МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙАГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Учебно-методическое пособие по изучению дисциплины
«Теплофизические основы мелиорации почв» и выполнению расчетно-графической работы
Определение теплофизических характеристик почвы импульсным методом плоского нагревателя
Барнаул 2010
Содержание
теплофизический почва импульсный
Введение
1. Основные теплофизические характеристики почвы
2. Факторы, влияющие на теплофизические характеристики почвы
3. Методы исследований теплофизических характеристик почвы
4. Импульсный метод плоского нагревателя
Практическое задание
Задания для выполнения расчетно-графической работы
Автоматизация расчетов
Библиографический список
Введение
Физика почв - это область почвоведения, изучающая физические свойства почв и протекающие в них физические процессы.
В общем случае, почва представляет собой многофазную дисперсную систему, в которой составляющие вещества находятся в твердом, жидком и газообразном состоянии. Почвенные частицы различны по величине и имеют разный минералогический и химический состав. Между слагающими почву частицами образуются пустоты, или поры, в которых находится почвенный раствор или почвенный воздух.
Почва, как природное физическое тело связана с факторами почвообразования, которые определяют особенности почвенного профиля, состоящего из генетических горизонтов, и с условиями внешней среды (климатом, рельефом, растительностью). Факторы внешней среды определяют радиационный, тепловой, водный и воздушный режим почв. На характер и скорость распространения воды, воздуха, тепла в почвах существенное влияние оказывает строение почвенного профиля, степень выраженности вертикальной анизотропии.
Почвообразовательный процесс оказывает сильное влияние на организацию, упорядочение и дифференциацию твердой части почвы, определяет состав почвенного раствора и обусловливает особенности почвы, как природного физического тела, которое подчиняется законам физики. При ее исследовании, используют не только физические методы, но и современные физические теории, опирающиеся на математический аппарат.
Непрерывность процессов почвообразования обеспечивается, прежде всего, атмосферным климатом. Поступающая в почву лучистая энергия Солнца частично трансформируется в химическую, но, в большей степени, во внутреннюю, поддерживая жизненно важные для почвообразования явления теплообмена и гумусонакопления в почвенном профиле.
Определенные сочетания условий увлажнения и температуры в атмосфере, а также гидротермического и воздушного режимов в почве обусловливают тип растительности, темпы гумификации, скорость и характер процессов выветривания минеральной части почвы и миграции продуктов почвообразования.
Многолетний режим температуры и влажности почвы, почвенного воздуха и других элементов, зависящий от комплекса природных условий и производственной деятельности человека определяют климат почвы. Первыми составляющими климата почвы являются тепловой, водный и воздушный режимы.
Содержание в почве тепла и его распределение по профилю зависит от теплофизических свойств почвы, которые в свою очередь являются функциями целого ряда почвенно-физических параметров (гранулометрического и минералогического составов, плотности, пористости, влажности, содержания органического вещества и солей). Эти зависимости выявляют неоднородность почв по теплофизическим свойствам и предоставляют возможность направленного воздействия на температурный режим почвы.
Исследование теплофизических свойств почвы необходимо для прогнозирования гидротермических явлений и создания оптимальных условий в почве с целью повышения урожайности возделываемых культур.
1. Основные теплофизические характеристики почвы
Формирование гидротермического режима в почвенном профиле определяется ее теплофизическими показателями: объемной теплоемкостью (Сс), теплопроводностью (л) и температуропроводностью (a).
Объемная теплоемкость (Сс) характеризует почву с точки зрения способности ее к нагреву или охлаждению, под воздействием сообщаемой ей теплоты, являясь величиной, равной количеству тепла, необходимого для изменения температуры 1м3 почвы на один градус. Единицей измерения объёмной теплоемкости в СИ является 1 (Дж/м3•К).
Коэффициент теплопроводности (л) характеризует почву с точки зрения способности ее проводить тепло, представляя собой величину, равную количеству тепла, переносимому почвой в единицу времени через единицу площади при градиенте температуры, равном единице. Единицей измерения коэффициента теплопроводности в СИ является 1 ватт на кельвин-метр 1 (Вт/К•м)
Коэффициент температуропроводности (a) численно равен коэффициенту теплопроводности образца почвы с объемной теплоемкостью, равной единице. Единицей измерения коэффициента температуропроводности в СИ является 1 метр в квадрате на секунду 1 (м2/с).
2. Факторы, влияющие на теплофизические характеристики почвы
Характер теплофизических характеристик почвы формируется под воздействием четырех факторов: кондуктивной, конвективной, радиационной и массообменной проводимости.
Кондукция (теплопередача) - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.
Кондуктивная теплопроводность в такой типичной дисперсной среде, как почва, зависит от структурной модели, под которой имеется в виду система взаимного расположения твердых частиц и пор, от химико-минералогического состава твердой фазы почвы, от соотношения между объемом промежуточной среды (газ, влага) и общим объемом системы, т.е. от ее пористости, влажности и температуры почвы.
Конвекция - явление переноса теплоты жидкостями или газами, путем их перемешивания (как вынужденно, так и самопроизвольно). В почвах рассматривается естественная конвекция, которая возникает самопроизвольно при неравномерном нагревании веществ в поле тяготения.
При, обычно распространенных размерах почвенных пор и частиц в 0,1-0,2 мм, процент общей теплопередачи за счет конвекции лежит в пределах 0,15-0,3% и только для весьма крупных частиц и пор, порядка 3,0 мм этот процент доходит до 5-5,5% при максимально возможном перепаде температур. В почвах проявление этого механизма заметно лишь при высокой влажности и быстром перемешивании свободной воды.
Радиационная проводимость - превращение внутренней энергии вещества в энергию излучения (энергию фотонов, или электромагнитных волн), перенос этого излучения в пространстве и его поглощение другим веществом.
В реальных условиях, когда почва не нагревается выше 600С, роль радиационного теплообмена пренебрежимо мала.
Массообмен предполагает перемещение влаги в почве, как в форме пара, так и в капельно-жидком виде. Этот поток влаги переносит с собой тепло, которое изменяет режим теплопереноса и влияет на величину теплофизических характеристик почвы.
Характер изменения теплофизических свойств генетических горизонтов в почвенном профиле и динамика этих свойств во времени и пространстве в значительной степени определяются влажностью, плотностью или пористостью (порозность) и механическим составом.
Теплоемкость почвы складывается из теплоемкостей составляющих ее почвенных фаз: твердой (Cсs), воды (Cсw) и воздуха (Cсa). Тепло будет равномерно распределяться в трехфазной почвенной системе по всем ее фазам, нагревая их в соответствии с теплоемкостью каждой из фаз и ее долей в почве. Теплоемкость почвы (Cс), в целом составит:
Cс = fs Cсs + fw Cсw + fa Cсa. (1)
где: fs, fw, fa - объемные доли твердой фазы, воды и воздуха.
Объемная теплоемкость абсолютно сухой почвы от пахотного горизонта к нижележащим, увеличивается, что вызвано главным образом значительным повышением объемного веса (плотность) почвы вниз по профилю.
Теплофизические параметры зависят от влажности почвы. Можно выделить три характерные области, соответствующие различным энергетическим состояниям почвенной влаги (рисунок - 1).
Рисунок 1. Схема теплопереноса при различной степени влажности
1. В области низких влажностей вода прочно связана, и процессы теплообмена определяются исключительно кондуктивным механизмом переноса тепла в почве. С увеличением влажности растет площадь стыковых манжет и, соответственно, величина кондуктивной теплопроводности. Одновременно увеличивается и объемная теплоемкость, линейно зависящая от влажности. Рост теплопроводности компенсируется ростом теплоемкости, а температуропроводность в это время практически не зависит от влажности.
2. Пародиффузионный перенос достигает своего максимума: теплопроводность возрастает быстрее, чем объемная теплоемкость. Температуропроводность увеличивается с влажностью.
3. При дальнейшем повышении влажности появляется капиллярная влага, заполняющая почвенные капилляры. Теплообмен сводится к кондуктивной теплопередаче и к слабо выраженной в почве конвекции. В результате рост теплопроводности замедляется. Поскольку объемная теплоемкость продолжает увеличиваться с влажностью, температуропроводность начинает снижаться. Она достигает максимума в области влажностей, близких к влажности разрыва капилляров (ВРК) (рисунок - 2).
Рисунок 2. Зависимости теплофизических параметров от влажности.
3. Методы исследований теплофизических характеристик почвы
Методы определения теплофизических характеристик почвы можно разделить на две категории: расчетные и экспериментальные.
Расчетные методы
В расчетных методах определения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности обычно используется метод анализа температурной волны, изменение которой в почве считается синусоидальным. При этом с учетом естественного распределения температур почвы по глубине и во времени коэффициент температуропроводности рассчитывается по уравнению:
(2)
где t - температура почвы; ф - время; z - глубина почвы.
Этот способ расчета температуропроводности почвы имеет недостатком то, что изменение температуры на поверхности почвы нельзя считать синусоидальным.
Вместо запаздывания фаз с глубиной, используют явление затухания по профилю почвы амплитуды гармонических колебаний температуры в течение суток.
Коэффициент температуропроводности почв вычисляют по осредненным температурам, однако, для мерзлых (а, следовательно, и влажных) почв, этот способ расчета применить нельзя из-за наличия внутренних источников тепла (скрытой теплоты плавления или парообразования).
Таким образом, расчетные методы лишь приближенно отражают процесс теплопередачи в почве, так как в некоторых из них суточные и годовые температуры считаются гармоническими (синусоидальными), а в других не учитывается изменение объемного веса и влажности реальной почвы. Эти методы не учитывают влияние фазовых превращений влаги на теплофизические свойства почвы.
Поэтому, в настоящее время экспериментальные методы определения теплофизических коэффициентов почв являются основными и позволяют получать более объективные данные.
Экспериментальные методы
В зависимости от характера изменения температуры во времени все экспериментальные методы определения теплофизических характеристик делятся на стационарные и нестационарные.
Стационарные методы основаны на закономерностях постоянного во времени температурного поля. При этом тепловой поток, проходящий через исследуемый объект, сохраняется постоянным по величине и по направлению. Изменение температуры в направлении потока тепла описывается линейной зависимостью, а температурный градиент в объеме всего образца не меняется. В связи с этим, исходя из закона Фурье утверждающего, что тепловой поток пропорционален градиенту температуры, можно определить коэффициент теплопроводности по уравнению:
(3)
где: q - поток тепла; - градиент температуры.
Следовательно, чтобы определить коэффициент теплопроводности почвы по уравнению (3), нужно измерить тепловой поток и температурный градиент.
Существующие стационарные методы отличаются друг от друга размещением нагревателей, конструкцией применяемых приборов, формами и размерами испытуемых образцов и т.д. Они позволяют наиболее точно определить коэффициент теплопроводности образцов. Однако сложная аппаратура, большая продолжительность опытов и возможность определения только коэффициента теплопроводности и только в образцах, находящихся в сухом состоянии, существенно ограничивают применение стационарных методов.
Поэтому в настоящее время, в теплофизике широко распространены нестационарные методы определения теплофизических коэффициентов, основанные на закономерностях нестационарного теплового потока.