ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 204
Скачиваний: 5
Пусть 8М будет масса частиц размерами от а до а + 8а, находящихся
в1 см® суспензии в момент и «Потолок» самых крупных частиц из этой фракции не ушел от оси вращения дальше, чем на г + ôr, следовательно, на этом и боль шем удалении от оси все частицы фракции находятся в концентрации 8М. «Потолок» самых мелких частиц фракции опустился до расстояния г, поэтому
вобъеме, находящемся ближе к оси вращения частиц, этой фракции нет. По скольку все изменение концентрации на отрезке 8г в рассматриваемый момент
связано с данной фракцией, а ее вклад в массу взвешенных частиц максимален на расстоянии г + 8г и равен нулю на расстоянии г от оси, следовательно, 8М есть разность между общей концентрацией частиц на расстоянии г + 8г и кон центрацией г. Эту разность можно измерить экспериментально.
Можно также определить массу частиц данной фракции в 1 мл исходной суспензии до центрифугирования. Обозначим эту величину 8т. Тогда из уравне
ния (Д7.7)
8М/8т = І/е2““2*. |
(Д 7.10) |
Поскольку 8г следует задать до изменения 8М и так как величина 8г, со
гласно уравнению (Д7.9), определяет интервал размеров фракции, можно, ком бинируя уравнения (Д7.9) и (Д.7.10), получить
8M/8r — (8m/8a)j2ocatre2aali. |
(Д 7.11 |
Так как а не измеряют непосредственно, а вычисляют по г и і, уравнению
(Д7.11) с помощью уравнения (Д7.8) можно придать форму
8M/8r = (ôm/ôa) (ri/r)2/2r {at ln (rJrх)} 2 = |
( (Д 7.12) |
|
jL |
і |
(5.6> |
= (8т/8а) (rll2r3)/{at ln (г/тд)} 2 .
Пористое пространство почвы
6Л . Природа пористого пространства
Между упакованными частицами почвы есть пространство, заня тое отчасти почвенным раствором (другими словами, почвенной влагой), отчасти — почвенным воздухом. Важнейшая физическая черта пористого пространства — его непрерывность. Из одной точки пористого пространства почвы в другую можно проложить непре рывный путь. Подобное строение в корне отличается от пузырчатой природы воздушных пор в таком, например, материале, как пемза. В то же время нельзя сказать, что объемы пространства, занятые воздухом и водой, непрерывны, если взять их по отдельности; могут существовать пузырьки воздуха, защемленные водой, и элементы жидкости, которые практически изолированы. Пористое простран ство, будучи непрерывным, по своему строению является в то же время как бы клеточным. Оно состоит из полостей, соединенных более узкими каналами. Известная дискретность пористого про странства почвы и дает основание применять к почве такие термины, как почвенные «поры», «пористое пространство», «пористость», «пористый» и более новые понятия «размер пор» и «распределение пор по размерам». Отдельные авторы, особенно американские, считают неточным термин «пора» (роге), поскольку он, строго говоря, обозначает изолированную полость. Они используют другой термин (void), однако мы не видим в этом особой необходимости.
Самые элементарные свойства пористого пространства можно описать, введя количественные определения. Объем V некоторой массы частиц, ограниченный своими внешними поверхностями раздела, — это так называемый кажущийся объем. Из этого объема некоторое количество ѵ принадлежит пространству между частицами, а остаток занят твердыми частицами. Отношение ѵ]Ѵ называют пористостью (в долях), а 100ѵ]Ѵ — пористостью в процентах. Отношение объема пор к объему твердой фазы ѵ/ (У — ѵ) называют коэффициентом пористости. Если общая масса объема V есть М, из которой т граммов — сухое вещество удельного веса р, а М —
— т — вода, то М]Ѵ называют кажущейся плотностью, или объем ным весом (США, СССР), а р — истинной плотностью, или удельным весом. Для пользы дела кратко рассмотрим способы характеристики пористого пространства почвы.
6.2. Лабораторные определения относительных объемов твердой, жидкой и газообразной фаз в почвах
Истинный удельный вес твердой фазы можно измерить с по мощью пикнометра. Пробу необходимо предварительно кипятить в небольшом количестве пикнометрической жидкости для вытеснения защемленного воздуха. Следует отметить, что в расчеты входит удельный вес пикнометрической жидкости, а последний может изменяться вблизи поверхности твердой фазы, в особенности вблизи поверхности глинистых частиц. Использование воды в качестве такой жидкости может по этой причине вызывать погрешности, и предпочтительнее применять какую-нибудь неполярную жидкость, например ксилол. Ксилол легко воспламеняется, поэтому при кипя чении пикнометра необходима осторожность.
Если масса сухой почвы равна т, масса пикнометрической жид кости, требующаяся для заполнения психрометра, равна М, а масса
сухой почвы и |
жидкости, заполняющей пикнометр |
до отметки, |
|
в сумме равны |
р, то удельный вес твердой |
фазы р |
равен |
|
р = md/(M + т — ц), |
|
|
где d — удельный вес пикнометрической жидкости.
Выбор способа определения объемного веса зависит от состояния почвы. Если почва рыхла и рассыпчата, можно отобрать пробу стаканом бура или другим приемником образца, имеющим известный объем. Если почва достаточно связана, можно определить объемный вес на естественной глыбке, используя закон Архимеда. При этом образец взвешивают, покрывают тонкой пленкой растопленного воска или парафина, быстро окуная его в расплав, и взвешивают повторно. По увеличению веса и известной плотности парафина можно вычислить объем пленки. Затем парафинированный образец взвешивают в воде. Разность веса в воде и в воздухе есть мера объема образца. Вычитая известный объем пленки, получают объем самого образца. Поскольку теперь масса и кажущийся объем образца известны, вычислить его объемный вес не составляет труда.
В этом случае нельзя установить путем сушки массу и объем самих твердых частиц, так как сушке мешает парафиновая пленка. Поэтому берут вторую глыбку, которую можно считать идентичной первой в том, что касается соотношения твердой, жидкой и газо образной фаз. Ее взвешивают до и после сушки и по изменению веса вычисляют ту потерю веса, которую испытал бы первый образец при сушке. Тем самым можно определить для него раздельно вес твердой и жидкой фаз, и далее, зная соответствующие удельные веса, найти объемы всех трех фаз (объем, занимаемый воздухом, вычисляется по разности).
6.3. Распределение пор по размерам; пористое пространство, образуемое первичными частицами
Хотя пористое пространство непрерывно, благодаря наличию системы полостей можно считать, что оно обладает некоторым рас пределением пор по размерам. В современной физике почв значи
тельная доля того внимания, которое ранее уделялось механическому составу почвы, перенесено теперь на распределение пор по размерам.
Обычно распределение почвенных частиц по размерам является, как говорят статистики, «нормальным», т. е. частицы некоторого размера встречаются чаще других, а по мере отклонения размеров частиц в любую сторону от этого наиболее частого распределения подобные частицы встречаются все реже.1 Нередко такое распреде ление частиц приводит к «нормальному» распределению пор по размерам. Легко видеть, что почва, в которой преобладают крупные частицы, будет иметь поры, размеры которых велики по сравнению с порами в более тонкодисперсном материале. Небольшая доля мелких частиц, находящихся в порах между преобладающими крупными частицами, может существенно изменить как распределе ние пор по размерам, так и саму общую пористость. Поскольку механический состав почвы (т. е. распределение первичных частиц по размерам) обычно тесно коррелирует со сложением почв («легкие» и «тяжелые» почвы в агрономии), распределение пор по размерам, соответствующее первичным частицам, обычно называют «текстурным распределением пор по размерам», а пористое пространство, опре деляемое пространственным распределением первичных частиц поч вы, — «текстурным12 пористым пространством».
6.4. Структурное пористое пространство
Коллоидная фракция почв и, в частности, органическое вещество обладают способностью агрегировать индивидуальные первичные частицы в комки и глыбки. Явления, вызывающие агрегацию, изучены недостаточно, но соответствующие факты хорошо известны. В хорошо оструктуренной почве первичные частицы скреплены и образуют агрегаты и комки; связи между частицами внутри агре гата гораздо прочнее, чем между агрегатами. Хотя размер агрегата непостоянен и может варьировать в сезонном цикле выветривания, однако в течение коротких периодов времени агрегаты сохраняют свою индивидуальность, несмотря на разрушающие воздействия.
Устойчивость агрегатов по отношению к разрушающим силам имеет большее значение, чем просто существование агрегатов в данный момент. Агрегаты могут образоваться при растрескивании дисперс ных коллоидных материалов в ходе сушки и в таком случае являются просто результатом усадки. Такие агрегаты не сохраняются при повторном увлажнении и диспергировании. Структура, как мы увидим далее, имеет наибольшее значение для влажных почв. Здесь она обеспечивает оптимальное распределение влаги и аэрацию в условиях, при которых это особенно необходимо. Поэтому наличие элементарных агрегатов, являющихся результатом растрескивания
1 Строго говоря, приведенное определение указывает на то, что распре
деление имеет один максимум, но отнюдь не «нормально» в статистическом смысле. — Прим. ред.
2 Английский термин texture не совпадает с русским понятием «текстура».
«Текстурный» в данном тексте обозначает «относящийся к механическому составу». — Прим, перев.
и усадки подсыхающей почвы, не может играть здесь важную роль. Первостепенным требованием, предъявляемым к структуре, является способность агрегатов выдерживать повторное увлажнение и оста ваться устойчивыми в водонасыщенной почве.
При наличии агрегатов их размещение и взаимная ориентация определяют межагрегатное пористое пространство. Точно так же, как индивидуальные частицы определяют текстурное распределение пор по размерам, агрегаты определяют специфическое распределение пор по размерам, которое принято обычно называть «структурным распределением пор по размерам». Пока что структуру почвы оце нивают главным образом по размерам и форме агрегатов, но с раз витием количественных методов исследования структуры центр тяже сти, несомненно, будет перенесен на изучение структурного пористого пространства и тех физических свойств почв, поддающихся точному определению, которые зависят от этого пористого пространства.
Если агрегаты точно подогнаны друг к другу по типу трехмерной мозаики, как это наблюдается в глубоких горизонтах тяжелых почв, то структурное пористое пространство сильно отличается от того, которое возникнет при разрыхлении тех же самых агрегатов, на пример при вспашке. Пахотный слой, возникший в результате вспашки, представляет собой структурное образование, характе ризующееся неустойчивостью сложения, созданного обработкой и являющегося совокупностью хаотически расположенных агрега тов. Можно показать с помощью методов, описанных в главе 7, что в таком пахотном слое имеет место нормальное распределение структурных пор по размерам наряду с нормальным распределением других, меньших пор, соответствующих индивидуальным частицам. Иначе говоря, можно выявить две различные группы структурных и текстурных пор1. С другой стороны, в глубоких слоях почвы при большой влажности структурное пористое пространство может быть выражено только потенциальными плоскостями наименьшей прочно сти между хорошо совпадающими друг с другом агрегатами, и при этом различие между структурными и текстурными порами не выявляется.
Следует отметить, что современные методы позволяют обнаружить структурную пористость во всех случаях, когда она существует, и потому в отсутствие доказательств ее существования нет смысла произвольно делить пористое пространство на структурную и тек стурную составляющие. Данная проблема миновала стадию простого подразделения пористости на макро- и микропоры или на нека пиллярную и капиллярную пористости по способности пор удержи вать воду против действия силы тяжести, вызывающей стекание. Введение терминов «структурное пористое пространство» и «тек стурное пористое пространство» только в качестве более выразитель ных эквивалентов прежних названий не имеет смысла. Есть смысл вводить эти понятия для того, чтобы выделять и оценивать коли чественно соответствующие виды пористости и тем самым наполнить определения содержанием.
1 В отечественной литературе эти группы называют межагрегатной и внуТриагрегатной пористостью. — Прим, перев.