Cálculo de alguns parâmetros físicos do solo. Composição física (características físicas do solo)

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1 Cálculo de algun parâmetro fíico do olo Prof. Quirijn de Jong van Lier LEB/ESALQ/USP Introdução Entre o parâmetro fíico do olo ditinguem-e aquele que dizem repeito à ua compoição (caracterítica fíica) e aquele que e referem ao eu comportamento frente a fatore externo (propriedade fíica). Compoição fíica (caracterítica fíica do olo) A compoição fíica do olo é muito complexa e variável, reultado da interação e mitura não-homogênea do eu componente. O olo é compoto por trê fraçõe fíica: o ólido (a triz do olo), o líquido (a olução do olo) e o gae (o ar do olo). Sólido O ólido form a triz do olo. O epaço entre o ólido é chado de epaço poroo, ou poro. O tanho e for do poro é diretamente determinado pelo tanho, for e arranjo do ólido do olo. Entre o ólido etão aquele de origem mineral (minerai primário e ecundário) e o de origem orgânica (téria orgânica). A denidade do minerai varia entre 2500 e 2900 kg m -3. Como valor médio conidera-e norlmente 2700 kg m -3 para olo argiloo, e 2750 kg m -3 para olo arenoo ou de textura média. A téria orgânica preente no olo é compota por reíduo de planta e anii, bem como por organimo vivo. A denidade da fração orgânica é entre 1200 e 1500 kg m -3, endo a ua média etida norlmente em 1400 kg m -3. A preença de téria orgânica pode ter u grande influência na denidade da fração ólida de um olo. No entanto, norlmente a fração de téria orgânica é pequena quando comparada com a do minerai, e eti e a denidade do ólido com teore nori de téria orgânica em 2650 kg m -3. Porém, em olo com alto teore de téria orgânica (>50 g / kg), a denidade do ólido não pode er etida com confiança, e deve er medida. Líquido A olução do olo, freqüentemente chado de água do olo conite de água com ai minerai e ubtância orgânica diolvido. Gae A compoição da fração gaoa, também chada de ar do olo é, de groo modo, igual à da atmofera, porém, ela contém i CO 2 e meno O 2, além de apreentar u umidade relativa empre próxi a 100%. A água e o gae ocupam o epaço poroo, o vazio entre o ólido.

2 Definiçõe iniciai Para e ter u noção da ordem de grandeza do volume ocupado no olo pela trê fraçõe, pode-e tor como bae que a metade do volume do olo é ocupada pelo ólido. A outra metade, o epaço poroo, é preenchida pela água e pelo gae: quanto i água, meno ar, e vice-vera. O teore de água e ar num olo podem variar em curto prazo. Ea variação é de grande importância agronômica. A caracterização da compoição fíica de um olo conite na quantificação do teore, tanto em a como em volume, do componente nele contido, e no cálculo de algun parâmetro derivado. Etudo quanto à caracterização da compoição fíica de um olo podem er feito em amotra indeforda ou deforda. Em amotra indeforda, idealmente, o arranjo do ólido é igual ao no campo e a amotra ocupa, portanto, o memo volume que ocupava no campo. Ao coletar tai amotra, norlmente em anei volumétrico 1, cuidado epeciai devem er todo a fim de garantir a não deforção da amotra. Amotra indeforda ervem para a determinação de praticamente todo o parâmetro da caracterização da compoição fíica de um olo, por repreentarem exatamente u cada do olo em etudo. Em amotra deforda o arranjo do ólido é alterado. São amotra retirada, por exemplo, com a ajuda de um trado. A coleta de tai amotra é muito i fácil e rápida que a de amotra indeforda, porém, ela não permitem o cálculo de parâmetro fíico denimétrico e volumétrico, u vez que ee envolvem o conhecimento do volume original da amotra. Índice gravimétrico A a total de u amotra de olo (m, kg) é dada pela a do eu componente: a do ólido (m, kg), a da água (m a, kg) e a do ar (m ar, kg). Como a denidade do ar é muito menor que a do dei componente do olo (aproxidamente 1000 veze menor que a da água), a ua a é norlmente deprezada 2. Aim: m= m + + r m + (1) A a m de u amotra é obtida em laboratório atravé da peagem da me. Para obtenção da a do ólido m retira e a água da amotra, colocando-a, por convenção, nu etufa entre 105 ºC e 110 ºC, até a ua a não diminuir i (na prática: 24 a 48 h). A diferença entre m e m é, conforme equação 1, a a da água m a. Umidade gravimétrica (U) A umidade gravimétrica (U, kg kg -1 ) de u amotra de olo é a relação entre a a da água e a do ólido nela contido: U = m (2) 1 anel volumétrico: anel cilíndrico de volume conhecido, tipicamente com altura de algun centímetro e diâmetro entre 5 e 15 cm. 2 Jutificando: em u amotra de olo de 100 cm 3, onde o ólido ocupam 50% e água e ar ambo 25% do volume, m 0,133 kg, m a 0,025 kg e m ar 0, kg.

3 donde pode-e deduzir que U m = 1 (3 * ) m Índice denimétrico O volume total V (m 3 m -3 ) de u amotra de olo, coletada num anel volumétrico, é dado por π.r 2.h, onde r é o raio e h a altura do anel, ambo em metro. Ee volume pode er ubdividido na fraçõe do volume ocupada pelo ólido (V, m 3 m -3 ), pela água (V a, m 3 m -3 ) e pelo ar (V ar, m 3 m -3 ), endo que o conjunto do volume de água e ar é chado também de volume de poro (V p, m 3 m -3 ): Vp = Va + Var (4) V = V + Va + Var = V + Vp (5) A denidade da água ( a, kg m -3 ) e do ar ( ar, kg m -3 ) do olo ão i ou meno fixo: 1000 kg m -3 e 1,3 kg m -3 aproxidamente. A denidade do ólido (, kg m -3 ) e a do olo (, kg m -3 ) podem variar, de olo para olo, e ão parâmetro importante por refletirem indiretamente outra caracterítica do olo como poroidade e grau de compactação. Ela ão calculada pela eguinte equaçõe: m = (6) V = m V (7) Índice volumétrico Umidade volumétrica (θ) A umidade volumétrica (θ, m 3 m -3 ) é a relação entre o volume de água nu amotra do olo, e o volume total da amotra: θ = V a (8) V Deduz-e facilmente que a relação entre a umidade volumétrica θ e a gravimétrica U é dada pela equação θ = U. (9 * ) Poroidade (α) Entende-e como poroidade de u amotra de olo (α, m 3 m -3 ) a fração do eu volume ocupada por água e ar: V + V V a ar p α = = (10) V V a * A dedução da equaçõe rcada com * encontra-e no final dete documento.

4 Conhecendo-e a denidade do olo e a denidade do ólido, pode-e calcular α atravé da equação α = 1 (11 * ) Poroidade livre de água ou Poroidade de aeração (β) A poroidade livre de água, também chada de poroidade de aeração (β, m 3 m -3 ) é a fração do volume de u amotra ocupada por ar: β = V ar V (12) Na prática, determina-e θ atravé da equação 8 e α atravé da equação 11, determinando β por diferença: β = α θ (13 * ) Demontração da dedução da equaçõe rcada com * equação 3: equação 9: U m a m m m Va a = = = 1 θ = = =. = U. m m m V m m equação 11: equação 13: V V V α = = V V a a V m V V + V V V ar ar a a p Va = 1 = 1 = 1 β = = = = α θ V m V V V V V p

5 Comportamento fíico (propriedade fíica do olo) A propriedade fíica do olo dizem repeito ao eu comportamento frente a fatore externo, tai como a água (retenção, condutividade hidráulica, infiltração), o ar (condutividade gaoa), o calor (condutividade térmica, capacidade térmica), a luz (cor), preão exercida por máquina (compactibilidade), etc. Acenão capilar e retenção da água no olo Devido a força de atração entre a molécula de água e ólido ocorrem o fenômeno de acenão capilar e retenção de água no olo. Quanto menor o raio do poro, ior a acenão capilar e i forte a retenção de água no poro. A acenão capilar (h, m) é, como pode er deduzido teoricamente, dada pela equação de Laplace, que, na ua for implificada, e ecreve como: h = 2. σ.coα. gr. (14) onde σ (N m -1 ) é a tenão uperficial do líquido, α (rad) é o ângulo de contato entre líquido e ólido, (kg m -3 ) é a denidade do líquido, g (m -2 ) é a aceleração da gravidade e r (m) é o raio do poro. No cao de água em capilare de vidro à temperatura de aproxidamente 298 K podemo uar σ = 0,072 N m -1, α = 0 rad, = 1000 kg m -3 e g = 9,81 m -2, e a equação 14 e torna h = r (15) A equação 15 é u equação hiperbólica que pode er repreentada, graficamente, por u reta em ecala log-log, conforme a figura 1 a eguir. 1E+06 1E+05 1E+04 microporo croporo acenão capilar (m) 1E+03 1E+02 1E+01 1E+00 1E-01 1E-02 1E-03 1E-10 1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 microporo raio do poro (m ) croporo Figura 1 - Relação entre o raio do poro de vidro e a acenão capilar de água na uperfície terretre à temperatura de 298 K. Claificação de poro em função da retenção de água O poro de um olo podem er ubdividido em diferente clae quanto à retenção de água e função na ditribuição e arzenagem de água. A claificação i groeira que exite é aquela que ditingue apena entre croporo e microporo. Neta claificação, croporo

6 ão aquele poro que, em condiçõe nori de campo, não contêm água e que ervem para a aeração do perfil de olo e para a ditribuição rápida de água. Microporo ervem para arzenar água no olo e contêm água freqüentemente, endo que o iore podem, em função da ecagem do olo, perder ea água. Como limite entre micro- e croporo etabeleceu-e o tanho de poro equivalente a u acenão capilar de 0,6 m que, como verifica-e na equação 15, equivale a um raio de poro de aproxidamente 25 µm. Determinam-e a croporoidade (α, m 3 m -3 ) e a microporoidade (α mi, m 3 m -3 ) em u amotra indeforda de olo, ubmetendo-a a u ucção de 0,6 mca. Apó etabelecido o equilíbrio, a umidade dea amotra (θ 0,6, m 3 m -3 ) torna-e igual à ua microporoidade: α mi = θ 06, (16) Como α = α + α mi α = α α (17) mi conhecendo-e o valor de α (atravé da equação 11, por exemplo) e de α mi, calcula-e α pela equação 17. U claificação i completa do tanho do poro, que pode er vita na tabela 1, ditingue entre cro-, meo-, micro- e criptoporo. Tabela 1 - Caracterítica de diferente clae de poro tipo de poro acenão (m) raio (µm) função croporo < 0,6 > 25 aeração e ditribuição rápida de água meoporo 0,6-10 1,5-25 arzenagem de água facilmente diponível à planta e aeração microporo ,1-1,5 arzenagem de água dificilmente diponível à planta criptoporo > 150 < 0,1 arzenagem de água não diponível à planta