土壤比熱容是多少?
土壤的容積熱容量指單位體積的土體溫度改變1℃(升高或降低)所需要的熱量,單位為kJ/)℃),是表示土體蓄熱能力的參數。
土壤的容積熱容量可按下式計算:
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中,Cu、Cf分別為融土和凍土的容積熱容量;Cdu、Cdf分別為融土和凍土的比熱;ρu、ρf分別為融土和凍土的天然容重(濕容重),kg/cm3。
單位質量的土體溫度改變1℃(升高或降低)所需的(吸收或放出)熱量稱做比熱,單位為kJ/(kg·℃)。
土壤是由礦物骨架、有機質溶液和氣體組成的多相細碎介質,凍土與融土的主要區別在于其中含有冰。實驗表明,土壤的比熱具有各物質成分和質量加權平均的性質(土中氣相充填物的含量及比熱均很小,可忽略不計),即:
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中,Csu、Csf、Cw、Ci分別為融土骨架、凍土骨架、水、冰的比熱。
按常規,Cw=4.182 kJ/(kg·℃),θ可進行現場測定,θu為凍土中的未凍水含量。
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中,θp為塑限含水率;K為溫度修正系數,以小數計;i為結冰率(冰重與總水重之比),以小數計;t為溫度,℃。
不同溫度下的修正系數K和結冰率i從表1-3中選取。
土壤骨架比熱可用量熱法測定,表1-4給出了試樣溫度分別為+40~+60℃和-15~25℃時測定的結果,從表1-4可見,土壤骨架比熱主要取決于礦物成分和有機質含量,并與溫度有關,同類土壤的測定值略有不同,主要是由于礦物質成分的差異所造成的。有機質的比熱大于礦物質的比熱,顯然是溫度差異的影響,由測定的試樣溫度可見,融土和凍土的平均溫度差達 70℃左右,而測定值的差只有0.04~0.21 kJ/(kg·℃)所以溫度影響是比較小的。為了簡便起見,在一般的熱工計算中,可按表1-5和表1-6取值。
表1-3 不同溫度下的修正系數和結冰率值
表1-4 典型融凍土壤骨架比熱
表1-5 某些礦物和巖石的平均比熱
表1-6 典型土壤骨架比熱取值表
液態水變成固態水,其體積要增大9%,因此總含水率相同時,凍土的天然容重要比融土小一些,為了計算簡便,取同一數值(ρu=ρf=ρ)
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
所以容積熱容量可直接用下式計算:
水分在季節性非飽和凍融土壤中的運動
式中,ρd為土壤的干容重(kg/m3)。
式(1.20)揭示了土壤的容積熱容量與其物理指標干容重、總含水率和未凍水含量的內在聯系,融土的容積熱容量隨干容重和總含水率的增加呈直線增大。凍土的容積熱容量隨干容重的增大也呈直線增大。因土中含有未凍水,所以其與總含水率呈折線增大關系。當θ<θu時,土中水處于未凍狀態,凍土容積熱容量隨含水率增大呈與融土具有相同斜率的直線關系。θ>θu時,凍土容積熱容量隨含水率增大的斜率變緩,干容重和總含水率相同時,融土的容積熱容量比凍土要大。顯然,這是由于融土骨架比熱大于凍土的骨架比熱及水的比熱比冰的比熱大一倍之故。
綜上所述,土壤的比熱容與土壤干容重、有機質含量、礦物成分、含水率等因素有關,通常認為土壤固相物質的組成相對穩定,空氣的影響可以忽略。因此,土壤比熱容主要隨含水率大小而變化。土壤含水率越大,比熱容量就越大,土壤增溫和冷卻也就愈緩慢,晝夜溫差較小;反之,土壤愈干燥,比熱容愈小,土壤溫度變化愈大
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