GĘSTOŚĆ POZORNA: WZÓR, JEDNOSTKI I ROZWIĄZANE ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Gęstość pozorną próbki określa się jako stosunek pomiędzy jego masy i objętości niezmienionym, który obejmuje wszystkie przestrzenie lub pory, które zawiera. Jeśli w tych przestrzeniach jest powietrze, pozorna gęstość ρ _b lub gęstość nasypowa wynosi:

ρ _b = masa / objętość = masa _cząstek + masa _powietrza / objętość _cząstek + objętość _powietrza

Rysunek 1. Gęstość nasypowa jest bardzo ważna przy charakteryzowaniu gleb. Źródło: Wikimedia Commons.

Obliczając gęstość nasypową próbki gleby, należy ją wstępnie wysuszyć w piecu w temperaturze 105 ° C do uzyskania stałej masy, co oznacza, że ​​całe powietrze wyparowało.

Zgodnie z tą definicją pozorną gęstość gleb lub gęstość suchą oblicza się w następujący sposób:

ρ _s = Waga elementów stałych / Objętość _{ciała stałego} + Objętość _porów

Oznaczając jako M _s suchą masę lub masę, a V _t = V _s + V _p jako objętość całkowitą, wzór jest następujący:

ρ _s = M _s / V _t

Jednostki

Jednostki gęstości nasypowej w Międzynarodowym Układzie Jednostek to kg / m ³ . Jednak inne jednostki, takie jak g / cm ³ i megagramy / metr sześcienny: Mg / m ^{3 są} również szeroko stosowane.

Pojęcie gęstości pozornej jest bardzo przydatne w przypadku niejednorodnych i porowatych materiałów, takich jak gleby, ponieważ wskazuje między innymi na ich zdolność drenażową i napowietrzającą.

Na przykład gleby słabo porowate mają dużą gęstość nasypową, są zwarte i mają tendencję do łatwego podlewania, w przeciwieństwie do gleb porowatych.

Gdy w porach próbki znajduje się woda lub inny płyn, objętość po wyschnięciu maleje, dlatego w momencie wykonywania obliczeń konieczna jest znajomość pierwotnej proporcji wody (patrz rozwiązany przykład).

Gęstość nasypowa gleby

Gęstość pozorna materiałów w ogóle, w tym gleby, jest bardzo zmienna, ponieważ istnieją czynniki, takie jak stopień zagęszczenia, obecność materii organicznej, jej tekstura, struktura, głębokość i inne, które wpływają na kształt i kształt. ilość porów.

Gleby definiuje się jako niejednorodną mieszaninę substancji nieorganicznych, organicznych, powietrza i wody. W dotyku mogą mieć delikatną, średnią lub gruboziarnistą teksturę, podczas gdy cząstki składowe mogą być rozmieszczone na różne sposoby, parametr znany jako struktura.

Gleby o dobrej strukturze i dużej zawartości materii organicznej mają zwykle niskie wartości gęstości pozornej. Wręcz przeciwnie, gleby gęste, z mniejszą ilością materii organicznej i słabą strukturą, mają zwykle wyższe wartości.

Gęstość pozorna w zależności od tekstury

Zgodnie z jego teksturą pozorna gęstość ma następujące wartości:

Tekstura	Gęstość pozorna (g / cm 3 )
W porządku	1,00 - 1,30
Mediana	1,30 - 1,50
obrzydliwy	1,50 - 1,70

Wartości te służą jako ogólne odniesienie. Na glebach torfowych, obfitujących w pozostałości roślinne, pozorna gęstość może sięgać nawet 0,25 g / cm ³ , w przypadku gleby mineralnej wulkanicznej ok. 0,85 g / cm ³ , natomiast na glebach bardzo zagęszczonych 1,90 g / cm3. cm ³ .

Gęstość pozorna w zależności od głębokości

Wartość pozornej gęstości również rośnie wraz z głębokością, ponieważ gleba jest na ogół bardziej zagęszczona i ma mniejszy procent materii organicznej.

Wnętrze terenu składa się z poziomych warstw lub warstw, zwanych horyzontami. Horyzonty mają różne tekstury, kompozycję i zagęszczenie. Dlatego przedstawiają zróżnicowanie pod względem gęstości pozornej.

Rysunek 2. Profil glebowy przedstawiający różne poziomy. Źródło: Wikimedia Commons.

Badanie gleby opiera się na jej profilu, na który składają się różne poziomy, które następują po sobie w uporządkowany, pionowy sposób.

Jak zmierzyć gęstość pozorną?

Ponieważ zmienność gęstości nasypowej jest bardzo duża, często trzeba ją mierzyć bezpośrednio za pomocą różnych procedur.

Najprostszą metodą jest pobranie próbki z gleby, włożenie do niej kawałka z kosmicznym metalowym cylindrem o znanej objętości i upewnienie się, że nie ubija się gleby. Pobrana próbka jest zapieczętowana, aby uniknąć utraty wilgoci lub zmiany właściwości.

Następnie w laboratorium próbka jest ekstrahowana, ważona i umieszczana w piecu o temperaturze 105 ° C do wyschnięcia na 24 godziny.

Chociaż jest to najprostszy sposób na określenie gęstości gleby w stanie suchym, nie jest zalecany do gleb o bardzo luźnej teksturze lub pełnych kamieni.

W tym przypadku preferowana jest metoda kopania dziury i ratowania wydobytej ziemi, która będzie próbką do wyschnięcia. Objętość próbki określa się przez wsypanie suchego piasku lub wody do wykopanego otworu.

W każdym razie na podstawie próbki można określić bardzo ciekawe właściwości gleby w celu jej scharakteryzowania. Poniższe rozwiązane ćwiczenie opisuje, jak to zrobić.

Ćwiczenie rozwiązane

Z cylindra z próbką, którego wewnętrzna średnica również wynosi 100 mm, pobiera się próbkę gliny o długości 100 mm. Po zważeniu otrzymano masę 1531 g, którą po wysuszeniu zredukowano do 1178 g. Ciężar właściwy cząstek wynosi 2,75. Należy obliczyć:

a) Gęstość nasypowa próbki

b) Zawartość wilgoci

c) Współczynnik nieważności

d) Gęstość w stanie suchym

e) Stopień nasycenia

f) Zawartość powietrza

Rozwiązanie

Niezmieniona objętość _Vt jest pierwotną objętością próbki. W przypadku cylindra o średnicy D i wysokości h objętość wynosi:

V _cylindra = V _t = powierzchnia podstawy x wysokość = πD ² /4 = π x (100 x 10 ^-3 m), ² x 100 x 10 ^-3 m / 4 = 0,000785 m ³

W stwierdzeniu stwierdzono, że masa próbki wynosi M _s = 1531 g, a więc zgodnie z równaniem podanym na początku:

ρ _b = M _s / V _t = 1531 g / 0,000785 m ³ = 1950 319 g / m ³ = 1,95 Mg / m ³

Rozwiązanie b

Ponieważ mamy masę pierwotną i masę suchą, masa wody zawartej w próbce jest różnicą tych dwóch:

M _woda = 1531 g - 1178 g = 353 g

Zawartość procentową wilgoci w próbce oblicza się w następujący sposób:

% Wilgotności = (masa _wody / Ms) x 100% = (353 g / 1178 g) = 29,97%

Rozwiązanie c

Aby znaleźć współczynnik pustki, całkowitą objętość próbki V _t należy podzielić na:

V _t = _cząstki V + objętość _porów

Objętość zajmowaną przez cząstki uzyskuje się z suchej masy i ciężaru właściwego, dane uzyskane z wyciągu. Ciężar właściwy s _g jest ilorazem gęstości materiału i gęstości wody w warunkach normalnych, dlatego gęstość materiału wynosi:

ρ = s _g x ρ _woda = 2,75 x 1 g / cm ³ = 2,75 g / cm ³

ρ = M _s / V _s → V _s = 1,178 g / 2,75 g / cm ³ = 0,428 cm ³ = 0,000428 m ³

Objętość pustek w próbce wynosi V _v = V _t - V _s = 0,000785 m ³ - 0,000428 m ³ = 0,000357 m ³ .

Współczynnik pustki e wynosi:

e = V _v / V _s = 0,000357 m ³ / 0,000428 m ³ = 0,83

Rozwiązanie d

Gęstość próbki w stanie suchym oblicza się zgodnie ze wstępem:

ρ _s = Masa elementów stałych / Objętość _{części stałych} + Objętość _porów = 1178 g / 0,000785 m ³ = 1,5 Mg / m ³

Rozwiązanie e

Stopień nasycenia to S = (V _woda / V _v ) x 100%. Ponieważ znamy masę wody w próbce, obliczoną w punkcie b) i jej gęstość, obliczenie jej objętości jest natychmiastowe:

ρ _woda = M _woda / V _woda → V _woda = 353 g / 1 g / cm ³ = 353 cm ³ = 0,000353 m ³

Natomiast objętość pustek obliczono w punkcie c)

S = (0,000353 m ³ / 0,000357 m ³ ) x 100% = 98,9%

Rozwiązanie f

Ostatecznie procentowa zawartość powietrza wynosi A = (V _powietrze / V _t ) x 100%. Objętość powietrza odpowiada:

V _v - V _woda = 0,000357 m ³ - 0,000353 m ³ = 0,000004 m ³

A = (V _powietrze / V _t ) x 100% = (0,000004 m ³ / 0,000785 m ³ ) x 100% = 0,51%

Bibliografia

1. Berry, P. Soil Mechanics. McGraw Hill.
2. Constrummatics. Gęstość pozorna. Odzyskany z: construmatica.com.
3. NRCS. Gęstość nasypowa gleby. Odzyskany z: nrcs.usda.gov.
4. UNAM. Zakład Edafologii. Podręcznik procedur analitycznych fizyki gleby. Odzyskany z: geologia.unam.mx.
5. Wikipedia. Gęstość nasypowa. Odzyskane z: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Piętro. Odzyskane z: en.wikipedia.org.