04 p2 Potentialul Apei

19
POTENȚIALUL APEI

description

ytr

Transcript of 04 p2 Potentialul Apei

Page 1: 04 p2 Potentialul Apei

POTENȚIALUL APEI

Page 2: 04 p2 Potentialul Apei

POTENȚIALUL APEI

CUPRINS

Page 3: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 4: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 5: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 6: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 7: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 8: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 9: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 10: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 11: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 12: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 13: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 14: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 15: 04 p2 Potentialul Apei

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.

Page 16: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 17: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 18: 04 p2 Potentialul Apei

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

Page 19: 04 p2 Potentialul Apei

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