Ośrodki porowate

1. Ośrodki porowate Kurt Roth, Soil Physics (lecture notes), Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg, 2005. http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students MIKROPORY Wznios kapilarny w makroporach o rozmiarze 0.1 mmwynosi ok. 0.3 m (30 cm!). Jeżeli więc poziom wody gruntowejjest niżej niż 30 cm, to makropory są wypełnione powietrzem. Prócz makroporów widać też hierarchię porów o całej skalirozmiarów aż do granic rozdzielczości, czyli kilka mikrometrów. Te mezo- i mikropory są obecne zarówno w agregatach(jasnobrązowych) jak w ciemniejszym materiale pomiedzyagregatami. Ten wielki zakres rozmiarów gwarantuje, że w glebie zatrzymanajest część wody nawet gdy zwierciadło jest dużo poniżej i nawetw dość suchych warunkach. 1 mm Próbka gleby gliniastej w powiększeniu. Widać wyraźnie makropory o rozmiarze ok. 0.1 mm, agregaty gleby (jasnobrązowe) o wymiarach ok. 0.3 mm oraz układ mezo- i mikroporów. Wstęp do Fizyki Środowiska

2. Napięcie powierzchniowe Wstęp do Fizyki Środowiska

3. Napięcie powierzchniowe http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm Igła pływająca po wodzie Błona mydlana na ramce w kształcie okręgu Odrobina mydła. Łódka płynie prosto lub skręca POMIARY http://www.funsci.com/texts/index_en.htm – ciekawa strona poświęcona nauce dla amatorów Wstęp do Fizyki Środowiska

4. Zjawiska kontaktowe Siły działające na cząsteczkę cieczy na granicy dwóch ośrodków Czerwona strzałka pokazuje wypadkową siłę, jaką ciecz przyciągałabymolekułę, gdybyśmy chcieli tę molekułę oderwać od powierzchni. Ta wypadkowa siła jest przyczyną NAPIECIA POWIERZCHNIOWEGO(surface tension) gaz ciecz Siła normalna powoduje, że przemieszczenie molekuły z powierzchni do wnętrza zmniejsz energię całkowitą. Wobec tego zmniejszeniepowierzchni obniża powierzchnię fazy. Ma to taki efekt, jakby na powierzchni działały siły styczne (jakby była z gumy). gaz ciecz ciało stałe Rozwiązanie istnieje tylko wtedy, gdy Jeśli nie, to ciecz rozpływa się wjednoatomową warstwę (zwilża), albotworzy kulkę (nie zwilża) W punkcie kontaktu trzech faz mamy trzy siły styczne. Powierzchnie kontaktu utworzą taki kąt, by siły te były w równowadze Wstęp do Fizyki Środowiska

5. Zjawiska kontaktowe gaz ciecz ciecz Napięcia powierzchniowe muszą spełniać regułętrójkąta. W przeciwnym razie ciecz 2 rozlewasię w warstwę monocząsteczkową lub tworzy kulkę Wstęp do Fizyki Środowiska

6. Surfaktanty Wstęp do Fizyki Środowiska

7. Różnica ciśnień Napięcie powierzchniowe powoduje, że ciśnienie po dwóch stronach powierzchni rozdzielającej ośrodki jest różne.Główne promienie krzywizny oznaczamy i . Jak widać na rysunku krzywizna powoduje, że styczne siły napięciapowierzchniowego sumują się dając siłę normalną. Powoduje ona różnicę ciśnień po obu stronach powierzchni Równanie Younga-Laplace’a W spoczynku ciśnienie musi być jednorodne więc średnia krzywizna także musi być jednorodna i mamy: dla sfery o promieniu . W stanie równowagi powierzchnia rozdziału jest więc powierzchnia minimalną o stałej krzywiźnie średniej Wstęp do Fizyki Środowiska

8. Powierzchnie minimalne Bąbel w środku Obszar dwuspójny Dwie stykające się ścięte piramidy Punkt styku w środku ostrosłupa „Rurka” (po przerwaniu pow. styku) Dwa stykające się ścięte stożki Helisa http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm Wstęp do Fizyki Środowiska

9. Piana Wstęp do Fizyki Środowiska

10. Przepływ dwuwymiarowy Stan ustalony Po lekkim dmuchnięciu Po silniejszym dmuchnięciu Wstęp do Fizyki Środowiska

11. Wznoszenie kapilarne Wstęp do Fizyki Środowiska

12. Wznoszenie kapilarne Wznoszenie kapilarne płynu 2 w okrągłej rurce o promieniu R. Zakładamy, że molekuły płynu 2 są przyciągane znacznie silniej przezciało stałe 1 niż przez płyn 3, a więc płyn 2 całkowicie zwilża ciało stałe 1. Pomijając grubość filmu promień powierzchni rozdziału Jest ujemny, bo jest skierowany na zewnątrz płynu 2. Powiekszenie pokazuje wypadkową siłę działającą na cząsteczkę płynu 2 (czerwona) z podziałem na składniki: 1) Siła z jaką działa płyn 2 (niebieska) 2) Siła z jaką działa ścianka (czarna) 3) Siła z jaką działa płyn 3 (żółta). Wykres zrobiony wzdłuż przekroju zaznaczonego linią przerywaną Dla niezupełnego zwilżania mamy: Na wysokości górnego przekroju mamy nast. równowagę sił: Zjawiska kapilarne są istotne, gdy , czyli Na dolnym przekroju Kapilarna skala długości Otrzymujemy: Wstęp do Fizyki Środowiska

13. Przestrzenna struktura makroporów w glebie Rekonstrukcja przestrzennej struktury makroporów Próbka gleby została ustabilizowana przez impregnację, pokrojonana 120 plasterków (co 0.1mm), które zostały sfotografowane. Obrazy zostały zeskanowane i przetworzone cyfrowo z rozdzielczością 0.12 mm. Na tej podstawie, w każdym plasterkuzidentyfikowano położenie makroporów. Następnie ze 120 plasterkówodtworzono przestrzenną strukturę makroporów (z lewej). Widoczne są poziome i pionowe długie korytarze wytworzone przezróżnego rozmiaru robaki, a także najdrobniejsze pory wytworzoneprzez najmniejsze korzenie roślin. Cousin et al., 1996 Wstęp do Fizyki Środowiska

14. Zadania Zadanie 1 Rozważ okrągłą kapilarę o promieniu R, długości L i jednym końcu zamkniętym.Jaka będzie wysokość wznoszenia kapilarnego, jeśli materiał kapilary jest doskonalezwilżany przez wodę, a powietrze możemy uznać za gaz doskonały. Czy wysokość wznoszenia zależy od temperatury? Wskazówka: Przeczytaj rozdział 2.4.4 z podręcznika na stronie http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students/lecture_notes05/lecture_notes05/sp-v10-ch2.pdf Zadanie 2 Rozważ dwa ziarna piasku (unieruchomione) pokryte filmem wodnym i połączone kolumną wody (jak na rysunku).Czy kształt powierzchni rozdziału między wodą i powietrzem jest zgodny z równaniemYounga-Laplace’a ? Jakie siły działają na ziarno piasku ? Jaki ruch będzie ono wykonywaćgdy zostanie uwolnione? Zadanie 3 Na plaży w pewnej odległości od morza jest pas piasku, który jest twardy i można po nim chodzić nie zapadając się.Zarówno bliżej wody, jak i dalej od wody piasek jest grząski. Wyjaśnij to zjawisko. Wstęp do Fizyki Środowiska