Ośrodki porowate

Wstęp do Fizyki Środowiska W10 1

Ośrodki porowate

Kurt Roth, Soil Physics (lecture notes), Institut für Umweltphysik

Universität Heidelberg, 2005. http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students

Próbka gleby gliniastej w powiększeniu. Widać wyraźnie makropory o rozmiarze ok. 0.1 mm, agregaty gleby (jasnobrązowe) o wymiarach ok. 0.3 mm oraz układ mezo- i mikroporów.

1 mm

MIKROPORY

Wznios kapilarny w makroporach o rozmiarze 0.1 mmwynosi ok. 0.3 m (30 cm!). Jeżeli więc poziom wody gruntowejjest niżej niż 30 cm, to makropory są wypełnione powietrzem.

Prócz makroporów widać też hierarchię porów o całej skalirozmiarów aż do granic rozdzielczości, czyli kilka mikrometrów.

Te mezo- i mikropory są obecne zarówno w agregatach(jasnobrązowych) jak w ciemniejszym materiale pomiedzyagregatami.

Ten wielki zakres rozmiarów gwarantuje, że w glebie zatrzymanajest część wody nawet gdy zwierciadło jest dużo poniżej i nawetw dość suchych warunkach.


Napięcie powierzchniowe


Napięcie powierzchniowe

http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm

Odrobina mydła. Łódka płynie prosto lub skręca

Błona mydlana na ramce w kształcie okręgu

Igła pływająca po wodzie

http://www.funsci.com/texts/index_en.htm – ciekawa strona poświęcona nauce dla amatorów

POMIARY


Zjawiska kontaktowe

Siły działające na cząsteczkę cieczy na granicy dwóch ośrodków

Czerwona strzałka pokazuje wypadkową siłę, jaką ciecz przyciągałabymolekułę, gdybyśmy chcieli tę molekułę oderwać od powierzchni.

Ta wypadkowa siła jest przyczyną NAPIECIA POWIERZCHNIOWEGO(surface tension)

Siła normalna powoduje, że przemieszczenie molekuły z powierzchni do wnętrza zmniejsz energię całkowitą. Wobec tego zmniejszeniepowierzchni obniża powierzchnię fazy. Ma to taki efekt, jakby na powierzchni działały siły styczne (jakby była z gumy).

W punkcie kontaktu trzech faz mamy trzy siły styczne. Powierzchnie kontaktu utworzą taki kąt, by siły te były w równowadze

Rozwiązanie istnieje tylko wtedy, gdy

Jeśli nie, to ciecz rozpływa się wjednoatomową warstwę (zwilża), albotworzy kulkę (nie zwilża)

gaz

ciecz

ciało stałe

gazciecz


Zjawiska kontaktowe

ciecz

ciecz

gaz

Napięcia powierzchniowe muszą spełniać regułętrójkąta. W przeciwnym razie ciecz 2 rozlewasię w warstwę monocząsteczkową lub tworzy kulkę


Surfaktanty


Różnica ciśnień

Napięcie powierzchniowe powoduje, że ciśnienie po dwóch stronach powierzchni rozdzielającej ośrodki jest różne.Główne promienie krzywizny oznaczamy i . Jak widać na rysunku krzywizna powoduje, że styczne siły napięciapowierzchniowego sumują się dając siłę normalną. Powoduje ona różnicę ciśnień po obu stronach powierzchni

Równanie Younga-Laplace’a

dla sfery o promieniu .

W spoczynku ciśnienie musi być jednorodne więc średnia krzywizna

także musi być jednorodna i mamy:

W stanie równowagi powierzchnia rozdziału jest więc powierzchnia minimalną o stałej krzywiźnie średniej


Obszar dwuspójny Dwie stykające się ścięte piramidyBąbel w środku

Punkt styku w środku ostrosłupa Dwa stykające się ścięte stożki „Rurka” (po przerwaniu pow. styku)

http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm

Powierzchnie minimalne

Helisa


Piana


Przepływ dwuwymiarowy

Stan ustalony Po lekkim dmuchnięciu Po silniejszym dmuchnięciu


Wznoszenie kapilarne


Wznoszenie kapilarne płynu 2 w okrągłej rurce o promieniu R.

Zakładamy, że molekuły płynu 2 są przyciągane znacznie silniej przezciało stałe 1 niż przez płyn 3,

a więc płyn 2 całkowicie zwilża ciało stałe 1.

Pomijając grubość filmu promień powierzchni rozdziału

Jest ujemny, bo jest skierowany na zewnątrz płynu 2.

Powiekszenie pokazuje wypadkową siłę działającą na cząsteczkę płynu 2 (czerwona) z podziałem na składniki:

1) Siła z jaką działa płyn 2 (niebieska)

2) Siła z jaką działa ścianka (czarna)

3) Siła z jaką działa płyn 3 (żółta).

Wykres zrobiony wzdłuż przekroju zaznaczonego linią przerywaną

Na wysokości górnego przekroju mamy nast. równowagę sił:

Na dolnym przekroju

Otrzymujemy:

Wznoszenie kapilarne

Dla niezupełnego zwilżania mamy:

Zjawiska kapilarne są istotne, gdy , czyli

Kapilarna skala długości


Rekonstrukcja przestrzennej struktury makroporówPróbka gleby została ustabilizowana przez impregnację, pokrojonana 120 plasterków (co 0.1mm), które zostały sfotografowane. Obrazy zostały zeskanowane i przetworzone cyfrowo z rozdzielczością 0.12 mm. Na tej podstawie, w każdym plasterkuzidentyfikowano położenie makroporów. Następnie ze 120 plasterkówodtworzono przestrzenną strukturę makroporów (z lewej).

Widoczne są poziome i pionowe długie korytarze wytworzone przezróżnego rozmiaru robaki, a także najdrobniejsze pory wytworzoneprzez najmniejsze korzenie roślin.

Cousin et al., 1996

Przestrzenna struktura makroporów w glebie


ZadaniaZadanie 1

Rozważ okrągłą kapilarę o promieniu R, długości L i jednym końcu zamkniętym.Jaka będzie wysokość wznoszenia kapilarnego, jeśli materiał kapilary jest doskonalezwilżany przez wodę, a powietrze możemy uznać za gaz doskonały. Czy wysokość wznoszenia zależy od temperatury?

Wskazówka: Przeczytaj rozdział 2.4.4 z podręcznika na stroniehttp://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students/lecture_notes05/lecture_notes05/sp-v10-ch2.pdf

Zadanie 2

Rozważ dwa ziarna piasku (unieruchomione) pokryte filmem wodnym i połączone kolumną wody (jak na rysunku).Czy kształt powierzchni rozdziału między wodą i powietrzem jest zgodny z równaniemYounga-Laplace’a ? Jakie siły działają na ziarno piasku ? Jaki ruch będzie ono wykonywaćgdy zostanie uwolnione?

Zadanie 3

Na plaży w pewnej odległości od morza jest pas piasku, który jest twardy i można po nim chodzić nie zapadając się.Zarówno bliżej wody, jak i dalej od wody piasek jest grząski. Wyjaśnij to zjawisko.

Ośrodki porowate

Documents

Transcript of Ośrodki porowate