Поиск

Теплопроводность и температуропроводность почвы
13.03.2013

Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность среды проводить тепло в направлении, обратном температурному градиенту, то есть от более теплых областей к более холодным. В стационарных условиях поток тепла q пропорционален величине температурного градиента с коэффициентом пропорциональности λ, зависящим только от свойств среды:

Теплопроводность и температуропроводность почвы (часть 1)

Коэффициент теплопроводности численно равен установившемуся потоку тепла через слой единичной толщины при разнице температур на границах слоя в 1°С. Поток тепла измеряют в кал/см2час, градиент температуры в град/см; соответственно размерность коэффициента теплопроводности - кал/см*град*час.
Коэффициент температуропроводности к характеризует способность среды выравнивать свою температуру, которая определяется не только теплопроводностью среды, но и ее объемной теплоемкостью.
Коэффициент температуропроводности к является производной теплофизической характеристикой. Он численно равен повышению температуры, которое произойдет в единице объема почвы при поступлении в нее тепла, численно равного ее теплопроводности:
Теплопроводность и температуропроводность почвы (часть 1)

Коэффициент температуропроводности имеет размерность см /с - такую же, как коэффициент диффузии. В англоязычной литературе его называют термодиффузивностью, или коэффициентом термодиффузии.
С увеличением температуры процессы переноса тепла в почве активизируются и коэффициенты теплопроводности и температуропроводности возрастают, но, как и теплоемкость, незначительно.
Температуропроводность почвы, так же как и теплопроводность, существенно зависит от влажности. Характер этой зависимости определяется взаимодействием твердой, жидкой и газообразной фаз почвы. На рис. XIII.1 представлен ход кривой к(θ) для горизонта В серой лесной почвы. На этом графике можно выделить три характерные области, соответствующие различным энергетическим состояниям почвенной влаги.
В области низких влажностей вода прочно связана и процессы теплообмена определяются исключительно кондуктивным механизмом переноса тепла в почве. С увеличением влажности возрастает площадь стыковых манжет, и, соответственно, величина кондуктивной теплопроводности. Одновременно увеличивается и объемная теплоемкость, линейно зависящая от влажности. Рост теплопроводности компенсируется ростом теплоемкости, и производная величина - температуропроводность - практически не зависит от влажности. Если объемная теплоемкость почвы растет быстрее, чем ее теплопроводность, на графике зависимости температуропроводности от влажности наблюдается локальный минимум (рис. XIII.1). Следующая область - зона линейного роста температуропроводности с увеличением влажности. В этом диапазоне пленочно-стыковая рыхлосвязанная вода может относительно свободно перемещаться внутри порового пространства, испаряясь на теплых поверхностях и конденсируясь на холодных. Увеличение содержания влаги в почве приводит к росту интенсивности пародиффузионного переноса тепла; теплопроводность возрастает быстрее, чем объемная теплоемкость. В результате с ростом влажности температуропроводность увеличивается. В области насыщения по мере перехода пленочно-стыковой влаги в пленочно-капиллярную и возникновения сплошных водяных пробок в части пор пародиффузионный перенос тепла ослабляется, и теплообмен сводится к кондуктивной теплопередаче, как и при низких влажностях. Теплопроводность почвы замедляет свой рост, а поскольку объемная теплоемкость продолжает увеличиваться с возрастанием влажности, производная величина -температуропроводность - уменьшается.
Температуропроводность легко- и среднесуглинистых почв достигает максимума в области перехода пленочно-стыковой влаги в пленочно-капиллярную. В тяжелосуглинистых и суглинистых почвах почвенно-гидрологическая константа влаги разрыва капилляров не выражена из-за отсутствия в них крупных пор. У этих почв кривые зависимости к(θ) заметно выположены и четкого максимума не имеют.
Теплопроводность и температуропроводность почвы (часть 2)