04 p2 Potentialul Apei
-
Upload
aurelian-alexandru -
Category
Documents
-
view
60 -
download
1
description
Transcript of 04 p2 Potentialul Apei
POTENȚIALUL APEI
POTENȚIALUL APEI
CUPRINS
CONȚINUTUL ÎN APĂ Conţinutul de apă este pur şi simplu raportul dintre volumul de apă într-un material și volumul său total, sau raportul dintre masa de apă și masa uscată sau umedă a materialului:
unde V este volumul, m este masa și subscriptul w, t și d se referă la masa sau volumul de apă, total, sau uscat.Q se numește conținut volumetric de apă și w este conținutul masic de apă. Acestea sunt legate prin relația:
unde rb este densitatea.
POTENȚIALUL APEI Potențialul apei este definit ca energia potențială per mol, pe unitatea de masă, pe unitatea de volum, sau pe unitatea de greutate a apei, având ca referință apa pură la potențial zero. Unitate: vom folosi J/kg sau kPa (echivalent dacă densitatea apei este 1000kg/m3). Gradientul potențialului apei este forța care produce deplasarea apei în sistem. Apa va circula întotdeauna de la potențial mai ridicat spre potențial mai mic. Deci potențialul apei definește direcția curgerii apei în sol și în sistemul sol-plantă-atmosferă.
POTENȚIALUL APEIPotențialul apei este determinat de osmoză, gravitație, presiunea mecanică și efectul structurii (matricii) inclusiv tensiunea superficialăPotențialul apei are patru componente:
T g m o p
g
m
o
p
unde
potentialul gravitational
potentialul de structură (matrice)
potentialul osmotic
potentialul presiunii
POTENȚIALUL GRAVITAȚIONAL Potențialul gravitational este energia potențială a apei ca rezultat la poziției în câmp gravitațional. Pentru calculul potențialului gravitațional trebuie specificată o referință. Potențialul gravitational se calculează cu relația:
unde g este constanta gravitațională (9.8 m/s2) și h este înălțimea față de referință (pentru care potențialul se alege, în general, nul). Deasupra nivelului de referință h este positiv iar sub refernță este negativ.
100 m
Flow
Reference Height
POTENȚIALUL DE STRUCTURĂ A SOLULUI
Potențialul de structură (matrice) rezultă din interacțiunea dintre apă și particulele solului. Forțele de adeziune și de coeziune leagă apa și reduc energia potențială comparativ cu cea a apei libere. Pentru orice substanță îmbibată cu apă există o relație între conținutul de apă și potențialul de structură. Această relație se numește caracteristică de umezeală (vezi figura).
Potențialul de structură este totdeauna negativ sau zero. O relație empirică pentru caracteristica de umezeală este:
unde w este conținutul în apă, iar a și b sunt constante determinate experimental.
POTENȚIALUL OSMOTIC
Potențialul apei de a se deplasa de la o soluție hipotonică (mai multă apă, mai puțin solvat) spre una hipertonică traversând o membrană semipermeabilă. O măsură a potențialului apei de a se deplasa între regiuni cu concentrații diferite traversând o membrană semipermeabilă. Atunci când solvatul este într-o membrană perfectă, potențialul osmotic poate fi scris sub forma:
unde C este concentrația solvatului (mol/kg), F este coeficientul osmotic, n este numărul de ioni pe moleculă (ex. 2 pentru NaCl, 3 pentruCaCl2), R este constanta gazelor perfecte (8,3143 J/mol*K), și T este temperatura absolută.
POTENȚIALUL PRESIUNII
Potențialul presiunii apare ca rezultat al efectului presiunii hidrostatice sa presiunii pneumatice. Distincția dintre potențialul de structură și cel al presiunii se realizează studiind natura forțelor implicate. Potențialul de structură este definit ca reducerea potențialului apei pe distanțe mici în jurul interfețelor (capilaritate și forțe van der Waals forces) și este întotdeauna negativ. Potențialul presiunii este un efect macroscopic care acționează pe distanțe mai mari. Potențialul presiunii poate fi calculat cu relația:
unde P este presiunea (Pa) și rw este densitatea apei. Potențialul presiunii poate fi pozitiv sau negativ, dar, de obicei, este pozitiv.
POTENȚIALUL APEI DIN ATMOSFERĂ
Relația dintre potențialul apei și umiditate poate fi obținută considerând lucrul mecanic necesar pentru a crea un volum dV de vapori de apă. Modificarea energiei față de cea de referință pentru care p = es, presiunea vaporilor saturanzi, la p = e, o presiune de vapori inferioară se obține din:
Și cum hr = e/es și Y = energie/masă = U/nMw, cu Mw masa moleculară a apei, rezultă
sau
ECHILIBRUL POTENȚIALULUI APEI Pentru ilustrarea echilibrului potențialului apei considerăm următorul exemplu: în celula unei plante, concentrațiile solvaților sunt destul de mari. Membrana celulară este permeabilă pentru apă, dar nu și pentru solvați, deci apa tinde să intre în celulă. Peretele celulei previne creșterea volumului acesteia, deci presiunea în celulă crește. Atunci când suma dintre potențialul osmotic și cel al presiunii egalează potențialul apei în xilem, apa nu mai intră în celulă.
Presiunea osmotică pozitivă dezvoltată în celulă ca rezultat al intrării apei este numită presiune de turgescență. Când celula este plină de apă, ea se numește umflată, iar când celula pierde apă ea se numește slabă. Celulele rădăcinii devin umflate după absorbția apei și dezvoltă un potențial pozitiv în ele.
APA ÎN PLANTE
Apă ce poate fi luată de către rădăcinile plantelor
Potențialul apei din atmosferă
Potențialul apei afectează plantele în mai multe moduri. Potențialul apei din atmosferă este unul din factorii care influențează procesul de transpirație (pierdere de apă) din plante. Potențialul apei din sol influențează apa disponibilă pentru a fi preluată de către rădăcinile plantelor.
APA ÎN PLANTE
YT(sol) -0.1 MPa YT (rădăcină) -0.5 MPa
YT (tulpină) -0.6 MPa
YT (ramurimici) -0.8 MPa
YT (atmosferă) -95 MPa
APA ÎN PLANTE
Fluxul de apă din soleste dirija de DYp
Conductivitatea solului este afectată de către textura solului, temperatură și conținutul de apă.
Flux =
DYp * conductivitatea
solului
APA ÎN PLANTE
Fluxul de apă în rădăcină este dirijat de DYw
Flux =
DYw * conductanța
rădăciniiConductanța rădăcinii este produsul dintre conductivitatea rădăcinii și aria suprafeței de contact.
APA ÎN PLANTEPotențialul redus Yp în xilem cauzează urcarea apei lichide în tulpină. Mișcarea apei în xilem este determinată de diferența pe potanțial al presiunii.
D Yp. Este un proces
de deplasare de substanță.
Flux =
DYp * conductanță xilem
APA ÎN PLANTE
Legea Hagen-Poiseuille pentru curgerea printr-un capilar ideal: Debitul volumic (q) = (p r 4/8 lh) D Yp
q este debitul volumic m3 s-1
r este raza tubului (în metri)h este vâscozitatea apei.l este lungimea tubului (în metri) D Yp este gradientul presiunii în lungimea tubului (în
Pascali) .
Conductanța unui capilar
APA ÎN PLANTEFluxul de apă din frunze spre atmosferă (transpirație) este dirijat de gradientul concentrației de vapori. Acesta este un proces de difuzie diffusion. Flux = gradientul concentrației de
vapori * conductanța stomatei
APA ÎN PLANTE
Yp = -0.4 MPaYg = +0.1Yw = -0.3
10 m
20 m
30 m
Yp = -0.6 MPaYg = +0.2Yw = -0.4
Se presupune potențialul apei la nivelul soluluica fiind –0.1 MPa
Yp = -0.8 MPaYg = +0.3Yw = -0.5
Gradienții potențialului apei: condiții dinamice