Повний тиск вологи в ґрунті

Поняття про капілярно-сорбційний тиск вологи в ґрунті.

Як ми вже знаємо, на воду в ґрунті діють різні сили. Переважно у ґрунті є вода міцнозв’язана, яка розміщена близько до поверхні ґрунтових частинок. Вона знаходиться під дією сорбційних сил твердої фази ґрунту. Вода, яка міститься в ґрунтових капілярах різного розміру, також не є вільною. На поверхні розділу тверда фаза – вода – повітря (як і на будь-якій поверхні розподілу фаз) виникають сили переважно сорбційної природи, які приводять до зниження вільної енергії води. Саме ці сили формують кривизну поверхні води у капілярах, причому тим більшу, чим тонший капіляр. Якщо задати запитання, чому вода у капілярі і в ненасиченому ґрунті взагалі має тиск менший, ніж тиск у вільній воді, то можна запропонувати наступне якісне пояснення на молекулярному рівні.

Молекулярний механізм тиску рідини або газу зумовлений кінетичною енергією всіх молекул у визначеному об’ємі. Якщо енергія кожної із молекул більша, то і тиск вищий. І навпаки. Що відбувається із молекулами чистої води, які потрапляють у ґрунт або у тонкий скляний капіляр (рис. 5.3)? Вони попадають у сферу дії капілярних і сорбційних сил твердої фази ґрунту і знижують свою енергію, стаючи менш рухомими, більше зв’язаними. Відповідно, питома енергія такої вологи (її тиску) буде меншою, ніж вільної води, тому вода у тонкому капілярі має, як правило, менший тиск, ніж у вільній воді. Цей перепад тисків викличе підняття води на деяку висоту h, яку можна виміряти у вигляді висоти води у капілярах в метрах або сантиметрах водного стовпа. Хоча ці одиниці вираження тиску є позасистемними, вони часто застосовуються у фізиці, особливо у фізиці ґрунту, що досить зручно при різних розрахунках.

Рис. 5.3. Схема підйому води у скляному капілярі (а) і відношення радіуса меніска і капіляра (б)

Отже, виходить, що вода у капілярі знаходиться не у вільному стані, а відрізняється від нього (вільного стану) за рахунок дії капілярних (або лапласових) сил на деяку величину тиску, яка викликає підйом води у капілярах. При контакті ґрунту (капілярно-шпаруватого тіла) з водою саме цей тиск зумовлює швидке заповнення ґрунтових капілярів. Образно кажучи, відбувається вбирання, “всмоктування” ґрунтом вільної води, від чого тиск, який викликає це всмоктування, інколи називають “всмоктуючим”. Більш строго – говорити про капілярно-сорбційний, або матричний (від “матриці” – твердої фази ґрунту), тиск вологи, тим самим підкреслюючи його природу. Також досить важливо мати на увазі, що цей тиск має від’ємний знак – дійсно вода у капілярах має більш низький рівень тиску, ніж у вільній воді. Тиск у вільній чистій воді приймається за нуль.

У зв’язку з таким вибором нульового рівня слід більш детально зупинитись на знаках величини тиску. У більшості природних ситуацій тиск вологи у ґрунті – від’ємна величина. Тиск ґрунтової вологи дорівнює нулю лише у випадку, коли весь ґрунт заповнений чистою водою, тобто у стані повної вологоємності, і знаходиться на нульовому рівні (рівні моря), але такий стан буває у ґрунті рідко. Як правило, ґрунт ненасичений вологою, завжди у ґрунті присутнє повітря, є малі, але криві поверхні менісків. Відповідно, вода має енергію і тиск менше нуля, і коли ми будемо говорити про реальні величини тиску у ґрунті, слід завжди пам’ятати, що ця величина від’ємна.

Проте, не дуже зручно працювати з від’ємними величинами, вести розрахунки і представляти фізичну картину з суцільними від’ємними знаками. Тому часто у літературі, навіть науковій, можна зустріти додатні значення вологи у ґрунті. Автори, наприклад, вказують, що “тиск вологи у ґрунті становить 10 кПа”. Але слід пам’ятати, що мова йде про ненасичений ґрунт з від’ємним тиском вологи –10 кПа. Абсолютні значення вологи (нерідко без спеціальних вказівок, часто під назвою “всмоктуючий тиск” або “всмоктуюча сила ґрунту”) використовуються у літературі. Але слід більш строго використовувати значення тиску вологи з врахуванням знаку, тобто від нуля (насичений вологою ґрунт) і нижче (ненасичений вологою ґрунт).

Те, що у ґрунті дійсно розвивається від’ємний тиск, підтверджує такий експеримент. Пристрій представляє собою трубку, на одному кінці якої знаходиться вакуумметр, а на другому – тонкошпарувата (з дуже тонкими капілярами), пластинка (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема вимірювання від’ємної величини тиску вологи у ґрунті

Всі з’єднання цього простого пристрою зроблені герметично. Заповнивши його водою, вакуумметр показує 0, у пристрої чиста вода. Потім тонкошпарувату мембрану з’єднують з ґрунтом. Оскільки в капілярах тонкошпаруватої пластини кривизна менісків була близька до нуля, а у ґрунтових капілярах вона більш виражена, то із шпаруватої мембрани і з усього пристрою вода буде перетікати у ґрунтові капіляри. Оскільки пристрій герметичний, то через деякий час вакуумметр покаже деяке значення розрідження (Р_к-с). Це означає, що досягнуто рівновагу між тиском вологи у пристрої і тиском вологи у ґрунті. Говорячи образно, це дійсно “всмоктуючий тиск” вологи у ґрунті, який реєструється за розрідженням у пристрої. Ця схема (рис. 5.4) традиційного для фізиків ґрунту пристрою, який називається тензіометр, тобто пристрій для вимірювання капілярно-сорбційного (або матричного) тиску вологи у ґрунті.

Тепер можна дати дещо спрощене визначення капілярно-сорбційного тиску вологи – це зниження тиску води у ґрунті (у порівнянні з вільною чистою водою) під дією капілярно-сорбційних сил ґрунту, які зумовлюють підняття води у ґрунтових капілярах і утворення міцнозв’язаних водних плівок навколо ґрунтових частинок.

Слід відмітити, що капілярно-сорбційні сили, які призводять до зниження енергії (тиску) вологи, – це сили, які мають різну природу. Наявність поверхонь розподілу фаз – це лише одна із причин зниження енергії води, виникнення капілярно-сорбційного тиску. Друга причина пов’язана з наявністю на поверхні ґрунтових частинок зарядів, зокрема, вбирних обмінних катіонів. Ці сили мають у своїй основі осмотичну природу і носять назву “тиску, що розклинює”. Походження цих сил можна пояснити на наступній схемі (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема, яка пояснює виникнення розклинювального тиску у ґрунтах

Як видно на цій схемі, між окремими частинками виникає зона підвищеної концентрації іонів. Це повинно привести до підвищеного осмотичного тиску, який буде “закачувати” вільну вологу між частинками, намагаючись їх розсунути, “розклинити”. [Осмос – спонтанний перехід, однобічна дифузія через напівпроникну перегородку (мембрану), яка відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину меншої концентрації, характеризується осмотичним тиском. Зумовлений прагненням системи до термодинамічної рівноваги і вирівнювання концентрацій розчину по обидва боки мембрани]. Ці сили також намагаються “набирати” у ґрунт воду, вони у цілому діють аналогічно капілярними. Однак сили капілярної взаємодії – меніскові зусилля – будуть утримувати частинки одну з одною. У результаті у ґрунті спостерігається рівновага тонких плівок (тиск розклинювання) і капілярів (меніскові сили). Схематична рівновага цих двох форм води – капілярної з увігнутим меніском і плівкової з випуклою поверхнею приведено на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Рівновага плівкової (випукла поверхня) і капілярної (ввігнутий меніск) вологи

Виникнення у дисперсних тілах розклинювального тиску пов’язано перш за все з електростатичним відштовхуванням (рис. 5.5). Однак це не єдина причина виникнення розклинювального тиску в тонких плівках. Виділяють ще поряд з електростатичною наступні складові:

1. міжмолекулярна взаємодія. Сама назва вказує на характер взаємодії молекул, які знаходяться на поверхні твердої фази, типу Ван-дер-Ваальса.

2. адсорбційна взаємодія, пов’язана з перекриттям адсорбційних шарів води, які утворились поблизу поверхонь розділу. Характерно для дуже тонких плівок.

3. структурна взаємодія, пов’язана зі зміною структури води або водних розчинів навколо поверхні твердої фази, що також приводить до додаткового “відштовхування” ґрунтових міцел.

Слід відмітити, що розклинювальний тиск виникає лише в дуже тонких плівках води, які знаходяться на поверхні твердої фази ґрунту, товщина яких менше 200 нм.

Таким чином, формування енергетичного стану ґрунтової вологи, її тиск зумовлений в основному двома причинами – сорбційними явищами на поверхні розділу фаз і розклинювальним тиском у тонких плівках. Як правило, їх об’єднують разом під загальною назвою “капілярно-сорбційний тиск”.

Вода у капілярі буде підніматись до тих пір, поки різниця енергій вільної води і води у капілярі не зрівноважаться гравітаційним стовпом води (гравітаційної енергії). Це вказує на те, що у ґрунті діє і ще одна складова тиску, викликана гравітаційними силами. Вона одержала назву гравітаційного тиску, або гравітаційної складової повного тиску вологи, і також може бути виражена в одиницях висоти підйому води у капілярі. У випадку рівноваги капілярно-сорбційний і гравітаційний тиски рівні. Власне на цьому і основане рівняння Жарена: h = 0,15:R (h – висота капілярного руху, R – радіус капілярів).

На воду в ґрунті, крім капілярно-сорбційних і гравітаційних, будуть діяти і інші сили. Наприклад, осмотичні, зумовлені наявністю у ґрунтовій волозі іонів розчинних солей. Як відомо, ці сили також можуть бути виражені у вигляді осмотичного тиску, який понижує тиск вологи в ґрунті до величин більш низьких, ніж у вільній чистій воді.

Отже, якщо говорити про тиск ґрунтової вологи, то він у ненасиченому ґрунті нижчий, ніж у вільній воді. А причиною цьому є капілярно-сорбційні, осмотичні, гравітаційні сили, які виражаються у вигляді відповідних тисків:

Р_t = Р_к-с + Р_гр + Р_осм + Р_зов + Р_атм, де

Р_t – повний або сумарний тиск вологи в ґрунті;

Р_к-с – капілярно-сорбційний (матричний) тиск;

Р_гр – гравітаційний тиск;

Р_осм – осмотичний тиск вологи;

Р_зов – тиск вищележачих шарів, або інший зовнішній тиск, який чиниться на ґрунт (сільськогосподарською технікою, колісним транспортом та ін);

Р_атм – атмосферний тиск.

Повний тиск вологи в ґрунті – це зменшення тиску, виміряне відносно вільної чистої води (рівень якої прийнятий за нуль), причиною якого є сума тисків капілярно-сорбційного (капілярного і розклинювального у тонких плівках), осмотичного (за рахунок розчинних речовин), гравітаційного (рівного висоті стовпа рідини від нульового рівня, рівня моря, а в більшості випадків – поверхні ґрунту) і зовнішніх тисків (атмосферного і вищележачих шарів).

Крім того, волога у ґрунті може знаходитись під дією і інших сил, наприклад, тиску набухання у випадку ґрунтів, що дуже набухають. Ця складова може відігравати помітну роль в багатьох природних ситуаціях, в набухаючих, злитих ґрунтах, вертисолях. Однак домінантне значення мають вказані перші три. Саме з ними в основному і пов’язаний рух вологи і розчинених у ній речовин. Розчинені речовини визначають величину осмотичного тиску, яка простим співвідношенням пов’язана з концентрацією розчину:

Р_осм = – RTC, де

Р_осм – осмотичний тиск (в кПа);

R – газова стала (8,31·10³, кПа·м³/К⁰·моль);

Т – температура в К;

С – концентрація розчину в моль/м³.

Якщо вивчати процеси перенесення вологи тільки у звичайному, незасоленому ґрунті, то тут основне значення мають лише дві складові – капілярно-сорбційна і гравітаційна. Їх розглядають при оцінці переміщення вологи з одної точки ґрунту в іншу. У випадку використання вологи рослинами слід розглядати повний тиск вологи, оскільки рослини споживають вологу в основному за рахунок більш низького осмотичного потенціалу вологи в коріннях. Тому слід порівняти повний тиск вологи в коренях рослин і в ґрунті.

Отже, ґрунтова волога знаходиться під дією сил різної природи, які знижують її вільну енергію. Це відображається і на величині тиску вологи, який менший, ніж у вільній чистій воді. У сумарному вигляді це зниження носить назву повного тиску вологи в ґрунті. А основні його складові, що відповідають природі діючих на воду сил, – це гравітаційний, осмотичний і капілярно-сорбційний (матричний) тиск.

Дата добавления: 2014-01-04