Содержание воды

Количество воды, содержащейся в материале

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

Содержание воды или влажность — это количество воды , содержащейся в материале, таком как почва (называемая влажностью почвы ), горная порода , керамика , сельскохозяйственные культуры или древесина . Содержание воды используется в широком спектре научных и технических областей и выражается как отношение, которое может варьироваться от 0 (полностью сухой) до значения пористости материалов при насыщении. Оно может быть дано на объемной или массовой (гравиметрической) основе.

Определения

Объемное содержание воды , θ, математически определяется как:

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

где — объем воды, а равен общему объему влажного материала, т. е. сумме объемов твердого материала-хозяина (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 по массе (весу) следующим образом:

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

где - масса воды, - масса твердых тел. ${\displaystyle m_{w}}$ ${\displaystyle m_{s}}$

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

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

Однако в деревообработке , геотехнике и почвоведении требуется, чтобы гравиметрическое содержание влаги выражалось по отношению к сухому весу образца:

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

А в пищевой науке оба используются и называются соответственно влажностью влажной основы (MC _wb ) и влажностью сухой основы (MC _db ). ^[2] ${\displaystyle u'}$ ${\displaystyle u''}$

Значения часто выражаются в процентах, например, u × 100%.

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

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

Производные величины

В механике грунтов и нефтяной инженерии водонасыщенность или степень насыщения 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 виде объема пустот или порового пространства и общего объема вещества . ^{[ необходимо уточнение ]} Значения S _w могут находиться в диапазоне от 0 (сухой) до 1 (насыщенный). В действительности S _w никогда не достигает 0 или 1 - это идеализации для инженерного использования. ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$ ${\displaystyle V_{v}}$ ${\displaystyle V}$

Нормализованное содержание воды ( также называемое эффективной насыщенностью или ) представляет собой безразмерную величину, определяемую 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 равным нулю; — насыщенное содержание воды, эквивалентное пористости, . ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta _{r}}$ ${\displaystyle d\theta /dh}$ ${\displaystyle \theta _{s}}$ ${\displaystyle \phi }$

Измерение

Прямые методы

Содержание воды можно измерить напрямую с помощью сушильной печи .Метод сушки в печи требует сушки образца (почвы, древесины и т. д.) в специальной печи или печи и проверки веса образца через регулярные промежутки времени. После завершения процесса сушки вес образца сравнивается с его весом до сушки, и разница используется для расчета исходного содержания влаги в образце.

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 — это или ( что дает 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 объем воды : ${\displaystyle V_{w}}$

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

где — плотность воды . Это дает числитель θ ; знаменатель — общий объем влажного материала, который фиксируется простым заполнением контейнера известного объема (например, консервной банки ) при взятии образца. ${\displaystyle \rho _{w}}$ ${\displaystyle V_{\text{wet}}}$

Для древесины принято сообщать о содержании влаги на основе сушки в печи (т.е. обычно образец сушат в печи при температуре 105 градусов по Цельсию в течение 24 часов или до тех пор, пока он не перестанет терять вес). В сушке древесины это важная концепция.

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 .

Согласно Ежегодному сборнику 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 общего содержания испаряемой влаги в образце, — масса исходного образца, — масса высушенного образца. ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle D}$

Измерение влажности почвы

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

Геофизические методы

Существует несколько геофизических методов, которые могут приблизительно определить содержание воды в почве in situ . Эти методы включают: рефлектометрию во временной области (TDR), нейтронный зонд , датчик частотной области , емкостный зонд , рефлектометрию амплитудной области , томографию электрического сопротивления , георадар (GPR) и другие, которые чувствительны к физическим свойствам воды . ^[6] Геофизические датчики часто используются для непрерывного мониторинга влажности почвы в сельскохозяйственных и научных приложениях.

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 проникать, в определенной степени, через растительный полог и получать информацию с поверхности земли. ^[7] Данные со 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

В дополнение к основным методам, описанным выше, существует еще один метод измерения влажности древесины: электронный влагомер . Штифтовые и бесштифтовые измерители являются двумя основными типами влагомеров.

Для измерения влажности с помощью штифтов необходимо вбить два штифта в поверхность древесины, убедившись, что штифты выровнены с волокнами, а не перпендикулярны им. Штифтовые измерители обеспечивают показания влажности путем измерения сопротивления электрического тока между двумя штифтами. Чем суше древесина, тем больше сопротивление электрическому току при измерении ниже точки насыщения волокон древесины. Штифтовые измерители обычно предпочтительны, когда нет плоской поверхности древесины, доступной для измерения

Бесштифтовые измерители излучают электромагнитный сигнал в древесину, чтобы обеспечить показания влажности древесины, и обычно предпочтительны, когда повреждение поверхности древесины недопустимо или когда требуется большой объем показаний или большая простота использования.

Классификация и применение

Влага может присутствовать в виде адсорбированной влаги на внутренних поверхностях и в виде капиллярной конденсированной воды в мелких порах. При низкой относительной влажности влага в основном состоит из адсорбированной воды. При более высокой относительной влажности жидкая вода становится все более важной, в зависимости или нет от размера пор, также может быть влияние объема. Однако в древесных материалах почти вся вода адсорбируется при влажности ниже 98% RH.

В биологических приложениях также может быть различие между физиопоглощенной водой и «свободной» водой — физиопоглощенная вода тесно связана с биологическим материалом и относительно трудно удаляется из него. Метод, используемый для определения содержания воды, может влиять на то, учитывается ли вода, присутствующая в этой форме. Для лучшего указания «свободной» и «связанной» воды следует учитывать активность воды материала.

Молекулы воды могут также присутствовать в материалах, тесно связанных с отдельными молекулами, как «кристаллизационная вода» или как молекулы воды, являющиеся статическими компонентами структуры белка.

Науки о Земле и сельском хозяйстве

В почвоведении , гидрологии и сельскохозяйственных науках содержание воды играет важную роль в подпитке грунтовых вод , сельском хозяйстве и химии почвы . Многие недавние научные исследования были направлены на предиктивное понимание содержания воды в пространстве и времени. Наблюдения показали, что пространственная дисперсия 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 промежуточной влажности в умеренных регионах. ^[9]

Существует четыре стандартных показателя содержания воды, которые регулярно измеряются и используются. Они описаны в следующей таблице:

И, наконец, имеющееся содержание воды , θ _a , которое эквивалентно:

θ _а ≡ θ _фк − θ _пвп

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

Сельское хозяйство

Когда почва становится слишком сухой, транспирация растений падает, поскольку вода все больше связывается с частицами почвы путем всасывания. Ниже точки увядания растения больше не могут извлекать воду. В этой точке они увядают и полностью прекращают транспирацию. Условия, при которых почва слишком сухая для поддержания надежного роста растений, называются сельскохозяйственной засухой и являются особым фокусом управления орошением . Такие условия распространены в засушливых и полузасушливых условиях.

Некоторые специалисты по сельскому хозяйству начинают использовать экологические измерения, такие как влажность почвы, для планирования орошения . Этот метод называется умным орошением или обработкой почвы . ^[10]

Грунтовые воды

В насыщенных грунтовых водоносных горизонтах все имеющиеся поровые пространства заполнены водой (объемное содержание воды = пористость ). Выше капиллярной каймы поровые пространства также содержат воздух.

Большинство почв имеют содержание воды меньше пористости, что является определением ненасыщенных условий, и они составляют предмет гидрогеологии зоны аэрации . Капиллярная кайма уровня грунтовых вод является разделительной линией между насыщенными и ненасыщенными условиями. Содержание воды в капиллярной кайме уменьшается с увеличением расстояния над поверхностью грунтовых вод . Поток воды через ненасыщенную зону в почвах часто включает процесс пальцеобразования, являющийся результатом неустойчивости Саффмана-Тейлора . Это происходит в основном за счет процессов дренажа и создает нестабильный интерфейс между насыщенными и ненасыщенными областями.

Одной из основных сложностей, возникающих при изучении зоны аэрации, является тот факт, что ненасыщенная гидравлическая проводимость является функцией содержания воды в материале. По мере высыхания материала связанные влажные пути через среду становятся меньше, гидравлическая проводимость уменьшается с меньшим содержанием воды в очень нелинейной манере.

Кривая удержания воды — это зависимость между объемным содержанием воды и водным потенциалом пористой среды. Она характерна для различных типов пористой среды. Из-за гистерезиса можно выделить различные кривые смачивания и высыхания.

В совокупности

Как правило, заполнитель имеет четыре различных состояния влажности. Это «сухой в печи» (OD), «сухой на воздухе» (AD), «пропитанная поверхность сухая» (SSD) и «влажная» (или мокрая). ^{[11] «} Сухой в печи» и «пропитанная поверхность сухая» могут быть достигнуты экспериментально в лабораторных условиях, в то время как «сухой на воздухе» и «влажная» (или мокрая) являются обычными состояниями заполнителей в природе.

Четыре условия

• Сухой в печи (OD) определяется как состояние агрегата, при котором в любой его части нет влаги. Это состояние может быть достигнуто в лаборатории путем нагрева агрегата до 220 °F (105 °C) в течение определенного периода времени. ^[11]
• Воздушно-сухой (AD) определяется как состояние агрегата, при котором в порах агрегата есть некоторое количество воды или влаги, в то время как его внешняя поверхность сухая. Это естественное состояние агрегатов летом или в засушливых регионах. В этом состоянии агрегат будет поглощать воду из других материалов, добавленных на его поверхность, что, возможно, окажет некоторое влияние на некоторые характеристики агрегата. ^[11]
• Насыщенная поверхность сухая (SSD) определяется как состояние агрегата , в котором поверхности частиц «сухие» ( т.е. они не будут ни поглощать никакую добавленную воду для смешивания, ни вносить никакую содержащуюся в них воду в смесь ^[11] ), но пустоты между частицами насыщены водой. В этом состоянии агрегаты не будут влиять на содержание свободной воды в композитном материале . ^{[12] [13]}

Массовая адсорбция воды (A _m ) определяется через массу насыщенного поверхностно-сухого образца (M _ssd ) и массу высушенного в печи испытуемого образца (M _dry ) по формуле:

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

• Влажность (или мокрота) определяется как состояние заполнителя, при котором вода полностью проникла в заполнитель через его поры, и на его поверхности имеется свободная вода сверх состояния SSD, которая станет частью воды для смешивания. ^[11]

Приложение

Среди этих четырех условий влажности заполнителей, состояние насыщенной поверхности сухое является состоянием, которое имеет наибольшее применение в лабораторных экспериментах, исследованиях и изысканиях, особенно тех, которые связаны с водопоглощением, соотношением состава или испытаниями на усадку в материалах, таких как бетон. Для многих связанных экспериментов состояние насыщенной поверхности сухое является предпосылкой, которая должна быть реализована до эксперимента. В условиях насыщенной поверхности сухое содержание воды в заполнителе находится в относительно стабильном и статическом состоянии, когда его окружающая среда не будет влиять на него. Поэтому в экспериментах и ​​испытаниях, где заполнители находятся в состоянии насыщенной поверхности сухое, 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

Ссылки

1. T. William Lambe & Robert V. Whitman (1969). "Глава 3: Описание совокупности частиц" . Механика грунтов (первое издание). John Wiley & Sons, Inc. стр. 553. ISBN 978-0-471-51192-2.
2. Р. Пол Сингх; Деннис Р. Хелдман (2014). "Глава 1: Введение". Введение в пищевую инженерию (Пятое изд.). Elsevier. doi :10.1016/c2011-0-06101-x. ISBN 978-0-12-398530-9.
3. van Genuchten, M.Th. (1980). "Уравнение замкнутой формы для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных почв". Журнал Soil Science Society of America . 44 (5): 892–898. Bibcode :1980SSASJ..44..892V. doi :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.). Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc. стр. 646. ISBN 978-0-13-099695-4.
6. F. Ozcep; M. Asci; O. Tezel; T. Yas; N. Alpaslan; D. Gundogdu (2005). "Связь между электрическими свойствами (in situ) и содержанием воды (в лаборатории) некоторых почв в Турции" (PDF) . Рефераты 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 зондирование влажности почвы". Архивировано из оригинала 29-09-2007 . Получено 22-08-2007 .
9. Лоуренс, Дж. Э. и Г. М. Хорнбергер (2007). "Изменчивость влажности почвы в разных климатических зонах". Geophys. Res. Lett . 34 (L20402): L20402. Bibcode :2007GeoRL..3420402L. doi : 10.1029/2007GL031382 .
10. Джеси, В. Элизабет; Кумар, Анил; Хосен, Баппа; Д, Сталин Дэвид (24.04.2022). «Система рекомендаций по интеллектуальной ирригации и возделыванию с использованием Интернета вещей для точного земледелия». ECS Transactions . 107 (1): 5953–5967. Bibcode : 2022ECSTr.107.5953J. doi : 10.1149/10701.5953ecst. ISSN  1938-5862. S2CID  248458443.
11. "Водоцементное отношение и корректировки влажности заполнителя". precast.org . Получено 18.11.2018 .
12. "Влажность заполнителя в бетоне". Бетонное строительство . Получено 2018-11-08 .
13. ftp://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/TMS/400-A_series/pdfs/cnn403.pdf
14. Zaccardi, YA Villagran; Zega, CJ; Carrizo, LE; Sosa, ME (2018-10-01). "Водопоглощение мелких переработанных заполнителей: эффективное определение методом, основанным на электропроводности". Materials and Structures . 51 (5): 127. doi :10.1617/s11527-018-1248-2. hdl : 11336/83159 . ISSN  1871-6873. S2CID  139201161.
15. Кавамура, Масаси; Касаи, Ёсио (29.05.2009). «Определение состояния насыщенной поверхности и сухости смешанных глинисто-песчаных грунтов для строительства из бетона на основе грунта и цемента». Материалы и конструкции . 43 (4): 571–582. doi :10.1617/s11527-009-9512-0. ISSN  1359-5997. S2CID  137282443.

Дальнейшее чтение

• Робинсон, Дэвид А. (2008), «Оценка содержания почвенной влаги в полевых условиях: практическое руководство по методам, приборам и сенсорным технологиям» (PDF) , Журнал Американского общества почвоведов , 73 (4), Вена, Австрия: Международное агентство по атомной энергии: 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 порядок установки таких датчиков, а также тонкости полученных таким образом данных. Также рассматриваются другие параметры почвы, связанные с сельскохозяйственными культурами.