики излучают электромагнитный сигнал в древесину для получения показаний о влажности древесины и обычно являются предпочтительными, когда повреждение поверхности древесины недопустимо или когда требуется большой объем показаний или большая простота использования.

Классификация и использование

Влага может присутствовать в виде адсорбированной влаги на внутренних поверхностях и в виде капиллярно-конденсированной воды в мелких порах. При низкой относительной влажности влага состоит в основном из адсорбированной воды. При более высокой относительной влажности жидкая вода становится все более важной, в зависимости от размера пор также может влиять объем. Однако в материалах на основе древесины почти вся вода адсорбируется при относительной влажности ниже 98%.

В биологических приложениях также можно различать физикосорбированную воду и «свободную» воду — физсорбированную воду, которая тесно связана с биологическим материалом и относительно трудно удалить из него. Метод, используемый для определения содержания воды, может повлиять на то, будет ли учитываться вода, присутствующая в этой форме. Для лучшего определения «свободной» и «связанной» воды следует учитывать водную активность материала.

Молекулы воды также могут присутствовать в материалах, тесно связанных с отдельными молекулами, в виде «кристаллизационной воды» или в виде молекул воды, которые являются статическими компонентами структуры белка.

Науки о Земле и сельском хозяйстве

В почвоведении , гидрологии и сельскохозяйственных науках содержание воды играет важную роль в пополнении подземных вод , сельском хозяйстве и химическом составе почвы . Многие недавние научные исследования были направлены на прогнозное понимание содержания воды в пространстве и времени. Наблюдения в целом показали, что пространственная изменчивость содержания воды имеет тенденцию увеличиваться по мере увеличения общей влажности в полузасушливых регионах, уменьшаться по мере увеличения общей влажности во влажных регионах и достигать пика в условиях средней влажности в регионах с умеренным климатом. ^[9]

Существует четыре стандарта содержания воды, которые регулярно измеряются и используются, и они описаны в следующей таблице:

И, наконец , доступное содержание воды θ _a , что эквивалентно:

θ _а ≡ θ _fc - θ _pwp

которое может варьироваться от 0,1 в гравии до 0,3 в торфе .

сельское хозяйство

Когда почва становится слишком сухой, транспирация растений снижается, поскольку вода все больше связывается с частицами почвы за счет всасывания. Ниже точки увядания растения больше не способны извлекать воду. В этот момент они увядают и вообще перестают проявляться. Условия, когда почва слишком сухая для поддержания надежного роста растений, называются сельскохозяйственной засухой и являются предметом особого внимания при управлении ирригацией . Такие условия распространены в засушливых и полузасушливых регионах.

Некоторые специалисты в области сельского хозяйства начинают использовать показатели окружающей среды, такие как влажность почвы, для планирования орошения . Этот метод называется умным ирригацией или обработкой почвы . ^[10]

Подземные воды

В насыщенных водоносных горизонтах подземных вод все доступные поровые пространства заполнены водой (объемное содержание воды = пористость ). Над капиллярной каймой в порах также есть воздух.

Большинство почв имеют содержание воды меньше, чем пористость, что является определением ненасыщенных условий, и они составляют предмет гидрогеологии вадозной зоны . Капиллярная граница уровня грунтовых вод является разделительной линией между насыщенными и ненасыщенными состояниями. Содержание воды в капиллярной кайме уменьшается с увеличением расстояния над фреатической поверхностью. Поток воды через ненасыщенную зону в почвах часто включает в себя процесс пальцевого движения, возникающий в результате нестабильности Саффмана-Тейлора . Это происходит в основном за счет дренажных процессов и приводит к нестабильной границе раздела между насыщенными и ненасыщенными областями.

Одной из основных сложностей, возникающих при изучении вадозной зоны, является тот факт, что ненасыщенная гидравлическая проводимость является функцией влажности материала. По мере высыхания материала связанные влажные пути через среду становятся меньше, а гидравлическая проводимость уменьшается с уменьшением содержания воды очень нелинейным образом.

Кривая водоудержания представляет собой зависимость между объемным содержанием воды и водным потенциалом пористой среды. Это характерно для разных типов пористой среды. Из-за гистерезиса можно различить разные кривые смачивания и высыхания.

В совокупности

Обычно заполнитель имеет четыре различных режима влажности. Они бывают сухими в печи (OD), сухими на воздухе (AD), сухими на насыщенной поверхности (SSD) и влажными (или влажными). ^[11] Сухость в печи и сушка на насыщенной поверхности могут быть достигнуты путем экспериментов в лабораториях, тогда как сушка на воздухе и влажность (или влажность) являются обычными условиями для заполнителей в природе.

Четыре условия

• Сухой в печи (OD) определяется как состояние заполнителя, при котором ни в одной части заполнителя нет влаги. Этого условия можно достичь в лаборатории, нагрев заполнитель до 220 °F (105 °C) в течение определенного периода времени. ^[11]
• Воздушно-сухой (AD) определяется как состояние заполнителя, при котором в порах заполнителя присутствует некоторое количество воды или влаги, а наружные поверхности его сухие. Это естественное состояние агрегатов летом или в засушливых регионах. В этом состоянии заполнитель будет поглощать воду из других материалов, добавленных на его поверхность, что может оказать некоторое влияние на некоторые характеристики заполнителя. ^[11]
• Сухая насыщенная поверхность (SSD) определяется как состояние заполнителя, при котором поверхности частиц являются «сухими» ( т. е . они не поглощают никакой добавленной воды затворения и не вносят какую-либо содержащуюся в них воду в смесь ^[11] ), но межчастичные пустоты насыщены водой. В этом состоянии заполнители не будут влиять на содержание свободной воды в композитном материале . ^{[12] [13]}

Адсорбция воды по массе (A _m ) определяется через массу сухого с насыщенной поверхностью (M _ssd ) образца и массы высушенного в печи испытуемого образца (Mсух ₎ по формуле:

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{dry}}{M_{dry}}}}$

• Влажный (или влажный) определяется как состояние заполнителя, при котором вода полностью проникает в заполнитель через его поры, а на его поверхностях имеется свободная вода в избытке по сравнению с состоянием SSD, которая становится частью воды затворения. ^[11]

Приложение

Среди этих четырех условий влажности заполнителей, насыщенная сухая поверхность является состоянием, которое находит наибольшее применение в лабораторных экспериментах, исследованиях и исследованиях, особенно в тех, которые связаны с водопоглощением, соотношением состава или испытанием на усадку в таких материалах, как бетон. Для многих подобных экспериментов условием насыщения и сухости поверхности является предпосылка, которую необходимо осознать перед экспериментом. В сухом состоянии с насыщенной поверхностью содержание воды в заполнителе находится в относительно стабильном и статическом состоянии, когда на него не влияет окружающая среда. Следовательно, в экспериментах и ​​испытаниях, когда заполнители находятся в состоянии с насыщенной и сухой поверхностью, будет меньше разрушающих факторов, чем в трех других условиях. ^{[14] [15]}

Смотрите также

• Влажность , «содержание воды» в воздухе
• Влага
• Вязкая аппликатура
• Анализ влажности
• Датчики влажности почвы
• Водная активность
• Кривая удержания воды

Рекомендации

1. Т. Уильям Ламбе и Роберт В. Уитмен (1969). «Глава 3: Описание совокупности частиц» . Механика грунтов (Первое изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 553. ИСБН 978-0-471-51192-2.
2. Р. Пол Сингх; Деннис Р. Хелдман (2014). "Глава 1 Введение". Введение в пищевую инженерию (Пятое изд.). Эльзевир. дои : 10.1016/c2011-0-06101-x. ISBN 978-0-12-398530-9.
3. ван Генухтен, M.Th. (1980). «Уравнение в замкнутой форме для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных грунтов». Журнал Американского общества почвоведения . 44 (5): 892–898. Бибкод : 1980SSASJ..44..892V. дои : 10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x. hdl : 10338.dmlcz/141699 .
4. «Гравиметрическое и объемное содержание воды в почве | Edaphic Scientific» . 9 мая 2016 г.
5. Дингман, С.Л. (2002). «Глава 6. Вода в почвах: инфильтрация и перераспределение». Физическая гидрология (второе изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc., с. 646. ИСБН 978-0-13-099695-4.
6. Ф. Озчеп; М. Аски; О. Тезель; Т. Яс; Н. Алпаслан; Д. Гундогду (2005). «Взаимосвязь между электрическими свойствами (на месте) и содержанием воды (в лаборатории) некоторых почв Турции» (PDF) . Тезисы геофизических исследований . 7 .
7. Лаханкар, Тарендра; Гедира, Хосни; Темими, Маруан; Сенгупта, Манаджит; Ханбилварди, Реза; Блейк, Реджинальд (2009). «Непараметрические методы определения влажности почвы по данным дистанционного спутникового зондирования». Дистанционное зондирование . 1 (1): 3–21. Бибкод : 2009RemS....1....3L. дои : 10.3390/rs1010003 .
8. «Дистанционное измерение влажности почвы». Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г. Проверено 22 августа 2007 г.
9. Лоуренс, JE и GM Хорнбергер (2007). «Изменчивость влажности почвы в разных климатических зонах». Геофиз. Рез. Летт . 34 (L20402): L20402. Бибкод : 2007GeoRL..3420402L. дои : 10.1029/2007GL031382 .
10. Джези, В. Элизабет; Кумар, Анил; Хосен, Баппа; Д, Сталин Давид (24 апреля 2022 г.). «Интернет вещей с поддержкой интеллектуальной системы рекомендаций по ирригации и культивации для точного земледелия». ECS-транзакции . 107 (1): 5953–5967. Бибкод : 2022ECSTr.107.5953J. дои : 10.1149/10701.5953ecst. ISSN  1938-5862. S2CID  248458443.
11. «Соотношение воды и цемента и поправки на совокупную влажность». precast.org . Проверено 18 ноября 2018 г.
12. «Совокупная влага в бетоне». Бетонное строительство . Проверено 8 ноября 2018 г.
13. ftp://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/TMS/400-A_series/pdfs/cnn403.pdf
14. Заккарди, Я. Вильягран; Зега, CJ; Карризо, Ле; Соса, Мэн (01 октября 2018 г.). «Водопоглощение мелких переработанных заполнителей: эффективное определение методом, основанным на электропроводности». Материалы и конструкции . 51 (5): 127. дои : 10.1617/s11527-018-1248-2. ISSN  1871-6873. S2CID  139201161.
15. Кавамура, Масаси; Касаи, Ёсио (29 мая 2009 г.). «Определение насыщенного поверхностно-сухого состояния глинисто-песчаных смешанных грунтов для грунтоцементобетонного строительства». Материалы и конструкции . 43 (4): 571–582. дои : 10.1617/s11527-009-9512-0. ISSN  1359-5997. S2CID  137282443.

дальнейшее чтение

• Робинсон, Дэвид А. (2008), «Полевая оценка содержания воды в почве: практическое руководство по методам, приборам и сенсорным технологиям» (PDF) , Журнал Американского общества почвоведения , Вена, Австрия: Международное агентство по атомной энергии, 73 ( 4): 131, Bibcode : 2009SSASJ..73.1437R, doi : 10.2136/sssaj2008.0016br, ISSN  1018-5518, IAEA-TCS-30
• Вессель-Боте, Вайхермюллер (2020): Методы полевых измерений в почвоведении. Новое практическое руководство по измерениям почвы объясняет принципы работы различных типов датчиков влажности (независимо от производителя), их точность, области применения и способы установки таких датчиков, а также тонкости получаемых таким образом данных. Также имеет дело с другими параметрами почвы, связанными с сельскохозяйственными культурами.