Исследование теплопроводности почв

Исследование теплопроводности почв¹

Актуальность данного исследования заключается в том, что в связи с изменившимися климатическими условиями требуется хорошее знание не только химического состава почвы, но некоторые физические характеристики почвы, одной из которых является теплопровод­ность почвы и снега. Знание теплопроводности почвы в своей местности позволит определиться со временем весеннего сева на приусадебном участке, а также, допустим, глубину посадки чеснока под зиму. Ведь снежный покров в последние годы устанавливается в позднее время, а осенние морозы могут погубить будущий урожай. Основными показателями теплофизического состояния являются температура, объемная и удельная теплоемкости, а также теплопроводность плодоносных горизонтов почвенного профиля. Характер и энергия многих химических и физических процессов, происходящих в почве, находится часто в большей или меньшей зависимости от температурного ее состояния. Тепловые лучи солнца служат главнейшим источником теплоты почвы, к непосредственным воздействиям которых присоединяются и тепловые явления, сопряженные с химическими реакциями и физическими движениями частиц. Степень нагревания почвы зависит от различного состояния ее поверхности, цвета, а также от ее теплоемкости и теплопроводности. Теплопроводность почвы есть среднее из теплопроводности составляющих почву твердых частей и воды. Если принять теплопроводность воды за единицу, главнейшие составные части почвы будут иметь следующую весовую теплопроводность: для кварца - 0,196, каолина — 0,233, перегноя - 0,477. Средняя объемная теплопроводность их вы­разится несколько иначе, а именно: для кварца - 0,517, каолина -0,575, перегноя - 0,601. Разница в теплопроводности твердых веществ почвы между собою незначительна, а потому и не должна оказывать заметного влияния на возвышение температуры при действии солнеч­ных лучей. Но, сравнивая теплопроводность твердых частей почвы с таковою воды, мы видели, что последняя потребляет при одинаковом объеме в 2 раза больше тепловой энергии, чем первые. Отсюда понят­но, какое значение в данном случае имеет содержание в почве воды.

Почвы, насыщенные влагой, при других равных условиях потребу­ют для своего нагревания значительно большего количества тепла, чем почвы сухие. Испаряя содержащуюся в них в изобилии воду, данные t почвы сильно охлаждаются (зяблые, холодные почвы). Что касается зимы, то благодаря той же высокой теплопроводности сырые почвы бу­дут теплее сухих. Известно, что теплопроводность русских почв по Во­ронежской области такова: песчаная почва, окрашенная гумусом -0,18; супесчаный чернозем - 0,26; песчаная светлая почва - 0,162. Если теплопроводность является важным фактором в нагревании поверх­ностных слоев почвы, то не менее важна и теплопроводность как рас­пределитель тепла во всей почвенной толще. Несомненно, что тепло­проводность почвы находится в зависимости, прежде всего от теплоп­роводности составляющих ее твердых частей, воды и воздуха.

По теплопроводности первое место занимают твердые вещества, за­тем вода и воздух. Отсюда можно сделать следующий вывод: более ком­пактная почва будет более быстро передавать тепло в глубокие горизон­ты, чем более рыхлая почва. Порошкообразное измельчение массы (по­ристость) - сильно затрудняет проведение тепла в почве, так как прикосновение отдельных частичек ее в высшей степени несовершен­но, а лежащий между ними воздух обладает очень слабой теплопровод­ностью. Как можно объяснить влияние воды на передачу тепла вглубь Почвы. Во-первых, если почва только влажна, т. е. все частички воды удерживаются большой капиллярной силой, вследствие чего затрудня­ется их циркуляция, то вода не может играть заметной роли при рас­пределении теплоты в такой почве. В этом случае влажная почва относительно распределения теплоты по почвенным слоям будет дейс­твовать почти как сухая, т. е. как плохой проводник теплоты. Теплоп­роводность воды, по крайней мере, сравнительно с другими почвен­ными элементами, недостаточно известна; во всяком случае, она меньше, чем у минеральных составных частей почвы. Все-таки, теп­лопроводность влажной почвы больше, чем сухой, так как вода до не­которой степени способствует вытеснению частиц воздуха, обладаю­щие очень слабой способностью проводить теплоту; притом почва те­ряет и свою пористость. Во-вторых, если почва настолько мокрая, что вода до некоторой степени может циркулировать, то подобная почва при нагревании сверху не передает нагретых водяных частичек в более глубокие горизонты; они находятся уже в положении самом благоп­риятном — устойчивого равновесия. Но если почва будет охлаждаться сверху, вследствие ли холодного ветра или лучеиспускания в мировое пространство, то охлажденные верхние частички жидкости получат стремление опускаться вниз. Вследствие чего охлаждение почвы будет чувствоваться на большей глубине, чем нагревание ее, но именно по­тому, что при охлаждении почвы участвуют большие массы частичек воды, в ней не обнаруживаются при этом такие крайности, как при противоположном явлении. Кстати, сказанное относится только к охлаждению до 4 ⁰С, так как с понижением температуры за этот предел вода снова начинает расширяться.

Теплоизоляционные свойства снега

Для практики сельского хозяйства особое значение имеет изучение и использование теплозащитных свойств снега. Поэтому на уроках физики необходимо познакомить с ними учащихся.

Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз меньше коэффициента теплопроводности почвы и в 10 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Плохая теплопроводность снега объ­ясняется тем, что кристаллы снега не плотно прилегают друг к другу, между ними оказываются промежутки, заполненные воздухом. Чем рыхлее снег, тем больше он содержит воздуха. Но теплопроводность воздуха, как известно, мала. Поэтому теплопроводность рыхлого сне­га значительно меньше, чем плотного. Установлено, что коэффици­ент теплопроводности снега пропорционален квадрату его плотности.

В течение зимы снег уплотняется под действием своего веса при­мерно на 10% за месяц. В зимние месяцы средняя плотность снежного покрова составляет около 0,2 кг/м³, а к концу зимы - до 0,3 кг/м³.

Количество теплоты, которое передается через слой снега, зависит, как и для любых веществ, от глубины или высоты этого слоя. Чем больше толщина снежного покрова, тем медленнее происходит про­цесс передачи теплоты от земли воздуху, тем медленнее изменяется температура почвы под снегом. Это видно из таблицы.

Зависимость температуры почвы под снегом от толщины снежного покрова

По данным таблицы можно построить диаграмму.

Для сельского хозяйства большое значение имеет влияние снежного покрова на температуру почвы на глубине узла кущения. Значительное понижение температуры в этом слое вызывает гибель озимых посе­вов. Известно, что, начиная с высоты снежного покрова 25 см, температура почвы на глубине 3 см не понижается более чем до -10 ⁰С.

Толщина снежного покрова

Посевы озимой ржи могут выдерживать температуру до 20—30 °С ниже нуля, а озимой пше­ницы до —15—18 °С. Следователь­но, при толщине снежного покрова до 20 см никакие морозы не опасны для озимых посевов.

15

Знания требований озимых посе­вов к температурным условиям почвы и зависимость этих условий от глубины снежного покрова, ока­зывается возможным принимать действенные меры по сохранению посевов от вымерзания. Практически это осуществляется путем про­ведения снегозадержания.

Для определения температурных условий почвы, покрытой снегом, можно в течение зимы периодически (не менее 1 раза в месяц) прово­дить измерение глубины снежного покрова на различных полях, занятых озимыми посе­вами. Эту работу с успехом могут, выполнять учащиеся средних школ на полях ближайших к школе крестьянско-фермерских хозяйств.

Воздействие снега на плодовые и ягодные растения весьма много­гранно и проявляется в течение длительного времени года. Особенно сильное влияние на растения снег производит через изменение теплово­го и водного режима почвы и воздуха. Особенно велика роль снега в за­щите от низких температур. Снег, как плохой проводник тепла, защища­ет почву от охлаждения тем сильнее, чем он рыхлее. Снег уменьшает ко­лебание температуры почвы как абсолютно, так и относительно. И температура почвы зимой во многом определяется временем установления снежного покрова, его высотой и плотностью и в меньшей степени зависит от колебаний температуры воздуха. Под снегом терми­ческий режим исключительно благоприятен для многих растений.

На участке под снегом колебания температуры почвы в корнеобитаемом горизонте незначительные и мало связаны с температурой воздуха. Например, под слоем снега в 40 см при среднесуточной тем­пературе воздуха от -20 до -28 °С на поверхности почвы температура опускалась от —1,0 до -2,0 °С, на глубине 20 см соответственно — от 0 до —3 °С и на глубине 40 см - от 1 до —2 °С. Такие температуры в почве являются уже губительными для корней многих садовых расте­ний. В морозные малоснежные зимы и в наших условиях возможна гибель ряда плодовых и ягодных растений из-за подмерзания корней при полной сохранности надземной части.

Существенное влияние на ход температуры почвы оказывает высо­та снега, его плотность. Высота снега в 70-80 см почти полностью изолирует почву от холодного воздуха. Для полного предохранения корней от промерзания необходимо почву в начале зимы укрыть сне­гом в 20—35 см, а во вторую половину его нужно иметь не менее 45-55 см. Оказывается, высота снега менее 5-7 см способствует боль­шему охлаждению почвы, чем даже его полное отсутствие. Обусловле­но это тем, что такая высота снега не препятствует потерям тепла из почвы на излучение и в то же время полностью отражает солнечные лучи. Кроме высоты и плотности снежного покрова, температура на поверхности почвы также зависит от времени установления этого покрова. Большое значение для жизни плодовых и ягодных растений имеют температурные условия на поверхности почвы. Так, если тем­пература почвы около 0 °С или даже выше действует в основном поло­жительно на корни, то такая высокая температура может отражаться неблагоприятно на состоянии надземной части, вызывая подопрева­ние вишни, сливы, абрикоса и ряда других растений. На поверхности снега складывается своеобразный термический режим, резко отлича­ющийся по сравнению с вышележащими слоями воздуха. Суть его состоит в том, что здесь растения испытывают наиболее низкие и наи­более резкие колебания температуры. Как правило, на поверхности снега бывает холоднее на 5-9 ⁰С, чем в воздухе. Сильное охлаждение поверхности снега достигается при тихой безветренной погоде, когда создаются благоприятные условия для излучения. При облачной по­годе, тумане и ветре температура поверхности снега равна или выше, чем в воздухе. Если в ночное время температура на поверхности снега ниже, чем в воздухе, то днем она поднимается и превышает темпера­туру в воздухе. В воздухе, на некотором удалении от поверхности сне­га, температура не имеет таких резких перепадов. Эти повреждения имеют резко выраженную нижнюю границу, проходящую по линии снега в момент наибольшего похолодания.

Цель исследования - изучение физических процессов в системе почва-растение и деятельного слоя атмосферы, разработка метода ис­следования теплопроводности почв. Необходимо достигнуть понима­ния учащимися, что исследование теплопроводности почв позволит применить полученные знания для правильного планирования весен­него высева семян и высадки рассады в почву.

Задачи исследования - формирование единого подхода к функциони­рованию агроэкологической системы и методам управления ее продук­тивностью на основе целостных исследований взаимосвязанных физи­ческих и физико-химических процессов. За последние годы уровень познания биосферы существенно возрос. Только согласованные усилия физиков, почвоведов, математиков, биофизиков, физиологов растений, агрономов и др. способны достичь адекватного познания системы поч­ва — растение — нижний слой атмосферы, важнейшим элементом кото­рого является сельскохозяйственное поле. Решение этой проблемы мож­но частично осуществить в рамках данного исследования.

Требования к уровню освоения содержания курса. Из данных ис­следований учащиеся должны получить представление о таких науках, как почвоведение, агрохимия, физика и мелиорация почв; понимать основные закономерности поведения почвенной теплопроводности в системе «почва-растение». Данное исследование предполагает знание отдельных разделов курса «Физиология растений».

Глава 1. Обзор литературы

По данной теме изучена соответствующая литература. Так в книгах: Шульгин A.M. Температурный режим почвы. Л., 1957 г.; Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР. М., 1972 г. изложены следующие взгляды на теплопроводность почв: тепловой режим, изменение теплового со­стояния почвы во времени. Главный источник тепла, поступающего в почву, - солнечная радиация. Тепловое состояние почвы определяется теплообменом в системе: приземный слой воздуха - растение - почва. Тепловая энергия почвы принимает участие в фазовых переходах поч­венной влаги, выделяясь при льдообразовании и конденсации почвен­ной влаги и расходуясь при таянии льда и испарении.

Поступление солнечной радиации на поверхность почвы ослабляет­ся растительностью, а охлаждение почвы зимой - снежным покровом. Скорость и направление теплового потока определяются направлением и величиной градиентов температур и теплоемкостью, теплопровод­ностью почвы. Численное значение названных свойств зависит от влажности, плотности сложения, механического, минералогического, химического состава почвы. Тепловой режим почв обладает вековой, многолетней, годовой и суточной цикличностью, сопряженной со сме­ной режимов инсоляции и излучения. В среднем многолетнем выраже­нии годовой баланс тепла данной почвы равен нулю, а среднегодовая температура одинакова во всем ее профиле. Суточные колебания тем­пературы почвы охватывают толщу почвы мощностью от 20 см до 1 м, годовые — до 10—20 м. Теплопроводность формируется главным обра­зом под воздействием климатических условий, но имеет и свою специ­фику, связанную с теплофизическим состоянием как самой почвы, так и подстилающих ее пород. Теплопроводность оказывает непосредст­венное влияние на рост и развитие растительности. Важный показатель обеспеченности растений почвенным теплом — сумма активных темпе­ратур почвы на глубине пахотного слоя (0,2 м). Для регулирования теп­лопроводности применяют тепловые мелиорации (боронование, прикатывание, рыхление, густота посева, затенение, пленочные покрытия, мульчирование, искусственный обогрев и пр.).

Над определением теплопроводности в русских почвах работали Мамонтов и Петров («Материалы по изучению русских почв»), но они имели дело с искусственно насыпанными в особые цилиндры почва­ми, ненормально, следовательно, уплотненными, с плохой циркуля­цией воздуха, а потому и результаты их опытов имеют лишь сравни­тельное значение (больше, меньше). Из этих данных нельзя вывести ни относительного, ни абсолютного коэффициента теплопроводнос­ти различных почв.

В этой исследовательской работе представляется возможным рас­смотреть следующие вопросы: явления теплопередачи в почве и снеж­ном покрове земли, теплоемкость почвы и воздуха. После ознакомле­ния с механизмом теплопроводности желательно дать учащимся по­нятие коэффициента теплопроводности. Это позволит проводить количественное сравнение теплопроводности различных веществ и полнее раскрыть значение теплопроводности в установлении тепло­вого режима почвы. Полезно провести лабораторную работу по опре­делению коэффициента теплопроводности, например, песка и какой-либо другой почвы. Коэффициент теплопроводности показывает, ка­кое количество теплоты передается за одну секунду через поверхность в единицу площади при толщине слоя вещества в единицу и при раз­ности температур между поверхностями слоя в 1 ⁰С.

По величине коэффициента теплопроводности можно судить хо­рошим или плохим проводником тепла является данное вещество. Учащиеся нашей сельской школы знакомятся с теплопроводностью полевого шпата, известняка, торфа, воды которые являются состав­ными частями почвы.

Ученики высказывают различные гипотезы по данному вопросу: как зависит теплопроводность почвы от ее состава, наличия влаги в почве, глубина высева семян с учетом теплопроводности почвы и т. д. Для подтверждения или опровержения данных предположений уча­щихся предполагается провести серию экспериментов, с помощью простой экспериментальной установки.

Твердая часть почвы примерно в сто раз, а воды в 25 раз более теплопроводна, чем почвенный воздух. Из этого следует, что, изменяя соотношение между количеством воды и воздуха в почве, можно уве­личить или уменьшить теплопроводность почв.

С увеличением пористости теплопроводность почвы уменьшается. Это объясняется увеличением объема промежутков между частицами почвы, занимаемым воздухом, теплопроводность которого мала. При увеличении влажности почвы теплопроводность ее постепенно приб­лижается к теплопроводности воды. Способы изменения теплопро­водности почвы, и практическое значение этих изменений были рас­смотрены при изучении явления теплопроводности в 8 классе. Здесь желательно о них напомнить.

В практике земледелия приходится принимать особые меры по увеличению теплопроводности осушенных болот и заболоченных зе­мель. С этой целью в такие почвы вводят минеральные вещества, например песок, теплопроводность которого значительно больше теп­лопроводности органической части осушенных болотных почв.

Для определения температуры поверхности почвы пользуются ртутным термометром. Деления его шкалы 0,5 °С; пределы измерения варьируются: нижний от —35 °С до —10 °С, верхний от 60 °С до 85 °С. Изме­рения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см производят ртутным коленчатым термометром (Савинова). Цена деления его шкалы 0,5 °С; пределы измерения от —10 до 50 °С. Вблизи резервуара термометр изогнут под углом 135 °С, а капилляр от резервуара до начала шкалы теплоизолирован, что уменьшает влияние на показания термо­метра. Но такой термометр трудно приобрести, поэтому можно вос­пользоваться имеющимся в школе оборудованием.

Для определения температуры поверхности почвы можно восполь­зоваться и самодельным электронным термометром, электрическая схема которого приведена ниже.

Принцип действия нашего электронного термометра легко понять, вспомнив известную мостовую схему измерения, образованную че­тырьмя резисторами, с включенным в одну диагональ стрелочным ин­дикатором и поданным на другую диагональ питающим напряжением. При разбалансировке моста, т. е. изменении сопротивления одного из резисторов, через стрелочный индикатор начинает протекать ток, тем больший, чем сильнее разбалансировка. Данный электрический термо­метр дает возможность измерять температуру от -20 до 120 °С.

Исследовательская работа

Цель работы: познакомить учащихся с одним из способов опреде­ления коэффициента теплопроводности веществ, в том числе и поч­вы; с формулой для расчета количества теплоты, передаваемого через слои вещества.

Оборудование: прибор для определения коэффициента теплопро­водности (рис.), парообразователь, электрическая плитка, исследуе­мые вещества, термометр.

Введение

От паровой коробки через слой исследуемого вещества (на­пример, песка) передается некоторое количество теплоты калориметру с водой, температура которой несколько ниже комнатной температуры.

Количество теплоты Q зависит не только от вещества, но и от ряда других величин. Оно определяется следующей формулой:

где   — коэффициент теплопроводности; t₁ — температура нижней по­верхности слоя исследуемого вещества, равная температуре пара; t₂ — температура верхней поверхности слоя этого вещества;    l  — толщина слоя; s  — площадь поверхности слоя;  — время, в течение которого происходит теп­лопередача.

Количество теплоты Q, передается    калориметру    с водой,    а поэтому можно записать:

Где c₁ и с₂ — теплоемкости воды и калориметра;

t΄ ₁— t ΄₂ начальная и конечная температура воды и калориметра;

t ₂— средняя температура воды. Подставляя значение Q  из (2) в (1), получаем:

Расчет производится с помощью компьютерной программы QBasic

REM расчет теплопроводности

с1=4200

INPUT «Теплоемкость калориметра»; с2

INPUT «Масса воды»; ml

INPUT «Масса калориметра»; m2

INPUT «Площадь основания образца »; S

INPUT «Время теплопередачи»; t

INPUT «Толщина образца »; l

INPUT «Начальная температура воды в калориметре »; tl

INPUT «Конечная температура воды в калориметре »; t2

t3=100

t4=(tl+t2)/2

L= (с 1 *m 1 +c2*m2)*(t2-t 1 )*1/ ((t4-t3)*S*t)

Для сравнения нужно определить теплопроводность различных почв. Учащиеся могут определить теплопроводность почвы в зависи­мости от пористости, а так же определить теплопроводность почвы в зависимости от влажности почвы.

Учеником школы для определения коэффициента теплопровод­ности была предложена установка, состоящая из трех прямоугольных сосудов. Сосуд 1 заполнен водой 2, которая доводится до кипения с помощью электрического кипятильника 3. Сосуд 1 находится между крайними сосудами 4 и 5 пространство между ними заполняется ис­следуемыми образцами 6 и 7. Температура воды в крайних сосудах контролируется термометрами 8. Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду сосуды помещены в корпус 9, который заполнен теплоизоляционным материалом 10.

При кипении воды в среднем сосуде происходит распространение теплоты в исследуемые образцы к крайним сосудам с водой. Количес­тво теплоты Q, прошедшее через образцы, определяется по измене­нию температуры воды в крайних сосудах. Градиенты температур определяются как отношение разности температур воды в среднем и крайних сосудах к толщине образцов.

Ход работы

Средний сосуд заполняют водой и включают кипятильник. Воду в сосуде доводят до кипения, выдерживают 10-12 мин для установле­ния стационарного теплового режима и заливают в крайние сосуды мерное количество воды. Затем через каждые 2 минуты производят за­меры температуры в крайних сосудах с помощью термометров 8.

Порядок расчета

Расчет коэффициента теплопроводности для исследуемых почв про­водят по формуле (см. выше). Расчет проводят отдельно для разных почв. Затем строят графики зависимости коэффициента теплопроводности от температуры [λ=f(t₂)] для исследуемых почв. Графики выполняются на листе отчета, можно совмещать обе зависимости на одном графике. Пос­ле построения графиков, необходимо сделать вывод о характере зависи­мости к от температуры для данных почв. Сравнить полученные резуль­таты с табличными данными и объяснить отличие результатов.