Contenido de agua

Contenido del agua o contenido de humedad es la cantidad de agua contenida en un material, como el suelo (llamado humedad del suelo), roca, cerámica, cultivos o madera. El contenido de agua se utiliza en una amplia gama de áreas científicas y técnicas, y se expresa como una relación, que puede variar de 0 (completamente seco) al valor de la porosidad de los materiales a la saturación. Se puede administrar sobre una base volumétrica o masiva (gravimétrica).

Definiciones

Contenido volumétrico de agua, θ, se define matemáticamente como:

${\displaystyle \theta ={\frac {V_{w} {V_{wet}}} {\f}} {\f}} {\f}}} {\f}}}} {\f}}}} {\f}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\$

Donde ${\displaystyle V_{w}$ es el volumen del agua y ${\displaystyle V.$ es igual al volumen total del material mojado, es decir, de la suma del volumen del material host sólido (por ejemplo, partículas de suelo, tejido vegetal) ${\displaystyle V_{s}$, de agua ${\displaystyle V_{w}$, y del aire ${\displaystyle V_{a}$.

Contenido de agua gravimétrico se expresa en masa (peso) de la siguiente manera:

${\displaystyle u={\frac {m_{w} {m_{s}}} {m_{s}}} {m_{s}} {m_}}} {m_{s}}}} {m_}} {\c}} {\cH}}} {\cH}}}} {\c}}}} {\c}}}}}}}}}}}}}}}}} {\c}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m} {m}}}} {m} {\c}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\c}}}}}}} {m}}}}}}}}}} {m}} {\c}}}} {\c}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {$

Donde ${\displaystyle ¿Qué?$ es la masa de agua y ${\displaystyle m_{s}$ es la masa de los sólidos.

Para materiales que cambian de volumen con contenido de agua, como carbón, el contenido de agua gravimétrica, u, se expresa en términos de la masa de agua por unidad de masa del espécimen húmedo (antes del secado):

${\displaystyle u={\frac {m_{w} {m_{wet}}$

Sin embargo, la carpintería, la geotecnia y las ciencias del suelo requieren que el contenido de humedad gravimétrica se exprese con respecto al peso seco de la muestra:

${\displaystyle u'={\frac {m_{w} {m_{dry}}} {m_{dry}} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}}}}} {\f}}}}} {\f}}}} {\f}}}}} {\f}}} {\f}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m} {m} {\m} {\f} {\f} {\f} {\f}} {\f} {\f}}}} {\f} {\f}}}}} {\f}}}}} {\f}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

Y en la ciencia alimentaria, ambos ${\displaystyle u}$ y ${\displaystyle u'}$ se utilizan y se llaman respectivamente base húmeda de contenido de humedad (MC_wb) y contenido de humedad base seca (MC_db).

Los valores se expresan a menudo como porcentaje, es decir. u× 100%.

Para convertir el contenido de agua gravimétrica al contenido de agua volumétrica, multiplifique el contenido de agua gravimétrica por la gravedad específica de vracs ${\displaystyle SG$ del material:

${\displaystyle \theta =u\times SG}$.

Cantidades derivadas

En la mecánica del suelo y la ingeniería del petróleo saturación de agua o grado de saturación, ${\displaystyle S_{w}$, se define como

${\displaystyle S_{w}={\frac {\fnK} {\fnK}} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}} {V_{w}{V\phi} }={\frac {\theta } {\phi }}$

Donde ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$ es la porosidad, en términos del volumen de espacio vacío o poro ${\displaystyle V_{v}$ y el volumen total de la sustancia ${\displaystyle V}$. Valores de S_w puede variar de 0 (dry) a 1 (saturado). En realidad, S_w nunca alcanza 0 o 1 - estas son idealizaciones para el uso de ingeniería.

El Contenido normalizado del agua, ${\displaystyle \Theta }$, (también llamado saturación efectiva o ${\displaystyle S_{e}$) es un valor sin dimensiones definido por van Genuchten como:

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta - 'theta ¿Qué? ¿Qué? ♪♪$

Donde ${\displaystyle \theta }$ es el contenido volumétrico del agua; ${\displaystyle \theta _{r}$ es el contenido residual del agua, definido como el contenido del agua para el cual el gradiente ${\displaystyle d\theta /dh}$ se convierte en cero; y ${\displaystyle \theta _{s}}$ es el contenido saturado del agua, que es equivalente a la porosidad, ${\displaystyle \phi }$.

Medición

Métodos directos

El contenido de agua se puede medir directamente usando un horno de secado.

Contenido de agua gravimétrica, u, se calcula a través de la masa de agua ${\displaystyle ¿Qué?$:

${\displaystyle m_{w}=m_{wet}-m_{dry}}$

Donde ${\displaystyle m_{\text{wet}}$ y ${\displaystyle m_{\text{dry}}$ son las masas de la muestra antes y después de secar en el horno. Esto da el numerador de u; el denominador es ${\displaystyle m_{\text{wet}}$ o ${\displaystyle m_{\text{dry}}$ (resultando en u ' o u, respectivamente), dependiendo de la disciplina.

Por otro lado, el contenido volumétrico del agua, Silencio, se calcula a través del volumen de agua ${\displaystyle V_{w}$:

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}{\rho ♪♪$

Donde ${\displaystyle \rho _{w}$ es la densidad del agua. Esto da el numerador de Silencio; el denominador, ${\displaystyle V_{\text{wet}}$, es el volumen total del material húmedo, que se fija simplemente llenando un contenedor de volumen conocido (por ejemplo, una lata de lata) al tomar una muestra.

Para la madera, la convención es informar el contenido de humedad en base al secado en horno (es decir, generalmente secar la muestra en un horno a 105 grados Celsius durante 24 horas o hasta que deje de perder peso). En el secado de madera, este es un concepto importante.

Métodos de laboratorio

Otros métodos que determinan el contenido de agua de una muestra incluyen valoraciones químicas (por ejemplo, la valoración de Karl Fischer), determinación de la pérdida de masa por calentamiento (quizás en presencia de un gas inerte) o después de la liofilización. En la industria alimentaria también se utiliza habitualmente el método Dean-Stark.

Del Libro Anual de Normas ASTM (Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales), el contenido de humedad total evaporable en el Agregado (C 566) se puede calcular con la fórmula:

${\displaystyle p={\frac {W-D} {W}}$

Donde ${\displaystyle p}$ es la fracción del contenido total de humedad evaporable de la muestra, ${\displaystyle W.$ es la masa de la muestra original, y ${\displaystyle D}$ es masa de muestra seca.

Medición de la humedad del suelo

Además de los métodos directos y de laboratorio anteriores, se dispone de las siguientes opciones.

Métodos geofísicos

Hay varios métodos geofísicos disponibles que pueden aproximarse in situ contenido de agua de suelo. Estos métodos incluyen: reflectometría de dominio del tiempo (TDR), sonda de neutrones, sensor de dominio de frecuencia, sonda de capacitancia, reflectometría de dominio de amplitud, tomografía de resistividad eléctrica, radar penetrante terrestre (GPR), y otros que son sensibles a las propiedades físicas del agua. Los sensores geofísicos se utilizan a menudo para vigilar la humedad del suelo continuamente en aplicaciones agrícolas y científicas.

Método de teledetección por satélite

La teledetección por microondas por satélite se utiliza para estimar la humedad del suelo basándose en el gran contraste entre las propiedades dieléctricas del suelo húmedo y seco. La radiación de microondas no es sensible a las variables atmosféricas y puede atravesar las nubes. Además, la señal de microondas puede penetrar, hasta cierto punto, la cubierta vegetal y recuperar información de la superficie del suelo. Los datos de satélites de teledetección por microondas como WindSat, AMSR-E, RADARSAT, ERS-1-2, Metop/ASCAT y SMAP se utilizan para estimar la humedad superficial del suelo.

Medición de humedad de la madera

Existen dos métodos primarios para medir el contenido de humedad de la madera: pruebas de horno y uso de un medidor de humedad electrónico.

Método de secado al horno

El método de secado en horno requiere secar una muestra de madera en un horno especial y verificar el peso de la muestra a intervalos de tiempo regulares. Cuando se completa el proceso de secado, el peso de la muestra se compara con su peso antes del secado y la diferencia se utiliza para calcular el contenido de humedad original de la madera.

Método del medidor de humedad

Los medidores con y sin clavija son los dos tipos principales de medidores de humedad.

Los medidores de clavijas requieren clavar dos clavijas en la superficie de la madera y al mismo tiempo asegurarse de que las clavijas estén alineadas con la veta y no perpendiculares a ella. Los medidores de clavijas proporcionan lecturas del contenido de humedad midiendo la resistencia en la corriente eléctrica entre las dos clavijas. Cuanto más seca esté la madera, mayor será la resistencia a la corriente eléctrica, cuando se mida por debajo del punto de saturación de las fibras de la madera. Generalmente se prefieren los medidores de clavijas cuando no hay una superficie plana de la madera disponible para medir.

Los medidores sin clavija emiten una señal electromagnética en la madera para proporcionar lecturas del contenido de humedad de la madera y generalmente se prefieren cuando el daño a la superficie de la madera es inaceptable o cuando se requiere un gran volumen de lecturas o una mayor facilidad de uso. .

Clasificación y usos

La humedad puede estar presente como humedad adsorbida en las superficies internas y como agua condensada capilar en los poros pequeños. A humedades relativas bajas, la humedad se compone principalmente de agua adsorbida. A humedades relativas más altas, el agua líquida adquiere cada vez más importancia, dependiendo o no del tamaño de los poros también puede influir el volumen. Sin embargo, en los materiales a base de madera, casi toda el agua se absorbe a humedades inferiores al 98% de humedad relativa.

En aplicaciones biológicas también puede haber una distinción entre agua fisisorcionada y agua "libre" agua: el agua fisisorbida está estrechamente asociada con un material biológico y es relativamente difícil de eliminar de él. El método utilizado para determinar el contenido de agua puede afectar si se contabiliza el agua presente en esta forma. Para una mejor indicación de las tarifas "gratuitas" y "atado" agua, se debe considerar la actividad del agua de un material.

Las moléculas de agua también pueden estar presentes en materiales estrechamente asociados con moléculas individuales, como "agua de cristalización", o como moléculas de agua que son componentes estáticos de la estructura de las proteínas.

Ciencias de la tierra y la agricultura

En la ciencia del suelo, la hidrología y las ciencias agrícolas, el contenido de agua tiene un papel importante para la recarga de las aguas subterráneas, la agricultura y la química del suelo. Muchos esfuerzos de investigación científica recientes han tenido como objetivo una comprensión predictiva del contenido de agua en el espacio y el tiempo. Las observaciones han revelado en general que la variación espacial en el contenido de agua tiende a aumentar a medida que aumenta la humedad general en las regiones semiáridas, a disminuir a medida que aumenta la humedad general en las regiones húmedas y a alcanzar un máximo en condiciones de humedad intermedias en las regiones templadas.

Hay cuatro contenidos de agua estándar que se miden y utilizan de forma rutinaria, que se describen en la siguiente tabla:

Y por último el contenido de agua disponible, θ_a, que equivale a:

Silencio_a ↑_fc − θ_pwp

que puede oscilar entre 0,1 en grava y 0,3 en turba.

Agricultura

Cuando un suelo se seca demasiado, la transpiración de las plantas disminuye porque el agua está cada vez más unida a las partículas del suelo por succión. Por debajo del punto de marchitez las plantas ya no pueden extraer agua. En este punto se marchitan y dejan de transpirar por completo. Las condiciones en las que el suelo está demasiado seco para mantener un crecimiento confiable de las plantas se conocen como sequía agrícola y son un enfoque particular en el manejo del riego. Estas condiciones son comunes en ambientes áridos y semiáridos.

Algunos profesionales de la agricultura están comenzando a utilizar mediciones ambientales, como la humedad del suelo, para programar el riego. Este método se conoce como riego inteligente o cultivo del suelo.

Agua subterránea

En los acuíferos de agua subterránea saturada, todos los espacios porosos disponibles están llenos de agua (contenido volumétrico de agua = porosidad). Por encima de una franja capilar, los espacios porosos también contienen aire.

La mayoría de los suelos tienen un contenido de agua menor que la porosidad, que es la definición de condiciones insaturadas, y constituyen el tema de la hidrogeología de la zona vadosa. La franja capilar del nivel freático es la línea divisoria entre condiciones saturadas e insaturadas. El contenido de agua en la franja capilar disminuye al aumentar la distancia sobre la superficie freática. El flujo de agua a través de una zona no saturada en los suelos a menudo implica un proceso de digitación, resultante de la inestabilidad de Saffman-Taylor. Esto se debe principalmente a procesos de drenaje y produce una interfaz inestable entre regiones saturadas y no saturadas.

Una de las principales complicaciones que surge al estudiar la zona vadosa, es el hecho de que la conductividad hidráulica insaturada es función del contenido de agua del material. A medida que un material se seca, los caminos húmedos conectados a través del medio se vuelven más pequeños y la conductividad hidráulica disminuye con un menor contenido de agua de una manera muy no lineal.

Una curva de retención de agua es la relación entre el contenido volumétrico de agua y el potencial hídrico del medio poroso. Es característico de diferentes tipos de medios porosos. Debido a la histéresis se pueden distinguir diferentes curvas de humectación y secado.

En agregados

Generalmente, un agregado tiene cuatro condiciones de humedad diferentes. Son secado al horno (OD), secado al aire (AD), secado con superficie saturada (SSD) y húmedo (o mojado). El secado en horno y el secado de superficie saturada se pueden lograr mediante experimentos en laboratorios, mientras que el secado al aire y la humedad (o mojado) son agregados que se pueden lograr. Condiciones comunes en la naturaleza.

Cuatro condiciones

• Oven-dry (OD) se define como la condición de un agregado donde no hay humedad dentro de cualquier parte del agregado. Esta condición se puede lograr en un laboratorio calentando el agregado a 220 °F (105 °C) por un período de tiempo.
• Aire seco (AD) se define como la condición de un agregado en el que hay algo de agua o humedad en los poros del agregado, mientras que las superficies exteriores de él es seca. Esta es una condición natural de los agregados en verano o en regiones secas. En esta condición, un agregado absorberá el agua de otros materiales añadidos a la superficie de la misma, que posiblemente tendría algún impacto en algunos caracteres del agregado.
• Seca superficial saturada (SSD) se define como la condición de un agregado en el que las superficies de las partículas son "dry" (i.e., no absorberán ninguna de las aguas mezcladoras agregadas; ni aportarán ninguna de sus aguas contenidas a la mezcla), pero los vacíos entre partículas se saturan con agua. En esta condición los agregados no afectarán el contenido de agua libre de un material compuesto.

La adsorción de agua en masa (A_m) se define en términos de la masa de la muestra saturada y seca en la superficie (M_ssd) y la masa de la muestra secada en horno. muestra de prueba (M_seca) por la fórmula:

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{dry} {M_{dry}}$

• Damp (o mojado) se define como la condición de un agregado en el que el agua está totalmente impregnada del agregado a través de los poros en él, y hay agua libre en exceso de la condición SSD en sus superficies que se convertirán en parte del agua mezcladora.

Aplicación

Entre estas cuatro condiciones de humedad de los agregados, la superficie saturada seca es la condición que tiene las mayores aplicaciones en experimentos de laboratorio, investigaciones y estudios, especialmente estos relacionados con la absorción de agua, proporción de composición o prueba de contracción en materiales como hormigón. Para muchos experimentos relacionados, una condición seca superficial saturada es una premisa que debe ser realizada antes del experimento. En la condición seca superficial saturada, el contenido de agua del agregado se encuentra en una situación relativamente estable y estática donde no se vería afectada por su entorno. Por lo tanto, en experimentos y pruebas donde los agregados están en condiciones superficiales saturadas, habría menos factores de perturbación que en otras tres condiciones.