Contenido de agua

Cantidad de agua contenida en un material.

Composición del suelo por V olumen 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 (llamado 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 saturación. Se puede administrar en forma volumétrica o en masa (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, a la suma del volumen de material huésped sólido (p. ej., 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 de agua y es la masa de los sólidos. ${\displaystyle m_{w}}$ ${\displaystyle m_{s}}$

Para materiales que cambian de volumen con el contenido de agua, como el carbón , el contenido de agua gravimétrico, u , se expresa en términos de 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 las ciencias del suelo exigen que el contenido de humedad gravimétrica 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 , ambos y se utilizan y se denominan respectivamente contenido de humedad en base húmeda (MC _wb ) y contenido de humedad en base seca (MC _db ). ^[2] ${\displaystyle u'}$ ${\displaystyle u''}$

Los valores suelen expresarse 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 aparente del material: ${\displaystyle SG}$

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

Cantidades derivadas

En mecánica de suelos e ingeniería petrolera, la saturación de agua o el 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 está la porosidad , en términos del volumen de huecos o espacio poroso y el volumen total de la sustancia . ^{[ se necesita aclaración ]} Los valores de S _w pueden oscilar entre 0 (seco) y 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: ${\displaystyle \Theta }$ ${\displaystyle S_{e}}$

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

¿ Dónde está 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 equivale 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 usando un horno de secado .

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 el numerador de u ; el denominador es o (lo que da como resultado u' o u" , respectivamente), dependiendo de la disciplina. ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$ ${\displaystyle m_{\text{dry}}}$ ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$ ${\displaystyle m_{\text{dry}}}$

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

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

¿ Dónde está 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. ${\displaystyle \rho _{w}}$ ${\displaystyle V_{\text{wet}}}$

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 Agregado (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 anteriores, están disponibles las siguientes opciones.

Métodos geofísicos

Hay varios métodos geofísicos disponibles que pueden aproximar el contenido de agua del suelo in situ . Estos métodos incluyen: reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), sonda de neutrones , sensor en el dominio de la frecuencia , sonda de capacitancia , reflectometría en el dominio de la 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 continuamente la humedad del suelo en aplicaciones agrícolas y científicas.

Método de teledetección por satélite

La teledetección satelital por microondas 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 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 humedad de la madera

Existen dos métodos principales para medir el contenido de humedad de la madera: prueba de secado en 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 asegurarse de que 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 fisiosorbida y agua "libre": el agua fisiosorbida 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 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 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. ^[9]

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 , θa _, 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 vuelve demasiado seco, 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 foco particular de la gestión 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 . ^[10]

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). ^[11] El secado al horno y la superficie saturada 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

• Secado al horno (OD) se define como la condición de un agregado donde no hay humedad dentro de ninguna parte del agregado. Esta condición se puede lograr en un laboratorio calentando el agregado a 220 °F (105 °C) durante un período de tiempo. ^[11]
• 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 exteriores del mismo están secas. Esta es una condición natural de los áridos en verano o en regiones secas. En esta condición, un agregado absorberá agua de otros materiales agregados a su superficie, lo que posiblemente tendría algún impacto en algunas características del agregado. ^[11]
• Superficie seca saturada (SSD, por sus siglas en inglés) se define como la condición de un agregado en el cual las superficies de las partículas están "secas" ( es decir , no absorberán nada del agua de mezcla añadida ni contribuirán con nada del agua contenida al mezclar ^[11] ), pero los huecos 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 en masa (A _m ) se define en términos de la masa de la muestra saturada con la superficie seca (M _ssd ) y la masa de la muestra de prueba secada en 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 el que el agua impregna completamente el agregado a través de los poros y hay agua libre en exceso de la condición SSD en sus superficies que pasará a formar parte del agua de mezcla. ^[11]

Solicitud

Entre estas cuatro condiciones de humedad de los agregados, la superficie seca saturada es la condición que tiene más aplicaciones en experimentos, investigaciones y estudios de laboratorio, especialmente aquellos relacionados con la absorción de agua, la relación de composición o los ensayos de contracción en materiales como el hormigón. Para muchos experimentos relacionados, una condición de superficie seca saturada es una premisa que debe cumplirse antes del experimento. En condiciones de superficie seca saturada, 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 condiciones de superficie seca y saturada, habría menos factores disruptivos que en otras tres condiciones. ^{[14] [15]}

Ver 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 ed.). 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 de Alimentos (Quinta ed.). 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 insaturados". Revista de la Sociedad de Ciencias del Suelo de América . 44 (5): 892–898. Código Bib : 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 los suelos: infiltración y redistribución". Hidrología física (Segunda ed.). Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice-Hall, Inc. p. 646.ISBN​ 978-0-13-099695-4.
6. F. Özcep; 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 investigaciones geofísicas . 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". Sensores remotos . 1 (1): 3–21. Código Bib : 2009RemS....1....3L. doi : 10.3390/rs1010003 .
8. "Detección remota 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 entre zonas climáticas". Geofís. Res. Lett . 34 (L20402): L20402. Código Bib : 2007GeoRL..3420402L. doi : 10.1029/2007GL031382 .
10. Jesi, V. Isabel; Kumar, Anil; Hosen, Bappa; D, Stalin David (24 de abril de 2022). "Sistema de recomendación de cultivo y riego inteligente habilitado por IoT para agricultura de precisión". Transacciones ECS . 107 (1): 5953–5967. Código Bib : 2022ECSTr.107.5953J. doi : 10.1149/10701.5953ecst. ISSN  1938-5862. S2CID  248458443.
11. "Relación agua-cemento y correcciones de humedad agregada". precast.org . Consultado el 18 de noviembre de 2018 .
12. "Humedad agregada en el hormigón". Construcción de 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 (1 de octubre de 2018). "Absorción de agua de áridos finos reciclados: determinación eficaz mediante un método basado en la conductividad eléctrica". Materiales y Estructuras . 51 (5): 127. doi :10.1617/s11527-018-1248-2. ISSN  1871-6873. S2CID  139201161.
15. Kawamura, Masashi; Kasai, Yoshio (29 de mayo de 2009). "Determinación del estado saturado de superficie seca de suelos mixtos de arcilla y arena para la construcción de hormigón con suelo y cemento". Materiales y Estructuras . 43 (4): 571–582. doi :10.1617/s11527-009-9512-0. ISSN  1359-5997. S2CID  137282443.

Otras lecturas

• Robinson, David A. (2008), "Estimación de campo del contenido de agua del suelo: una guía práctica de métodos, instrumentación y tecnología de sensores" (PDF) , Revista de la Soil Science Society of America , Viena, Austria: Agencia Internacional de Energía Atómica, 73 ( 4): 131, Bibcode :2009SSASJ..73.1437R, doi :10.2136/sssaj2008.0016br, ISSN  1018-5518, OIEA-TCS-30
• Wessel-Bothe, Weihermüller (2020): Métodos de medición de campo en la ciencia del suelo. La nueva guía práctica para mediciones del suelo explica los principios de funcionamiento de los 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 así obtenidos. También se ocupa de otros parámetros del suelo relacionados con los cultivos.