Задача 3. Расчёт среднедневного и среднедекадного значения коэффициента теплопроводности для слоя снега при постоянной его плотности
Постановка задачи
Расчёт коэффициента теплопроводности снега производится исходя из зависимости плотности снега от температуры воздуха на поверхности снегового покрова. Тогда коэффициент теплопроводности снега можно рассчитать по следующим формулам:
где – плотность снега; – температура воздуха, . Для упрощения задачи плотность может быть выбрана постоянной и задача сводится к нахождению величины для каждой точки снегового покрова в течение определённого промежутка времени с последующим нахождением среднего значения за декаду. При этом известно, что оптимальные условия применения задачи следующие:
За декаду амплитуда колебаний температуры воздуха должна быть более 10 .
Задача решается (рис. 7) аналогично предыдущей (50) методом сеток, изложенным выше.
Решением является неизвестная величина температуры снега в его слое.
Граничные условия – температура подстилающей поверхности, температура воздуха на поверхности снегового покрова.
Начальные условия – распределение температуры по глубине в первый день наблюдений.
Со стр 25
Рис. 7
Их соотношения определяются из (54).
Таким образом, решение задачи сводится к следующему:
1. Расчёт методом сеток недостающих частей .
2. Нахождение для каждой коэффициента теплопроводности снега.
3. Расчёт среднего для каждого дня и для декады в целом.
Ограничения:
Точность метода: известно, что свежевыпавший снег с плотностью имеет .
При решении задачи использовались следующие значения .
Очевидно, что метод себя оправдывает, сохраняя общие тенденции изменения теплопроводности в зависимости от температуры.
Пример решения
В исходные данные входят два массива по 50 величин в каждом, что соответствует значениям температуры и теплопроводности для пяти глубин снега и десяти дней наблюдений, и константы плотности, которая при необходимости может быть заменена массивом (если происходит изменение плотности во времени и по глубине).
Данные вводятся с терминала и выводятся на АЦПУ в виде таблицы:
(здесь должна быть таблица) со стр 26
7.4.4. Задача 4. Расчёт разбавления сточных вод в реках по методу А.В. Караушева (плоская задача)
Постановка задачи
Метод, основанный на численном решении уравнения турбулентной диффузии, позволяет получать поле концентрации загрязняющего вещества в пределах всей расчётной области, начиная от источника загрязнения до створа водопользования.
Для условий плоской задачи при пренебрежимо малых поперечных скоростях и стационарного во времени процесса уравнение турбулентной диффузии в конечных разностях примет вид (5):
. (55)
При расчёте поток в плане разбивается сеткой, каждая вертикальная линия которой отвечает определённому поперечному сечению и предполагается отстоящей от предыдущей и последующей на длине .
Расстояние между горизонтальными линиями (по ширине реки) равно . Каждой клетке присвоен свой индекс по соответствующим осям координат: по оси – индекс , по оси – индекс .
На рис. 8 изображена сетка к расчёту турбулентной диффузии (плоская задача).
(здесь должна быть таблица)со стр 28
Рис. 8
Расчётная зависимость, позволяющая вычислить распределение концентраций загрязняющих веществ по длине и ширине потока (плановая или иначе плоская задача), записывается аналогично (41)-(46), т.е.
(56)
При расчёте по уравнению (56) вся изучаемая область потока или водоёма делится на прямоугольные параллелепипеды, объёмы которых равны , – средняя глубина в рассматриваемой области. При пользовании этими формулами предполагается, что уже вблизи от выпуска сточные воды равномерно распространяются по всей глубине .
Расстояние между расчётными сечениями определяются по формуле
(57)
Когда раствор загрязняющего вещества достигает граничных поверхностей потока, для расчёта диффузии следует использовать соотношение, учитывающее отсутствие переноса через стенки потока:
(58)
Учёт граничных условий осуществляется путём введения в расчёты экстраполяционных значений концентрации. Расчётная сетка и поле концентрации условно распространяется за ограничивающие поток поверхности. При этом экстраполяционные значения концентрации в клетке, примыкающей к внешней поверхности стенки (рис. 8), и значения концентрации в клетке, примыкающей к внутренней поверхности стенки на том же поперечнике, должны удовлетворять условию (57), при решении плоской задачи, что возможно только в случае, если:
(59)
где – концентрация загрязняющего вещества в потоке к клетке, примыкающей к граничной поверхности. Экстраполяционные значения концентрации используются в расчёте по формуле (56) так же, как и реальные значения. Наглядно это показано на рис. 7.
Начальные условия учитываются при задании места выпуска сточных вод, их расхода и их концентрации . На плане реки (или водоёма) обозначают место сброса и через него проводят начальный поперечник. Ниже по течению поток схематизируется и делится на расчётные клетки. Скорость сточных вод , сбрасываемых в водный объект, в месте их поступления принимается равной скорости течения реки .
Вычисляется условная площадь поперечного сечения притока в месте его падения по следующей зависимости:
(60)
Затем определяется ширина загрязнённой струи в начальном створе:
(61)
В соответствии с величиной называется ширина расчётной клетки . Обычно принимается , однако если значения оказываются очень большими, то их уменьшают так, чтобы выполнялось неравенство ( В – средняя ширина реки).
Клетки, попадающие в струю притока сточных вод в начальном поперечнике, заполняются цифрами, выражающими начальную концентрацию сточных вод , остальные клетки – цифрами, выражающими естественную концентрацию загрязняющего вещества в реке (в частном случае это может быть нулевая концентрация).
Часто оказывается удобным вести вычисления в относительных величинах концентрации, например, в % от , полагая . Такой пример позволяет использовать данные расчёта для оценки распределения в потоке любого числа загрязняющих ингредиентов, если будут заданы исходные содержания последних в сточных водах.
Пример решения
Исходные даны:
Река … является приёмником сточных вод населённого пункта. Объём сточных вод равен … . Сточные воды поступают через береговой коллектор. В меженные периоды возникают опасность загрязнения реки на участке, превышающем расстояние до нижерасположенного посёлка.
Благополучное санитарное состояние реки обеспечивается при 20-кратном разбавлении сточных вод . Определить будет ли обеспечиваться данное условие, если посёлок расположен в … ниже по течению.
Расход реки
Требуется определить значение максимальной концентрации загрязняющих веществ в нижерасположенном населённом пункте (на расстоянии от коллектора).
Ход выполнения работы
1. Определяем величину расчетного расхода в реке:
2. Находим начальное сечение струи загрязнения по формуле (60):
3. Вычисляем ширину загрязнённой части реки в начальном сечении по формуле (61):4. Назначаем ширину расчётной клетки :
При = … м, число клеток, занятых загрязнением
в начальном сечении , равно .
Общее число клеток по ширине реки находится из равенства .
5. Расстояние между расчётными сечениями определяется по формуле (57):
Разбив сетку в соответствии с полученными значениями и заполнив часть клеток концентрацией 100% , а остальные клетки нулевыми концентрациями, выполняем расчёт турбулентной диффузии по формуле (56) до створа, удалённого от места сброса на .
Примечания:
а) В каждом расчётном сечении следует проверять сумму концентраций, поступивших загрязняющих веществ .
б) Если значения оказываются очень маленькими, то, выполнив расчёт по нескольким сечениям, можно провести операцию «укрупнения» (например, в 2 раза). Размеры расчётных клеток укрупняются в 2 раза , что приводит к укрупнению величин в 4 раза .
Концентрация загрязняющего вещества в укрупнённых клетках вычисляются как среднее арифметическое из концентраций в объединяемых клетках.
infopedia.su
Определение теплопроводности почв. — Студопедия.Нет
Цель работы. Познакомить учащихся с одним из способов определения коэффициента теплопроводности веществ, в том числе и почв.
Приборы и материалы. Прибор для измерения коэффициента теплопроводности, парообразователь, электрическая плитка, исследуемые вещества, термометр, весы с разновесами, секундомер.
Содержание и метод выполнения работы.
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты передается за 1 с через поверхность в единицу площади при толщине слоя вещества в единицу и при разности температур между поверхностями слоя в 1ºС. Твердая часть почвы примерно в 100 раз, а воды в 24 раза более теплопроводна, чес почвенный воздух. Из этого следует, что, изменяя соотношение между количеством воды и воздуха в почве, можно увеличить или уменьшить теплопроводность почвы. С увеличением пористости теплопроводность почвы уменьшается. При увеличении влажности почвы теплопроводность ее постепенно приближается к теплопроводности воды. 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 больше теплопроводности органической части осушенных болотных почв.
Порядок выполнения работы.
1. Соберите установку показанную на рисунке.
2. От паровой коробки через слой исследуемого вещества передается некоторое количество теплоты калориметру с водой, температура которой несколько ниже комнатной температуры. Количество теплоты Q, которое передается в 1 с исследуемым веществом, зависит не только от вещества, но и от ряда других величин.
Q= λ(t1-t2)Sτ/l , где λ- коэффициент теплопроводности, τ-время, в течение котрого происходит теплопередача, t1- температура нижней поверхности слоя исследуемого вещества, равная температуре пара, t2 – температура верхней поверхности слоя этого вещества, l –толщина слоя, S – площадь поверхности слоя.
Выражая λ- коэффициент теплопроводности из формулы и подставляя значение количества теплоты, переданное калориметру с водой, получаем:
λ = (с1m1 +c2m2)(t’2-t’1) / (t1-t2)S τ, где t’1 и t’2 – начальная и конечная температура воды и калориметра, а с1m1 и c2m2- теплоемкости воды и калориметра.
3. Измерьте массу калориметра и воды в нем.
4. Измерьте площадь исследуемого образца и его толщтну.
5. Подключите плитку и дождитесь паровыделения. После этого подключите парообразователь к установке.
6. Начните отсчет времени, пар надо пропускать до тех пор, пока температура в калориметре не поднимется на 4-5 ºС.
7. Рассчитайте теплопроводность почвы.
8. Замените исследуемый образец и повторите измерения.
9. Результаты занесите в таблицу.
| № п/п | C1, Дж/кг ºС | c2, Дж/кг ºС | m1,кг | m2, кг | t’1, ºС | t’2, ºС | t1, ºС | t2, ºС | S, м² | τ , с |
| 1 | ||||||||||
| 2 | ||||||||||
| 3 |
10. Сделайте вывод о теплопроводности почвы, что необходимо предпринять для создания более благоприятных условий для роста и развития растений.
Таблица «Коэффициент теплопроводности составных частей почвы»
| Составные части почвы | Коэффициент теплопроводности Дж/(м* с* град) |
| Полевой шпат Известняк Торф Вода | 2.4302 1.6760 0.8380 0.5028 |
Изучение теплоизоляционных свойств снега.
Цель работы. Изучить теплоизоляционные свойства снега, получить зависимость температуры почвы под снегом от толщины снежного покрова.
Приборы и материалы. Линейка, термометр.
Содержание и метод выполнения работы.
Для практики сельского хозяйства, выживаемости живых организмов и растений в зимний период особое значение имеет изучение и использование теплозащитных свойств снега. 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 неплотно прилегают друг к другу, между ними оказываются промежутки, заполненные воздухом. Чем рыхлее снег, тем больше он содержит воздух. Но теплопроводность воздуха, как известно, мала. Поэтому теплопроводность рыхлого снега значительно меньше, чем плотного.
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.
Для живых организмов большое значение имеет влияние снежного покрова на температуру почвы на глубине узла кущения. Значительное понижение температуры в этом слое может вызвать гибель растений и живых организмов, обитающих на этой глубине.
Наблюдения показывают, что начиная с высоты снежного покрова 25 см температура почвы на глубине 3 см не понижается более чем до -10ºС. Примерная зависимость температуры почвы под снегом от толщины снежного покрова:
Толщина снежного покрова, см | Температура, ºС | Разница температур | |
| На поверхности снега | На поверхности почвы под снегом | ||
| 2 7 15 18 65 | -12 -17 -20 -22 -26 | -8 -11 -5 -4 -2 | 4 8 15 18 24 |
Порядок выполнения работы.
1. Выберите 3-4 исследуемые точки. Оградите их флажками или ленточкой.
2. Проведите измерение температуры на поверхности снега.
3. Измерьте толщину снежного покрова.
4. Проведите измерение температуры на поверхности почвы под снегом.
5. Рассчитайте разность температур.
6. Результаты занесите в таблицу.
Толщина снежного покрова, см | Температура, ºС | Разница температур | |
| На поверхности снега | На поверхности почвы под снегом | ||
7. Проводите еженедельно измерения и результаты заносите в таблицу.
8. Сделайте вывод о теплопроводности снега и зависимости температуры почвы под снегом от толщины снежного покрова.
studopedia.net
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. ^ 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 может вызвать гибель озимых посевов. Наблюдения показывают, 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 25—30 °С ниже нуля, а озимой пшеницы до —14—17 °С. Следовательно, при толщине снежного покрова 20 см никакие морозы не опасны для озимых посевов. 15 Зная требования озимых посевов к температурным условиям почвы и зависимость этих условий от высоты 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 снегомерные съемки 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. ^ – 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. ^ – 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». ^ 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. ^ 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 с 1=4200 INPUT «Теплоемкость калориметра»; с2 INPUT «Масса воды»; ml INPUT «Масса калориметра»; т2 INPUT «Площадь основания образца »; S INPUT «Время теплопередачи»; t INPUT «Толщина образца »; 1 INPUT «Начальная температура воды в калориметре »; tl INPUT «Конечная температура воды в калориметре »; 12 (3=100 t4=(tl+t2)/2 L= (с 1 *m 1 +c2*m2)*(t2-t 1 )*1/ ((t4-t3)*S*t) ^ Из формулы видно, измерение каких величин необходимо произвести, чтобы по ним вычислить значение. Учащимся нужно предложить самостоятельно решить вопрос о последовательности выполнения измерений. Необходимо их предупредить о том, чтобы расчет времени был начат одновременно с пропусканием пара и прекращен по окончании пропускания пара. Пар надо пропускать до тех пор, пока температура воды в калориметре не поднимется на 4-5 °С. 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. ^ 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.
^ 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.
^ I. Рыхлый и перегнойный верхний слой: а) быстро нагревается солнцем, б) быстро остывает ночью, в) плохо проводит тепло. Иначе говоря, слой мульчи служит одеялом, обеспечивающим постоянную почвенную прохладу и выпадение дневной росы, а ночью защищающий от холода и конденсирующий в себе почвенные пары, стремящиеся наверх. Но это не все. В верхнем слое почвы живут нитрификаторы. Тонкий, более темный, перегнойный слой, весной быстро прогревается и начинает нитрификацию, снабжая растения азотом. Вместе с тем, нижние слои прогреваются медленнее под его защитой и лучше всасывают влагу воздуха. Тепловые свойства почвы оказывают влияние на температуру приземного слоя атмосферы, на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов и процессы разложения органических веществ в почве. Степень нагревания почвы солнцем зависит от географического положения и рельефа местности, характера почвы и времени года. Сильнее и быстрее нагреваются склоны, обращенные на юг и юго-восток, темный цвет почвы благоприятствует поглощению тепла, сухие почвы прогреваются скорее, чем сырые. Очень хорошо нагреваются каменистая почва, затем песок и значительно меньше глинистая, торфяная и чернозем. Сырая почва более холодная вследствие большой теплопроводности и значительного теплоизлучения. Растительный покров уменьшает нагревание и излучение тепла почвой. В почву поступает так же тепло, выделяемое при экзотермических, физико-химических и биохимических реакциях. Однако тепло, получаемое в результате биологических и фотохимических процессов, почти не изменяет температуру почвы. В летнее время сухая нагретая почва может повышать температуру вследствие смачивания. Это проявляется при слабом смачивании почв, богатых органическими и минеральными (глинистыми) коллоидами. Так же незначительное нагревание почвы может быть связано с внутренней теплотой Земли. Незначительным источником тепла служат фазовые превращения, освобождающиеся в процессе кристаллизации, конденсации и замерзании воды и т. д. Различают теплые и холодные почвы, в зависимости от состава, содержания перегноя, окраски и увлажнения. Из исследований видно, что если влажность увеличивается, то теплоемкость меньше возрастает у песков, больше у глины и еще больше у торфа. Следовательно, торф и глина являются холодными почвами, а песчаные почвы — теплыми. Воздушно-сухая почва обладает более низкой теплопроводностью, чем влажная. Это объясняется большим тепловым контактом между отдельными частицами почвы, объединенными водными оболочками. При кристаллизации льда в порах почвы проявляется кристаллизационная сила, вследствие чего закупориваются и расклиниваются почвенные поры. Рост кристаллов льда в крупных порах вызывает подток воды из мелких капилляров, где в соответствии с уменьшающимися их размерами замерзание воды запаздывает. Источники поступающего в почву тепла и расходования его – неодинаковые для различных зон, поэтому тепловой баланс почв может быть и положительным и отрицательным. В первом случае почва получает тепла больше, чем отдает, а во втором – наоборот. Тепловым балансом почв природных зон можно управлять не только через мелиорацию, но и соответственными агромелиорациями и лесомелиорациями, а также некоторыми приемами агротехники. Растительный покров усредняет температуру почвы, уменьшая ее годовой теплооборот, способствуя охлаждению приземного слоя воздуха вследствие излучения тепла. Большие водоемы и водохранилища умеряют температуру воздуха. В солнечные дни среднесуточная температура в корнеобитаемом слое почвы на гребнях несколько выше, чем на выровненной поверхности. Регулирование теплового режима и теплового баланса почвы вместе с водяным и воздушным имеет весьма большое практическое и научное значение. Задача заключается в том, чтобы управлять тепловым режимом почвы, особенно уменьшением промерзания и ускорением оттаивания ее. Не ориентируйтесь на прогноз погоды или температуру воздуха, почва имеет свою динамику роста температур, отличающуюся от них. Динамика температуры почвы зависит от ее влажности, цвета поверхности, наличия растительных остатков на поверхности почвы и т. п. Обычно, в весенний период в середине дня температура почвы на 4 -5 °С выше, чем температура воздуха в то же время. Исследования по изучению сроков посева в данной местности выдвинули понятие «оптимальных сроков», подразумевающих посев семян теплолюбивых семян при температуре почвы 10 -12 °С на глубине заделки семян. Данное различие во взглядах на сроки сева объясняется высокой потенциальной засоренностью полей в данной местности и низкой обеспеченностью средствами защиты растений (гербицидами). Если семена огурцов прорастают при температуре почвы 10—12 °С, то семена большинства сорняков начинают прорастать при 2—4 °С. И, только проведя посев, сразу после культивации при указанной температуре создаются некоторые преимущества растениям огурцов перед сорняками. Температура почвы 10 -12 °С, по народным приметам, соответствует моменту цветения терна. Что касается глубины сева, то она, согласно результатам исследований, колеблется в пределах 6—8 см. Возможна и другая глубина сева, которая выбирается в каждом конкретном случае индивидуально. Главное требование – чтобы семена легли во влажный слой почвы. II. Теплоизоляция в зимний период является наиболее важной функцией стекол для большинства регионов России. Потери тепла через стекло складываются из теплопроводности, конвекции и теплового излучения. 2/3 потери тепла через стекло происходит за счет теплового излучения и 1/3 за счет теплопроводности и конвекции. Придавая стеклу определенные свойства (создавая различные типы стекол), можно влиять на проникновение в помещение того или иного вида световой энергии. Для уменьшения потерь тепла от теплопроводности и конвекции, применяют двойное остекление, но это дает лишь незначительный эффект, т.к. основная доля потерь тепла происходит за счет теплового излучения. ^ Вершинин П.В., Мельникова М.К., Мичурин Б.Н., Мошков Б.С., Поясов Н.П., Чудновский А.Ф. Основы агрофизики. – М.: Физматгиз, 1959. Воронин А.Д. Основы физики почв. – М.: Издательство МГУ, 1986. Макилрой И., Слейтер Р. Практическая микроклиматология. – М., 1964. Самарский А.А., Тихонов А.Н. Уравнения математической физики. – М., 1966. Физика среды обитания растений. -Л.: Гидрометеоиздат, 1968. Петросянц М.А., Хромов СП. Метеорология и климатология. – М.: Издательство МГУ, 1994. – 520 с. Шкадова А.К. Температурный режим почв на территории СССР. -Л., 1979. Шульгин A.M. Климат почв и его регулирование. – Л.: Гидрометеоиздат, 1967. Теплотехника: Учебник для вузов / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер и др.; Под ред. В. Н. Луканин. – 2-е изд., испр. и доп. -М.: Высшая школа, 2000. Теплотехника: Учебник для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг и др. – М.: Машиностроение, 1991. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т 3. – М.: Наука, 1979. Трофимова Т. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1985. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. | |||
fs.nashaucheba.ru