Что такое порозность слоя

Псевдоожижение твердого зернистого материала (гидродинамика взвешенного слоя)

Смешанная задача гидродинамики

В технологии строительных материалов движение восходящих потоков через слой твердых зернистых или кусковых материалов встречается достаточно часто. Практически ни один аэродинамический расчет в технологии керамики и вяжущих веществ не может быть проведен без знания законов движения жидкости через зернистые слои.

Зернистый слой может быть монодисперсным – из частиц одинакового размера или полидисперсным – из частиц различных размеров. Режим движения потока через такие слои зависит от многих факторов. На распределение скоростей, прежде всего, влияют физические свойства потока и физические и геометрические характеристики слоя, т.е. его структура.

Зернистый слой характеризуется:

— порозностью слоя, которая представляет собой отношение объема пустот в слое к общему объему слоя

,

где V – общий объем слоя; V_ч – объем, занимаемый частицами слоя; V_св – свободный объем слоя.

Отсюда, объем, занимаемый частицами и свободный

и ;

— удельной поверхностью (м 2 /м 3 или см 2 /г), т.е. отношением площади поверхности всех частиц к объему, занимаемому слоем или его массе;

— эквивалентным диаметром каналов d_э и их извилистостью α_к;

— скоростью витания частиц v_вит.

Потери давления при движении жидкости через зернистый слой могут быть подсчитаны по формуле, аналогичной потерям давления на трение в трубопроводах, т.е. по формуле Дарси-Вейсбаха:

, (4.15)

где λ – коэффициент, отражающий влияние не только сопротивления трения, но и дополнительных местных сопротивлений межзерновых каналов, т.е. λ является общим коэффициентом сопротивления; d_э – эквивалентный диаметр каналов зернистого слоя; l_к – длина каналов.

Для определения эквивалентного диаметра необходимо знать площадь живого сечения потока жидкости и смоченный периметр.

Если поперечное сечение слоя (аппарата) S, а высота зернистого слоя h, то объем слоя
V = S∙h, а объем каналов (свободный объем) .

Длина каналов с учетом их извилистости будет в α_к раз больше высоты слоя, т.е. l_к = α_к∙h. Тогда живое сечение потока, равное свободному сечению слоя, будет равно

.

Общая поверхность каналов равна произведению удельной поверхности частиц в м 2 /м 3 на объем слоя V = S∙h

.

Периметр каналов (периметр свободного сечения) может быть вычислен делением общей поверхности каналов на их длину

.

Тогда эквивалентный диаметр каналов зернистого слоя

, (4.16)

т.е. эквивалентный диаметр равен учетверенной порозности слоя, деленной на удельную поверхность.

Так как определить действительную скорость жидкости (газа) в каналах очень трудно, то в расчеты вводят так называемую фиктивную (среднюю) скорость v_о, равную отношению объемного расхода жидкости ко всей площади поперечного сечения слоя. При подсчете v_о пренебрегают кривизной каналов, т.е. полагают α_к = 1. Если извилистость каналов не учитывать, то их длина l_к будет равна высоте слоя l_к = h.

Тогда общее сечение каналов составит

и объемный расход жидкости будет равен

,

где v – действительная скорость.

Выразим объемный расход через фиктивную скорость жидкости. По определению фиктивной скорости объемный расход будет равен произведению всей площади поперечного сечения слоя S на v_о, т.е. V₀ = S· v_о. Приравнивая объемные расходы жидкости, выраженные через действительную и фиктивную скорости, получим

= , откуда ,

где v_о – фиктивная скорость.

Отсюда действительная скорость

. (4.17)

Фактическая скорость жидкости меньше скорости, подсчитанной по этому выражению, поскольку длина каналов за счет их извилистости больше высоты слоя в α_к раз, и отличается от нее тем больше, чем больше α_к. Однако это различие не оказывает существенного значения, если в формуле Дарси-Вейсбаха вместо l_к использовать высоту слоя h.

Тогда, подставляя в формулу (4.15) значения d_э, v и l_е = h, получим

. (4.18)

Как и при движении жидкости в трубах, коэффициент сопротивления λ зависит от режима течения, определяемого критерием Рейнольдса.

Подставляя в выражение критерия Рейнольдса значение d_э из формулы (4.16) и скорости из формулы (4.17), получим

. (4.19)

где – массовая скорость жидкости.

Из опытных данных получено, что для всех режимов движения жидкости применимо обобщенное уравнение для расчета коэффициента сопротивления λ

. (4.20)

При движении жидкости через зернистые слои турбулентность в потоке развивается гораздо раньше, чем при течении по трубам, без резкого перехода от одного режима к другому. Ламинарный режим практически существует при Re 7000 наблюдается автомодельная (по отношению к Re) область турбулентного движения, т.е. в этом случае можно считать, что .

Как видно из формулы (4.18), потеря давления на трение в значительной степени зависит от порозности слоя, поскольку в уравнение входит в третьей степени. Порозность слоя во многом зависит от способа загрузки и от соотношения диаметров зерен и аппарата, т.е. от d/D. На практике при свободной засыпке доля свободного объема изменяется в пределах 0,35…0,5.

Отмечено, что плотность слоя, прилегающего к стенкам аппарата, меньше, чем в центре. Это связано с так называемым пристеночным эффектом. Чем больше D/d, тем меньше пристеночный эффект и тем меньше неравномерность распределения скоростей потока в центре и в периферийной зоне аппарата.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой твердых частиц, расположенный на поддерживающей перфорированной решетке аппарата (рис. 4.4), проходит восходящий поток жидкости или газа, то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока.

(а) – неподвижный слой; (б) – кипящий (псевдоожиженный) слой; (в) – унос частиц потоком

Рисунок 4.4 – Движение жидкости через зернистый слой

При малых скоростях потока жидкости или газа, проходящего через зернистый слой снизу, происходит обычный режим фильтрования, при котором твердые частицы остаются неподвижными (рис. 4.4, а).

При увеличении скорости потока, проходящего по межзерновым каналам слоя, давление на его отдельные частицы возрастает согласно формуле Ньютона пропорционально квадрату этой скорости. Просветы между частицами увеличиваются, контакт между ними уменьшается, и они получают большую возможность хаотического перемещения по всем направлениям. Масса твердых частиц в результате непрерывного перемешивания в восходящем потоке приходит в легкоподвижное состояние, напоминающее кипящую жидкость. Образовавшуюся взвесь называют взвешенным или псевдоожиженным слоем (рис. 4.4, б).

Состояние и условия существования взвешенного слоя зависят от скорости восходящего потока и физических свойств системы: плотности, вязкости, размеров частиц и т. д. Очевидно, слой будет оставаться неподвижным в восходящем потоке, если v_вит > v (режим фильтрации); слой будет находиться в состоянии равновесия (витания), если v_вит ≈ v (взвешенный слой); твердые частицы будут двигаться в направлении потока, если v_вит 3 газа, а степень очистки 85…87% (в зависимости от дисперсного состава пыли). С уменьшением диаметра аппарата степень очистки может достигать 98%.

Источник

Лако-красочные материалы — производство

Технологии и оборудование для изготовления красок, ЛКМ

Порозность зернистого слоя и пористость зерна

Слой зернистого материала занимает больший объем, чем сплош­ной кусок твердого тела, из которого получены зерна той же массы. Это вызвано появлением в слое свободных пространств между зер­нами. Дробь, выражающая отношение объема У0, приходящегося на

Рис. VI1-1. Различные способы упаковки шаров:

А — порозность наибольшая; б — порозность наименьшая.

Свободные пространства между зернами, к полному объему слоя V, Называется порозностью слоя и обозначается через е:

Где Vs — объем зерен твердого тела в слое.

Порозность слоя зависит от упаковки зерен и может изменяться в довольно широких пределах. Например, для слоя шаров, имею­щих одинаковый диаметр, порозность выражается формулой:

6(1 — cos Р)/1 + 2 cos р

Здесь р обозначает угол между линиями, соединяющими центры шаров; угол |3 изменяется от 90° (когда центры шаров находятся на вершинах куба — рис. VII-1, А) до 60° (когда выпуклости одного пласта шаров приходятся на углубления соседнего пласта — рис. VII-1, б), а порозность меняется, следовательно, от е = 0,476

(для первого случая) до е = 0,259 (для второго случая), т. е. почти в два раза.

В случае смешения зерен двух видов порозность слоя не аддитивна, так как меньшие зерна могут заполнять свободные пространства между большими зернами, уменьшая таким образом общую пороз­ность. Расчет порозности смеси для этого случая можно провести, пользуясь зависимостями:

1= *A1A+*B1B-*w Ла+% + 1 (УП»9)

Где *]а, Лв — показатели порозности компонентов А и В смеси, оп­ределенные следующим образом:

Хх, X-q — объемные доли компонентов смеси

К’, К», К’» — эмпирические коэффициенты, причем

Источник

Тема 4. Основные технологические процессы

Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002

Тема 4. Основные технологические процессы

4.4. Гидромеханические процессы

4.4.5. Псевдоожижение

Псевдоожижение – П. твердого зернистого материала называют приведение его в такое состояние, при котором его свойства по многим показателям приближаются к свойствам жидкости; такое состояние достигается в результате пропускания через слой свободно лежащего твердого зернистого материала восходящего потока газа или жидкости. Псевдоожиженный слой принимает форму вмещающего его аппарата, его поверхность горизонтальна. Обнаруживаются и другие свойства, присущие жидкостям – текучесть, «вязкость» и поверхностное натяжения. Тела, имеющие меньший удельный вес, чем псевдоожиженный слой, в нем, а больший – тонут.

Широкое применение техника псевдоожижения нашла в связи с рядом важных преимуществ. Твердый зернистый материал в псевдожиженном состоянии вследствие текучести можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно. Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдожиженном слое выравнивается поле температур, устраняется возможность значительных локальных перегревов, хотя при этом происходит уменьшение движущей силы процесса.

Процессы, в которых псевдоожижение широко применяется:

1) Химические: каталитический крекинг нефтепродуктов, гетерогенные каталитические реакции, газификация топлива, обжиг сульфидных руд и т.д.

2) Физические и физико-химические: сушка мелкозернистых, пастообразных и жидких материалов, адсорбционная очистка газов, нагрев и охлаждение газов и др.

3) Механические: обогащение, классификация, гранулирование, смешение и транспортировка зернистых материалов.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожижающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока.

При плавном увеличении скорости от «0» до некоторого первого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны (рис. 4.16, а). На графике процесса псевдоожижения (рис.4.17), называемом кривой псевдоожижения и выражающем зависимость перепада статического давления в слое зернистого материала от скорости псевдоожижающего агента, процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА.

Рис. 4.16. Различные состояния слоя зернистого материала при прохождении через него потока газа (жидкости):
а – неподвижный слой (режим фильтрации); б – однородный псевдоожиженный слой при W ³ Wпс; в – неоднородный псевдоожиженный слой

Переход от режима фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожижающего агента Wпс (точка А, рис. 4.17, называемой скоростью начала псевдоожижения.

Рис. 4.17. Изменение перепада давления в зависимости от скорости потока, проходящего через слой (кривая идеального псевдоожижения)

Начиная со скорости псевдоожижения и выше сопротивление слоя DР_сп сохраняет практически постоянное значение и зависимость DР = f(W) выражается прямой АВ, параллельной оси абсцисс. Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя, а следовательно его высота h. Порозность неподвижного слоя e₀ – это отношение

где V и V₀ – объем неподвижного слоя и объем частиц.

В зависимости от свойств псевдожижающего потока и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса псевдоожижения. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих критическую скорость Wпс, т.е. при W ³ Wпс, наблюдается так называемое однородное («спокойное») псевдоожижение (рис. 4.16,б).

По мере роста скорости при псевдоожижении газов в слое возникают компактные массы газа («пузыри», «каверны»), интенсивно турбулизирующие твердые частицы и образующие всплески зернистого материала на поверхности. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называется неоднородным псевдоожижением (рис. 4.16, в).

Наконец, при достижении некоторого второго критического значения скорости Wу, называемой скоростью уноса, твердые частицы начинают выноситься из слоя и их количество в аппарате уменьшается. Порозность такого слоя стремится к 1, и сопротивление слоя правее точки В (рис. 4.16) также падает.

Рассмотренный нами график называют кривой идеального псевдоожижения.

На практике действительная кривая псевдоожижения отличается от идеальной кривой (крутизной восходящей ветви и всплеском давления при начале псевдоожижения, определяемых, в основном, плотностью упаковки твердых частиц).

В настоящее время в связи с огромной важностью процессов псевдоожижения разрабатываются все новые и новые аппараты, учитывающие специфические особенности взаимодействующих веществ.

Наряду с обычными цилиндрическими аппаратами нашли широкое применение конические аппараты. Значительная скорость псевдоожижающего агента внизу аппарата дает возможность работать без поддерживающей решетки, что особенно важно для высокотемпературных процессов, агрессивных сред, а также при использовании комкующихся и слипающихся материалов.

Аппараты с псевдоожиженным слоем, как и все остальные технологические аппараты, могут быть периодического и непрерывного действия. В периодически действующих аппаратах твердые частицы не выводятся до своей полной отработки.

В аппаратах непрерывного действия осуществляется противоток зернистого материала, т.е. происходит постоянный вывод отработанных твердых частиц их замена их свежим зернистым материалом.

В тех случаях, когда нужно получить противоток зернистого материала и псевдоожижающего агента, в аппаратах непрерывного действия применяется последовательное секционирование на каскад последовательно расположенных слоев. В таких секциях происходит переход твердой фазы с верхних слоев на нижние под действием силы тяжести, либо через специальные перетоки, либо через отверстия в провальных тарелках, живое сечение которых составляет 15 – 30%.

Источник

Что такое порозность слоя

Агрофизика &#150 наука о физических основах формирования урожая, изучающая физические, физико-химические и биологические процессы в системе “ почва-растение-деятельный слой атмосферы”, основные закономерности продукционного процесса, разрабатывающие научные основы, методы, технические, математические средства и агроприемы рационального использования природных ресурсов, повышения эффективности и устойчивости агроэкосистем, земледелия и растениеводства в полевых и регулируемых условиях.

Почва, ее физические свойства &#150 это одно из центральных понятий продукционного процесса. Почва обеспечивает растения питательными веществами и водой, она преобразует солнечную радиацию в тепло, хранит это тепло, являясь теплым “одеялом” для семян растений, она впитывает осадки, сохраняет воду, избавляясь от ее избытков и предоставляя воздуху свободно циркулировать в поровом пространстве. Почва обладает свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию.

Структура почвы

В почвах механические элементы находятся в раздельно-частичном состоянии или соединяются под действием разнообразных сил в комки разной формы и размера, которые называют почвенными агрегатами.

Почвенный агрегат (структурная отдельность) &#150 представляет собой определенной количество механических элементов, объединенных в единое целое в результате слипания и склеивания под влиянием абиотических и биотических факторов. Совокупность агрегатов различного размера, формы и качественного состава называют почвенной структурой, а способность почвы распадаться на агрегаты при механическом воздействии &#150 структурностью.

Милановский Е.Ю. и Шеин Е.В. подмечают, что если из комочка чернозема сделать тонкий срез и рассмотреть его в микроскоп, то можно увидеть соединенные друг с другом частички с просвечивающей между ними пустотой &#150 поровым пространством. В нем как раз и сохраняются вода и питательные вещества, живет и функционирует почвенная биота. Крупные отдельные частицы &#150 это кусочки минералов и горных пород (песчинки, пылинки и др.). Они когда-то составляли геологическую породу, на которой и образовалась почва с характерной структурой. Теперь эти минеральные частицы соединены между собой прочной, но пластичной связью, которая не рвется даже при проникновении воды. В то же время при насыщении агрегата водой возникают очень большие силы, стремящиеся отодвинуть частицы друг от друга. Физико-химический характер этих сил можно пояснить на схеме (рис. ). На поверхности минеральных частиц, расположенных рядом и омывающихся водой, образуется некоторый, как правило, отрицательный электрический заряд. К таким частицам обязательно подойдут из раствора положительно заряженные катионы. Они окружат их, формируя поверхностный слой. Но вот что интересно: в межчастичном пространстве количество катионов окажется значительно больше, чем в окружающей воде.

Рис. Срез агрегата чернозема обыкновенного (по: Качинский Н.А. Структура почвы. М., 1963).

1 — микроагрегаты; 2 — крупные минеральные частицы; 3 — органический цемент; 4 — видимые микропоры.

В настоящее время (Зубкова, Карпачевский), считают: структура почвы определяется как способ упаковки разных по минералогическому составу, размеру и химическим свойствам почвенных частиц.

По мнению этих авторов, склеивание механических элементов происходит под действием следующих условий:

Гумусовых веществ
Оксидов железа, кальция, алюминия
Коллоидных частиц
Корней растений (при дроблении более крупных)
Вертикальное и горизонтальное растрескивание почвенной массы
Водной среды

Кроме размера агрономическая ценность структуры характеризуется связностью (механическая прочность), водопрочность и пористостью агрегатов.

Под связностью понимают способность агрегатов не разрушаться при механическом воздействии. Связность возрастает с увеличением количества илистых и коллоидных частиц, участвующих в формировании агрегатов. Высокую механическую прочность имеют агрегаты глинистых и тяжелосуглинистых по гранулометрическому составу иллювиальных горизонтов. В сухом состоянии они разрушаются с большим трудом, однако в воде легко распадаются на механические элементы.

Агрономически ценная структура должна отличаться не только механической прочностью, но и водопрочностью.

Водопрочность &#150 это способность агрегатов длительное время противостоять размывающему действию воды. Она зависит от качества материала, склеивающего механические элементы.

Свойство почвы образовывать устойчивые агрегаты &#150 это свойство почвенной структуры, пожалуй, самое важное структурное и функциональное свойство почвы. Агрегат характеризуется тем, что связи внутри него, между отдельными частицами (в микроагрегате) или микроагрегатами (в макроагрегате) выражены сильнее, чем между агрегатами. Поэтому в почве и выделяются отдельные агрегаты, что свидетельствует о том, что почвенная структура представлена рассыпчатым, зерноподобным, агрегированным веществом, а не единой монолитной массой. Чем лучше выражена эта структура, чем устойчивее к воздействию воды и механических нагрузок почвенные агрегаты, тем лучше функционирует почва, тем выше и устойчивее ее продуктивность.

Хорошая структура определяет и хорошее проникновение влаги, за счет пониженной плотности повышается ее порозность, и почва способна вместить и удержать большое количество воды, питательных веществ, в ней лучше движутся газы, активнее газообмен.

Почва должна сохранять свою уникальную комковато-зернистую структуру после обильных осадков и последующего легко подсушивания, когда образуется не плотная непроницаемая для газов и воды корка, а вновь хорошо различимые почвенные комочки и агрегаты.

Во всех теориях структурообразования отсутствует главный действующий “герой” практически всех почвенных процессов &#150 вода. Без нее все события в формировании почвенной структуры кажутся разобщенными, не связанными друг с другом. В последнее время родилась идея, что основную роль в природном клее должно играть органическое вещество почвы, которое затрудняет быстрое поступление воды в межчастичное пространство, препятствует возникновению высоких расклинивающих давлений и разрыву агрегата. Чтобы разъяснить эту идею, попробуем поставить эксперимент.

Рис. Схема возникновения расклинивающего давления между отрицательно заряженными минеральными частицами. Стрелками указано направление движения воды в пространство с положительно заряженными сорбированными катионами.

Возьмем две стеклянные трубки. Внутреннюю поверхность одной из них смажем вазелином. Опустим концы трубок в воду и скоро увидим, что в чистой трубке вода поднялась на некоторую высоту, а в смазанной вазелином, напротив, опустилась ниже первоначального уровня. Причина этого эффекта связана с различными свойствами поверхности. По чистому стеклу вода хорошо растекается &#150 оно гидрофильно. Поверхность, отталкивающая воду (в нашем случае покрытая вазелином), гидрофобна.

А что, если нечто подобное происходит и в почвенных агрегатах? Но для этого необходимы следующие условия: гумусовые вещества, вырабатываемые микроорганизмами из растительных остатков, должны обладать гидрофобными свойствами и при этом прочно удерживаться на гидрофильной (аналогичной стеклу) поверхности минеральных частиц. Значит, почвенные органические молекулы должны иметь как гидрофильные, так и гидрофобные свойства, или, как говорят биохимики, быть амфифильными. Тогда в почвенной поре молекула органического вещества одной своей частью (гидрофильной) прочно удерживается на поверхности минеральной частицы, а другой (гидрофобной) &#150 ориентируется внутрь, в межчастичное пространство. Вода в такую пору поступает медленно. Это очень важно. Именно медленно, без закупоривания пор и разрыва агрегатов защемленным воздухом. При этом комочки увеличиваются в объеме, набухают. Почва как бы становится единой глинистой массой. Органические молекулы гумуса своими гидрофобными окончаниями держатся друг за друга, не позволяя молекулам воды разорвать гидрофобные связи. Чем больше гидрофобных окончаний, тем устойчивее агрегаты и тем сильнее они противостоят расклинивающему действию воды. Теперь эту гипотезу следует доказать экспериментально.

Сохранение структурности почвы &#150 важнейшая задача при ее обработке. При обработке почвы следует учитывать следующие правила:

2. Общие физические свойства почв

К общим физическим свойствам почв относят:

1. ПЛОТНОСТЬ СЛОЖЕНИЯ (ПЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ)

Плотность сложения (dv) &#150 это масса абсолютно сухой почвы (М) в единице объема почвы (V) со всеми свойственными естественной почве пустотами, выраженная в г/см3:

Плотность почвы более вариабельный показатель, чем плотность твердой фазы (см. далее). Она изменяется во времени и пространстве, особенно в верхних горизонтах, подвергающихся постоянному воздействию климатических, биологических и антропогенных факторов.

Плотность почвы &#150 это одно из основных фундаментальных свойств почвы. Плотность определяет соотношение между твердой, жидкой и газообразной фазами. Величину плотности почв определяют многие причины. Большое значение имеет минералогический состав твердой фазы почвы, присутствие органического вещества. Тяжелые минералы в почве способствуют увеличению плотности, а легкие понижают ее. Большое количество органических веществ уменьшает плотность.

Но в большей степени величины плотности почв зависят от их сложения и структурного состояния. Рыхлые почвы с зернистой и комковатой структурой, с большой пористостью обусловливают малые величины плотности. Почвы же бесструктурные, слитые характеризуются повышенными значениями плотности. Почвы могут уплотняться под влиянием прохода тяжелых сельскохозяйственных машин, выпаса скота, поливов. Плотность увеличивается в глубоких горизонтах почвы, что приводит к необратимому снижению уровня плодородия. Это наблюдается как под пропашными и зерновыми культурами, так и под многолетними насаждениями.

Плотность почвы в среднем определяется величинами 1,2-1,4 г/см3. К ним оказались экологически приспособленными большинство растений. При этом, как правило, складываются экстремальные условия для живых организмов в почвенной среде.

Оценка плотности сложения по Качинскому (1965), используемая в РФ представлена в таблице:

Плотность минеральных почв изменяется от 0,9 до 1,8 г/см3, а у торфяно-болотных &#150 от 0,15 до 0,40 г/см3.

Отклонение от оптимальной величины плотности в любую сторону приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Плотность сложения почвы имеет важное агрономическое значение, поскольку сильно влияет на условия жизни растений и почвенных микроорганизмов.

Сильно уплотненная сухая почва оказывает большое сопротивление развитию корневой системы растений. Для обработки такой почвы требуются дополнительные энергетические затраты. При уплотнении почвы сокращается количество макропор и крупных капилляров, увеличивается доля горизонтально ориентированных пор. В результате этого снижается предельно-полевая влагоемкость (НВ), ухудшается газообмен почвы, возрастает содержание влаги, недоступной для растений. Плотные почвы имеют плохую водопроницаемость, поэтому значительное количество воды, поступающей на их поверхность, не проникает в глубь профиля, а испаряется или же при наличии уклона формирует поверхностный сток, вызывая развитие эрозии.

На переуплотненных почвах снижается эффективность минеральных удобрений. При сильном увлажнении в плотных почвах все поры заполняются водой, в результате чего развиваются анаэробные условия и активизируются соответствующие группы организмов.

Поэтому регулирование плотности почвы &#150 важный фактор оптимизации условий произрастания сельскохозяйственных культур.

2. ПЛОТНОСТЬ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ

Плотность твердой фазы (d) &#150 это масса твердых компонентов почвы (М) в единице объема без учета пор (Vs), или, это отношение твердой массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 40 С.

Эта величина зависит от природы и соотношения минералов и органических веществ, входящих в состав почвы. В отличие от плотности сложения, плотность твердой фазы величина практически неизменная (const).

В верхних горизонтах малогумусных почв плотность твердой фазы чаще всего варьирует в пределах от 2,5 до 2,65 г/см3. С увеличением степени гумусированности почвы плотность твердой фазы снижается и составляет 2,3-2,45 г/см3. В средней и нижней части почвенного профиля плотность твердой фазы, как правило, возрастает, достигая 2,7-2,8 г/см3.

ПОРИСТОСТЬ ПОЧВЫ

Пористость почвы (порозность) &#150 это объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца (%) Рассчитывается по данным о плотности сложения (dv) и плотности твердой фазы (d) почвы.

Общую пористость, Pобщ.,% рассчитывают по формуле:

Между соприкасающимися элементарными почвенными частицами, микро- и макро агрегатами всегда имеются различного рода пустоты, которые называют порами.

По почвенным порам перемещается вода с растворенными в ней веществами, в них содержится воздух. В почвенных порах обитают микроорганизмы, простейшие и другие представители почвенной биоты, по ним в почву проникают корни и корневые волоски растений. Поэтому общий объем пор, составляющих это пространство &#150 важнейшие характеристики почвы.

Формирование пористости происходит в результате действия различных факторов: образования и разрушения структуры, упаковки и переупаковки почвенных частиц, микро- и макроагрегатов, растрескивания почвенной массы под влиянием попеременно действующих процессов нагревания-охлаждения и набухания-усадки, заполнения свободного порового пространства подвижным почвенным материалом, выщелачивания растворимых веществ, деятельности живых организмов.

Величина пористости зависит:

Почвенные поры имеют различный размер и конфигурацию. Самые мелкие поры сосредоточены внутри агрегатов, более крупные &#150 стыковые поры, поры-трещины, поры-полости располагаются между агрегатами. В связи с различной локализацией пор общая пористость подразделяется на агрегатную (если поры находятся внутри агрегатов) и межагрегатную (если поры расположены между агрегатами).

Макропоры &#150 это в основном межагрегатная порозность, а мезо- и микропоры &#150 внутриагрегатная. Это справедливо для хорошо оструктуренных почв, когда явно выделяются почвенные агрегаты. Однако такое соответствие наблюдается не всегда. Макропоры могут быть представлены биопорами (ходами червей, корней растений и пр.). И эти макропоры могут быть ответственны за специфический почвенный перенос, по образному выражению Шеина Е.В. &#150 практически моментальный “ проскок” веществ внутри почвы.

В почвах часто выделяют капиллярную и некапиллярную пористость (порозность).

Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков почвы.

Некапиллярная пористость равна объему крупных пор, как правило, межагрегатных. Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом. Вода в них находится под действием гравитационных сил и не удерживается. В капиллярных порах размещается вода, удерживаемая менисковыми силами.

Поры, в которых находится капиллярная вода, почвенный воздух, микроорганизмы и корни растений, называют активными. К неактивным относятся поры, занимаемые связанной водой. В агрономическом отношении важно, чтобы почвы располагали большим объемом капиллярных пор и при этом имели некапиллярную пористость не менее 20-25% общей пористости.

Оценку общей пористости дают по шкале Н.А. Качинского: