Contenido de agua

Cantidad de agua contenida en un material

Composición del suelo por volumen y masa , por fase: aire , agua , vacíos (poros llenos de agua o aire), aceite y total .

El contenido de agua o contenido de humedad es la cantidad de agua contenida en un material, como el suelo (denominado humedad del suelo ), la roca , la cerámica , los cultivos o la 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 desde 0 (completamente seco) hasta el valor de la porosidad de los materiales en la saturación. Puede darse en base volumétrica o másica (gravimétrica).

Definiciones

El contenido volumétrico de agua , θ, se define matemáticamente como:

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

donde es el volumen de agua y es igual al volumen total del material húmedo, es decir, de la suma del volumen del material huésped sólido (por ejemplo, partículas de suelo, tejido vegetal) , de agua y de aire . ${\displaystyle V_{w}}$ ${\displaystyle V_{\text{wet}}=V_{s}+V_{w}+V_{a}}$ ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle V_{w}}$ ${\displaystyle V_{a}}$

El contenido de agua gravimétrico ^[1] se expresa en masa (peso) de la siguiente manera:

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

donde es la masa del agua y es la masa de los sólidos. ${\displaystyle m_{w}}$ ${\displaystyle m_{s}}$

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

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

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

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

Y en la ciencia de los alimentos , tanto y se utilizan y se denominan respectivamente contenido de humedad base húmeda (MC _wb ) y contenido de humedad base seca (MC _db ). ^[2] ${\displaystyle u'}$ ${\displaystyle u''}$

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

Para convertir el contenido de agua gravimétrico en contenido de agua volumétrico, multiplique el contenido de agua gravimétrico por la gravedad específica del material: ${\displaystyle SG}$

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

Cantidades derivadas

En mecánica de suelos e ingeniería petrolera la saturación de agua o grado de saturación , se define como ${\displaystyle S_{w}}$

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

donde es la porosidad , en términos del volumen del espacio vacío o poroso y el volumen total de la sustancia . ^{[ aclaración necesaria ]} Los valores de S _w pueden variar de 0 (seco) a 1 (saturado). En realidad, S _w nunca llega a 0 o 1; estas son idealizaciones para uso en ingeniería. ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$ ${\displaystyle V_{v}}$ ${\displaystyle V}$

El contenido de agua normalizado , , (también llamado saturación efectiva o ) es un valor adimensional definido por van Genuchten ^[3] como: ${\displaystyle \Theta }$ ${\displaystyle S_{e}}$

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

donde es el contenido volumétrico de agua; es el contenido de agua residual, definido como el contenido de agua para el cual el gradiente se vuelve cero; y, es el contenido de agua saturada, que es equivalente a la porosidad, . ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta _{r}}$ ${\displaystyle d\theta /dh}$ ${\displaystyle \theta _{s}}$ ${\displaystyle \phi }$

Medición

Métodos directos

El contenido de agua se puede medir directamente utilizando un horno de secado .El método de secado en horno requiere secar una muestra (de tierra, madera, etc.) en un horno especial y verificar el peso de la muestra a intervalos 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 muestra.

El contenido de agua gravimétrico, u , se calcula ^[4] a través de la masa de agua : ${\displaystyle m_{w}}$

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

donde y son las masas de la muestra antes y después del secado en el horno. Esto da como resultado u el numerador ; el denominador es o (lo que da como resultado u' o u" respectivamente), según la disciplina. ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$ ${\displaystyle m_{\text{dry}}}$ ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$ ${\displaystyle m_{\text{dry}}}$

Por otra parte, el contenido volumétrico de agua, θ , se calcula ^[5] a través del volumen de agua : ${\displaystyle V_{w}}$

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

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

En el caso de la madera , la convención es informar el contenido de humedad sobre la base del secado en horno (es decir, generalmente secando 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 titulaciones químicas (por ejemplo, la titulación de Karl Fischer ), la 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 para Pruebas y Materiales), el contenido total de humedad evaporable en agregados (C 566) se puede calcular con la fórmula:

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

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

Medición de la humedad del suelo

Además de los métodos directos y de laboratorio mencionados anteriormente, están disponibles las siguientes opciones.

Métodos geofísicos

Existen varios métodos geofísicos disponibles que pueden aproximar el contenido de agua del suelo in situ . Estos métodos incluyen: reflectometría de dominio temporal (TDR), sonda de neutrones , sensor de dominio de frecuencia , sonda de capacitancia , reflectometría de dominio de amplitud , tomografía de resistividad eléctrica , radar de penetración terrestre (GPR) y otros que son sensibles a las propiedades físicas del agua . ^[6] Los sensores geofísicos se utilizan a menudo para monitorear la humedad del suelo de forma continua 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. ^[7] Los datos de los 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. ^[8]

Medición de la humedad de la madera

Además de los métodos principales mencionados anteriormente, existe otro método para medir el contenido de humedad de la madera: un medidor de humedad electrónico . Los medidores de clavija y sin clavija son los dos tipos principales de medidores de humedad.

Los medidores de clavijas requieren introducir dos clavijas en la superficie de la madera, asegurándose 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 la fibra de la madera. Los medidores de clavijas generalmente se prefieren cuando no hay una superficie plana de la madera disponible para medir.

Los medidores sin clavijas 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 por capilaridad en los poros pequeños. A humedades relativas bajas, la humedad consiste principalmente en agua adsorbida. A humedades relativas más altas, el agua líquida se vuelve cada vez más importante, dependiendo o no del tamaño de los poros; también puede ser una influencia del volumen. En los materiales a base de madera, sin embargo, casi toda el agua se adsorbe a humedades inferiores al 98% de HR.

En las aplicaciones biológicas también se puede distinguir entre agua fisisorbida y agua "libre" (el agua fisisorbida es aquella que 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 determinar si se tiene en cuenta el agua presente en esta forma. Para obtener una mejor indicación del agua "libre" y "ligada", 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 la proteína.

Ciencias de la tierra y de 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 aguas subterráneas , la agricultura y la química del suelo . Muchos esfuerzos de investigación científica recientes han apuntado hacia 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 intermedia en las regiones templadas. ^[9]

Hay cuatro contenidos de agua estándar que se miden y utilizan rutinariamente, los cuales se describen en la siguiente tabla:

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

θ _a ≡ θ _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 se adhiere cada vez más a las partículas del suelo por succión. Por debajo del punto de marchitamiento, 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 foco particular de la gestión del riego . Estas condiciones son comunes en entornos áridos y semiáridos .

Algunos profesionales de la agricultura están empezando a utilizar mediciones ambientales como la humedad del suelo para programar el riego . Este método se conoce como riego inteligente o cultivo del suelo . ^[10]

Agua subterránea

En los acuíferos subterráneos saturados , 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 no saturadas, y constituyen el tema de la hidrogeología de la zona vadosa . La franja capilar del nivel freático es la línea divisoria entre las condiciones saturadas e insaturadas . El contenido de agua en la franja capilar disminuye a medida que aumenta la distancia por encima de 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 resulta principalmente de los procesos de drenaje y produce una interfaz inestable entre las regiones saturadas y no saturadas.

Una de las principales complicaciones que surgen al estudiar la zona vadosa es el hecho de que la conductividad hidráulica no saturada es una función del contenido de agua del material. A medida que un material se seca, las vías húmedas conectadas a través del medio se hacen más pequeñas y la conductividad hidráulica disminuye con un menor contenido de agua de una manera muy no lineal.

La curva de retención de agua es la relación entre el contenido volumétrico de agua y el potencial hídrico del medio poroso. Es característica de los distintos tipos de medios porosos. Debido a la histéresis , se pueden distinguir distintas curvas de humectación y secado.

En agregados

En general, un agregado tiene cuatro condiciones de humedad diferentes: secado al horno (OD), secado al aire (AD), secado superficial saturado (SSD) y húmedo (o mojado). ^[11] El secado al horno y el secado superficial saturado se pueden lograr mediante experimentos en laboratorios, mientras que el secado al aire y la humedad (o mojado) son condiciones comunes de los agregados en la naturaleza.

Cuatro condiciones

• El secado al horno (OD) se define como la condición de un agregado en la que no hay humedad en ninguna parte del mismo. Esta condición se puede lograr en un laboratorio calentando el agregado a 220 °F (105 °C) durante un período de tiempo. ^[11]
• El secado al aire (AD) se define como la condición de un agregado en la que hay algo de agua o humedad en los poros del agregado, mientras que las superficies externas del mismo están secas. Esta es una condición natural de los agregados en verano o en regiones secas. En esta condición, un agregado absorberá agua de otros materiales agregados a su superficie, lo que posiblemente tenga algún impacto en algunas características del agregado. ^[11]
• La superficie seca saturada (SSD) se define como la condición de un agregado en la que las superficies de las partículas están "secas" ( es decir , no absorberán nada del agua de mezcla agregada; ni aportarán nada del agua contenida a la mezcla ^[11] ), pero los espacios entre partículas están saturados con agua. En esta condición, los agregados no afectarán el contenido de agua libre de un material compuesto . ^{[12] [13]}

La adsorción de agua por 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 de prueba secada al horno (M _dry ) mediante la fórmula:

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

• Húmedo (o mojado) se define como la condición de un agregado en la cual el agua permea completamente el agregado a través de sus poros y hay agua libre en exceso de la condición SSD en sus superficies que se convertirá en parte del agua de mezcla. ^[11]

Solicitud

Entre estas cuatro condiciones de humedad de los agregados, la condición de saturación superficial seca es la condición que tiene más aplicaciones en experimentos de laboratorio, investigaciones y estudios, especialmente aquellos relacionados con la absorción de agua, la relación de composición o la prueba de contracción en materiales como el hormigón. Para muchos experimentos relacionados, una condición de saturación superficial seca es una premisa que debe tenerse en cuenta antes del experimento. En la condición de saturación superficial seca, el contenido de agua del agregado se encuentra en una situación relativamente estable y estática donde no se vería afectado por su entorno. Por lo tanto, en experimentos y pruebas donde los agregados están en condición de saturación superficial seca, habría menos factores disruptivos que en las otras tres condiciones. ^{[14] [15]}

Véase también

• Humedad , "contenido de agua" en el aire
• Humedad
• Digitación viscosa
• Análisis de humedad
• Sensores de humedad del suelo
• Actividad acuática
• Curva de retención de agua

Referencias

1. T. William Lambe y Robert V. Whitman (1969). "Capítulo 3: Descripción de un conjunto de partículas" . Mecánica de suelos (primera edición). John Wiley & Sons, Inc., pág. 553. ISBN 978-0-471-51192-2.
2. R. Paul Singh; Dennis R. Heldman (2014). "Capítulo 1: Introducción". Introducción a la ingeniería alimentaria (quinta edición). Elsevier. doi :10.1016/c2011-0-06101-x. ISBN 978-0-12-398530-9.
3. van Genuchten, M.Th. (1980). "Una ecuación de forma cerrada para predecir la conductividad hidráulica de suelos no saturados". Revista de la Sociedad Americana de Ciencias del Suelo . 44 (5): 892–898. Bibcode :1980SSASJ..44..892V. doi :10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x. hdl : 10338.dmlcz/141699 .
4. "Contenido de agua del suelo gravimétrico y volumétrico | Edaphic Scientific". 9 de mayo de 2016.
5. Dingman, SL (2002). "Capítulo 6, Agua en suelos: infiltración y redistribución". Hidrología física (segunda edición). Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice-Hall, Inc. pág. 646. ISBN 978-0-13-099695-4.
6. F. Ozcep; M. Asci; O. Tezel; T. Yas; N. Alpaslan; D. Gundogdu (2005). "Relaciones entre las propiedades eléctricas (in situ) y el contenido de agua (en el laboratorio) de algunos suelos en Turquía" (PDF) . Resúmenes de investigación geofísica . 7 .
7. Lakhankar, Tarendra; Ghedira, Hosni; Temimi, Marouane; Sengupta, Manajit; Khanbilvardi, Reza; Blake, Reginald (2009). "Métodos no paramétricos para la recuperación de la humedad del suelo a partir de datos de teledetección por satélite". Teledetección . 1 (1): 3–21. Bibcode :2009RemS....1....3L. doi : 10.3390/rs1010003 .
8. "Teledetección de la humedad del suelo". Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2007. Consultado el 22 de agosto de 2007 .
9. Lawrence, JE y GM Hornberger (2007). "Variabilidad de la humedad del suelo en distintas zonas climáticas". Geophys. Res. Lett . 34 (L20402): L20402. Código Bibliográfico :2007GeoRL..3420402L. doi : 10.1029/2007GL031382 .
10. Jesi, V. Elizabeth; Kumar, Anil; Hosen, Bappa; D, Stalin David (24 de abril de 2022). "Sistema de recomendación de irrigación y cultivo inteligente habilitado por IoT para agricultura de precisión". Transacciones ECS . 107 (1): 5953–5967. Código Bibliográfico :2022ECSTr.107.5953J. doi :10.1149/10701.5953ecst. ISSN  1938-5862. S2CID  248458443.
11. "Relación agua-cemento y correcciones de humedad de agregados". precast.org . Consultado el 18 de noviembre de 2018 .
12. "Humedad de los agregados en el hormigón". Construcción con hormigón . Consultado el 8 de noviembre de 2018 .
13. ftp://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/TMS/400-A_series/pdfs/cnn403.pdf
14. Zaccardi, YA Villagrán; Zega, CJ; Carrizo, LE; Sosa, ME (2018-10-01). "Absorción de agua de agregados finos reciclados: determinación efectiva mediante un método basado en conductividad eléctrica". Materiales y Estructuras . 51 (5): 127. doi :10.1617/s11527-018-1248-2. hdl : 11336/83159 . ISSN  1871-6873. S2CID  139201161.
15. Kawamura, Masashi; Kasai, Yoshio (29 de mayo de 2009). "Determinación de la condición de superficie seca saturada de suelos mixtos de arcilla y arena para la construcción con hormigón de suelo-cemento". Materiales y estructuras . 43 (4): 571–582. doi :10.1617/s11527-009-9512-0. ISSN  1359-5997. S2CID  137282443.

Lectura adicional

• Robinson, David A. (2008), "Estimación de campo del contenido de agua del suelo: una guía práctica de métodos, instrumentación y tecnología de sensores" (PDF) , Soil Science Society of America Journal , 73 (4), Viena, Austria: Organismo Internacional de Energía Atómica: 131, Bibcode :2009SSASJ..73.1437R, doi :10.2136/sssaj2008.0016br, ISSN  1018-5518, IAEA-TCS-30
• Wessel-Bothe, Weihermüller (2020): Métodos de medición de campo en la ciencia del suelo. Una nueva guía práctica para mediciones del suelo explica los principios de funcionamiento de diferentes tipos de sensores de humedad (independientemente del fabricante), su precisión, campos de aplicación y cómo se instalan dichos sensores, así como las sutilezas de los datos obtenidos de esa manera. También aborda otros parámetros del suelo relacionados con los cultivos.