Поиск

Движение воды под влиянием молекулярных сил
26.06.2015

Как выше указано, молекулярная, или пленочная, вода связана очень прочно с поверхностью почвенных частиц и потому не способна передвигаться под влиянием силы тяжести. Поэтому вопрос о том, способна ли вообще плевочная вода передвигаться в почве, долгое время оставался неясным. В настоящее время можно читать доказанным, что пленочная вода передвигается и что причиной этого движения являются молекулярные силы притяжения поверхности почвенных частиц. Механизм этого передвижения можно представить себе в виде следующей схемы (Лебедев, черт. 15). Допустим, что соприкасаются между собой две одинаковых частицы почвы А и B, из которых одна облечена пленкой воды более толстой, чем другая (эти слои показаны на чертеже пунктиром). Тогда очевидно, что частица воды C, располагающаяся на стыке двух пленок, будет находиться под влиянием притяжения двух неравных сил, а именно меньшей AC и большей BC (сила притяжения обратно пропорциональна расстоянию от центра частицы почвы). При этих условиях частица воды очевидно не может находиться в равновесии и будет передвигаться в сторону действия большей силы, т. е. на более тонкую пленку. Такое передвижение должно будет продолжаться до тех пор, пока толщина пленок на обеих частицах не станет одинаковой.

Движение воды под влиянием молекулярных сил

Из этой схемы явления мы видим, что самая возможность движения воды определяется разницей толщин водяной пленки, а направление этого движения всегда протекает от более толстой пленки к тонкой, независимо от того, расположена ли последняя вверху, внизу или сбоку по отношению к первой.
Таким образом направление пленочного движения не зависимо от направления силы тяжести, оно может осуществляться безразлично в любую сторону. Это первая существенная характеристики этого вида движения.
Второй характеристикой является то обстоятельство, что такое же движение не ограничено по своей протяженности, если градиент силы, в форме разницы толщины пленки, существует. Представим себе например естественный разрез почвогрунта, в основании которого лежит грунтовая вода. В этом случае нижний слой грунта будет обладать наибольшей полной капиллярной влажностью, и общий запас воды в нем можно принять неисчерпаемым. Верхнюю часть разреза, любой мощности, представим себе как сухую. Тогда очевидно, что на плоскости раздела этих двух слоев, мокрого и сухого, неизбежно возникнет резкий градиент молекулярных сил поверхностного притяжения, лежащий в пределах от нуля ко влажном слое до 100 в сухом. В силу этого вода в виде пленки переползет из влажного слоя в пограничную зону слоя сухого. Тогда градиент напряжений очевидно передвинется на новую плоскость раздела, более высоко расположенную по отношению к влажному слою. Ho здесь вновь должен осуществиться тот же процесс, так как условий равновесия нет. С этой второй плоскости раздела водяная пленка должна будет переместиться на третью плоскость, затем на четвертую и так далее и, принципиально, бесконечно, пока на всем протяжении сухой части разреза не будет достигнуто полное насыщение молекулярных сил притяжения поверхности почвенных частиц, т. е. пока водяная пленка везде не достигнет одинаковой толщины. Таким образом можно предположить, что любая толща грунта, выше зоны капиллярного поднятия грунтовой воды вплоть до поверхности, должна будет увлажниться до степени максимальной молекулярной влажности, свойственной данному грунту.
Наблюдения в природе, повидимому, в общем подтверждают это предположение. Так прямые определения влажности грунтов наших южных широт, где грунтовые воды залегают на глубине 30—40 м, показывают, что средняя зона этих грунтов, между нижней капиллярной в 2—3 м и верхней в 1,5—2,0 м, обладает в течение всего года одинаковой влажностью, отвечающей по величине примерно максимальной молекулярной влажности этих грунтов. Это так называемый «мертвый» горизонт, в смысле именно неизменности состояния его влажности. В верхних горизонтах колебания влажности очень существенны, но они объясняются испарением и выпадающими осадками.
С другой стороны, в более южных районах (Закавказье, Средняя Азия) наблюдаются случаи сильного осолонения поверхности земли в условиях залегания грунтовых вод значительно более глубокого, чем возможная высота капиллярного поднятия воды. В этих случаях можно допустить, что ввиду малого количества выпадающих осадков поднимающаяся пленочная вода, несущая в себе и растворенные соли, достигает поверхности земли, здесь испаряется, и соли концентрируются на поверхности. Возможность такого процесса, на основании вышеизложенной модели явлений, можно довольно легко себе представить, однако необходимо все же отметить, что непосредственно он остается, к сожалению, пока неизученным.
Третьей характеристикой пленочного движения воды является то обстоятельство, что оно осуществляется вообще весьма медленно. Для иллюстрации приведем один из опытов А. Лебедева, поставленный следующим образом. В пробирку набиты три слоя одной и той же почвы, но средний слой имеет влажность 16,93% (близкую к максимальной молекулярной), а верхний и нижний имеют влажность 9,52% (несколько выше максимальной гигроскопической, равной 7,69%). Толщина каждого слоя почвы около 5 см. При температуре 28,2° С через 20 дней распределение влажности по слоям стало следующим: средний слой 14,34%, верхний и нижний 11,98% (в среднем). Таким образом передвижение воды осуществилось, но даже в пределах 5 см слоев и за время в 20 суток полного выравнивания влажности еще не произошло. Это характеризует движение как медленное. С этой чертой данной формы движения воды в почвогрунтах нельзя не считаться при анализе различных природных явлений: в тех случаях, когда мы должны учесть эффект действия значительных периодов времени, роль пленочного движения может оказаться решающей, и, наоборот, при анализе явлений кратковременных значение пленочного движения существенно снижается.
Выше мы рассмотрели элементарную схему движения пленочной воды между двумя почвенными частицами и установили, что движение осуществляется от более толстой водяной пленки к более тонкой. Если допустить, что эти почвенные частицы строго одинаковы, то можно сказать, что пленочное движение осуществляется по направлению от области более влажной, в весовом выражении, к области более сухой. Однако это положение по отношению к целым почвенным слоям, а не к отдельным одинаковым частицам, будет справедливо только для частного случая соприкосновения между собой совершенно однородных грунтов. В этом случае очевидно, что различные весовые проценты влажности одновременно указывают и на различие относительных толщин пленок воды, и следовательно мы можем утверждать, что движение будет осуществляться от слоя более влажного к слою более сухому. В отношении более общего случая грунтов неоднородных, или, вообще говоря, неизвестных, делать заключения о характере пленочного движения на основании только показания весовой влажности почвы нельзя.
В самом деле допустим, что нам сказано, что соприкасаются между собой два слоя почвы, из которых один обладает влажностью в 3% от веса почвы, а другой — в 5%. Решить в этом случае вопрос о том, будет ли здесь осуществляться передвижение воды или нет и в каком направлении, мы не можем до тех пор, пока не установим, в каком отношении находятся эти величины влажности к величине максимальной молекулярной влажности этих слоев. Здесь возможны три случая, а именно: 1) максимальная молекулярная влажность обоих слоев одинакова. Это будет обозначать, что меньший процент весовой влажности соответствует меньшей толщине пленки, и следовательно движение воды будет итти от влажного слоя к более сухому. Тот же эффект будет, если величина максимальной молекулярной влагоемкости первого слоя выше, чем второго; 2) максимальная молекулярная влажность первого слоя пусть будет равна 3%, а второго— 7%. Тогда следовательно мы имеем: в первом слое почв толщину пленки воды максимальную, во втором слое меньшую, здесь молекулярные силы не вполне насыщены; движение воды будет происходить очевидно от первого слоя, т.е. слоя более сухого в весовом выражении к слою более влажному; 3) третьим случаем будет тот, когда заданные влажности в 3 и 5% как раз будут соответствовать величинам максимальной молекулярной влагоемкости данных слоев. В этом случае очевидно молекулярные силы будут в обоих слоях почвы насыщены (или вообще одинаковы), и движения воды не будет несмотря на разную степень весовой влажности. С точки зрения динамической эти разные степени влажности будут одинаковы, или, можно сказать, эквивалентны.
Рассмотренный здесь случай показывает, насколько важно, с общей динамической точки зрения, знание величины максимальной молекулярной влажности почвы.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *