Chương III. CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT VÀ KHÔNG KHÍ
1. CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT
1.1. Cỏc ủặc tớnh nhiệt lực của ủất
Nhiệt dung của ủất là ủại lượng dựng ủể ủỏnh giỏ khả năng núng lờn nhanh hay chậm của ủất. Nhiệt dung ủược chia ra làm hai loại:
• Nhiệt dung trọng lượng (Cp): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1 gam ủất núng lờn 1oC.
ðơn vị tớnh nhiệt dung trọng lượng là calo/g/ủộ.
• Nhiệt dung thể tớch (Cv): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1cm3ủất núng lờn 1oC . ðơn vị tớnh nhiệt dung thể tớch là calo/cm3/ủộ.
Nhiệt dung trọng lượng và nhiệt dung thể tớch cú quan hệ mật thiết với nhau ủược biểu thị bằng biểu thức sau ủõy:
(1) Trong ủú: Cv: Nhiệt dung thể tớch
Cp: Nhiệt dung trọng lượng d: Tỷ trọng của ủất
Nhiệt dung của ủất phụ thuộc phần lớn vào nhiệt dung của cỏc chất hỡnh thành nờn ủất.
Từ bảng 3.1 có thể rút ra những nhận xét sau:
Bảng 3.1. Nhiệt dung của cỏc chất cấu tạo ủất
-
+ Cỏc loại ủất cỏt hoặc pha cỏt bao giờ cũng cú nhiệt dung nhỏ, núng lờn nhanh nhưng cũng nguội ủi nhanh chúng.
+ Nhiệt dung của các thành phần cấu tạo nờn ủất rất khác nhau.
+ Nhìn chung nhiệt dung thể tích của mọi thành phần rắn chủ yếu trong ủất hầu như giống nhau, vào khoảng từ 0,5 – 0.6 calo/cm3/ủộ
Thành phần của ủất
Nhiệt dung trọng lượng (Calo/g/ủộ)
Nhiệt dung thể tích (Calo/cm3/ủộ)
Cát 0,18 0,4900
Sét 0,23 0,5900
Than bùn 0,48 0,6000
Khụng khớ trong ủất 0,24 0,0003
Nước trong ủất 1,00 1,0000
Cv = d . Cp
Nhiệt ủộ ủất cú vai trũ ủặc biệt ủối với cỏc quỏ trỡnh vật lý xẩy ra trong ủất và khớ quyển, là những yếu tố mụi trường quan trọng tỏc ủộng tới cỏc hoạt ủộng sống của sinh vật. Khụng khớ là một chất trong suốt rất ớt ủược ủốt núng trực tiếp bởi bức xạ mặt trời vỡ khả năng hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời của chúng rất kém. Tính trung bình khí quyển của trỏi ủất chỉ hấp thu ủược 14% tổng năng lượng bức xạ mặt trời ủi qua, cũn lại trờn 80% năng lượng nhận ủược chủ yếu nhờ mặt ủất cung cấp cho nú. ðặc tớnh hấp thu, truyền nhiệt của ủất và khụng khớ ủều mang những sắc thỏi riờng. Nghiờn cứu cỏc tớnh chất nhiệt cũng như chế ủộ nhiệt của ủất và khụng khớ giỳp chỳng ta hiểu rừ bản chất tỏc ủộng của chỳng ủối với khớ hậu và ủời sống sinh vật.
+ Cỏc loại ủất sột hoặc pha sột cú nhiệt dung lớn, chỳng núng lờn chậm và lạnh ủi chậm hơn so với ủất cỏt hoặc pha cỏt.
+ ðất khụ cú nhiệt dung nhỏ hơn so với ủất ẩm. Vỡ vậy cỏc loại ủất khụ thiếu ẩm thường cú chế ủộ nhiệt khụng ổn ủịnh, chỳng núng lờn về ban ngày nhanh chúng và lạnh ủi rất nhanh vào ban ủờm. Sự biến ủộng nhiều của nhiệt ủộ sẽ ảnh hưởng rất lớn ủến quỏ trỡnh sinh trưởng và phỏt triển của cõy trồng, ủặc biệt là ở cỏc vựng ủất cỏt. ðất ẩm, cỏc loại ủất thịt, thịt pha cú chế ủộ nhiệt ụn hoà, ớt dao ủộng hơn so với cỏc loại ủất trờn. Do vậy làm ẩm ủất bằng cỏch
Bảng 3.2. Nhiệt dung thể tớch của một số loại ủất cú ủộ ẩm khỏc nhau (ðơn vị: Cal/cm3/ủộ)
ðộ ẩm ủất (%) Loại ủất
0 20 50 80 100
ðất cát 0,35 0,40 0,48 0,58 0,63
ðất sét 0,26 0,36 0,53 0,72 0,90
ðất nhiều mùn 0,15 0,30 0,52 0,75 0,90
ðất than bùn 0,20 0,32 0,56 0,79 0,94
tưới nước cú thể ủiều tiết ủược chế ủộ nhiệt thớch hợp cho cõy trồng, giữ ủược nhiệt trong mựa ủụng và làm giảm nhiệt ủộ trong mựa hố.
b) Hệ số dẫn nhiệt (ủộ dẫn nhiệt) của ủất
Hệ số dẫn nhiệt là ủại lượng vật lý biểu thị khả năng truyền nhiệt của cỏc loại ủất. Là lượng nhiệt ủi qua một ủơn vị diện tớch 1 cm2, cú ủộ dày là 1cm, trong thời gian 1 giõy khi nhiệt ủộ chờnh lệch giữa 2 lớp ủất là 1oC.
Ký hiệu của hệ số ủẫn nhiệt: λ; ủơn vị tớnh là calo/cm2/cm/giõy/ủộ.
Hệ số dẫn nhiệt của cỏc loại ủất rất khỏc nhau và phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của cỏc chất cấu tạo nờn ủất, ủộ xốp, ủộ ẩm của ủất
Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của một số vật chất cấu tạo ủất
(ðơn vị: Calo/cm2/cm/giõy/ủộ)
Các chất λ Các chất λ
1. Bột phenspat 0,00580 5. đá vôi 0,00190
2. Cát khô 0,00026 6. Cát ẩm (20%) 0,00252
3. Hạt sét 0,00440 7. Thạch cao 0,00220
4. Nước 0,00130 8. Không khí 0,00005
Hệ số dẫn nhiệt của cỏt rất thấp, do vậy ủất cỏt hoặc ủất pha nhiều cỏt cũng cú hệ số dẫn nhiệt nhỏ. Vỡ thế, sự truyền nhiệt xuống cỏc lớp ủất sõu chậm, lớp ủất mặt núng lờn nhanh hơn so với cỏc lớp phớa dưới vào ban ngày nhưng lạnh ủi rất nhanh vào ban ủờm. Ngược lại ủất sột hoặc ủất sột pha cú hệ số dẫn nhiệt lớn, khả năng truyền nhiệt nhanh giữa cỏc lớp ủất nờn núng lờn và lạnh ủi chậm, chế ủộ nhiệt ớt biến ủộng hơn.
Nước có hệ số dẫn nhiệt lớn hơn không khí, do vậy sự có mặt nhiều hay ít của nước và khụng khớ sẽ ảnh hưởng ủến tớnh dẫn nhiệt của ủất. Khi ủộ ẩm của ủất tăng lờn sẽ làm tăng hệ số dẫn nhiệt, nhờ vậy mà nhiệt ủộ mặt ủất cao vào ban ngày ủược truyền nhanh xuống cỏc lớp ủất sõu hơn, ớt bị ủốt núng hơn so với ủất thiếu ẩm. Vào ban ủờm lớp ủất mặt bức xạ bị mất nhiệt thỡ ủồng thời sẽ ủược bổ sung bằng lượng nhiệt truyền từ dưới sõu lờn. Ở ủất khụ thiếu
ẩm, chứa nhiều khụng khớ, hệ số dẫn nhiệt kộm nờn diễn biến của nhiệt ủộ ngược lại với ủất ẩm. Bởi vậy cỏc loại ủất cú ủộ ẩm cao thường cú chế ủộ nhiệt ụn hoà hơn cỏc loại ủất khụ, biờn ủộ nhiệt ủộ ngày ủờm cũng nhỏ hơn.
c) Hệ số truyền nhiệt ủộ của ủất
Hệ số truyền nhiệt ủộ của ủất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung thể tớch của ủất và ủược biểu thị bằng cụng thức:
) (2)
Như vậy sự tăng nhiệt ủộ của một lớp ủất nào ủú tỷ lệ thuận với lượng nhiệt (λ) ủi qua và tỷ lệ nghịch với nhiệt dung thể tớch (Cv) của ủất. Trong ủất, cỏc thành phần rắn cú nhiệt dung thể tớch hầu như khụng thay ủổi, ủộ ẩm và ủộ xốp trong ủất tỏc ủộng nhiều ủến hệ số truyền nhiệt ủộ của ủất. Do ủất ẩm chứa nhiều nước cú ủộ truyền nhiệt ủộ nhỏ hơn so với ủất khụ nờn trong ủất ẩm sự thay ủổi nhiệt ủộ theo ủộ sõu và biến thiờn nhiệt ủộ trong một ngày ủờm cũng nhỏ hơn so với ủất khụ. Nghiờn cứu của Gupalo về hệ số truyền nhiệt ủộ ủược trỡnh bày ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tỷ trọng và ủộ ẩm ủối với hệ số truyền nhiệt ủộ của ủất Tỷ trọng của ủất (g/cm3)
ðộ ẩm ủất
(%) 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
0 0,0012 0,0013 0,0015 0,0016 0,0017
4 0,0013 0,0015 0,0016 0,0017 0,0017
10 0,0023 0,0026 0,0027 0,0030 - -
20 0,0033 0,0035 0,0038 0,0041 0,0043
25 0,0031 0,0033 0,0035 0,0037 0,0039
Hệ số truyền nhiệt ủộ phản ảnh tốc ủộ truyền nhiệt ủộ trong ủất. Ở tầng ủất canh tỏc tốc ủộ truyền nhiệt ủộ cú ý nghĩa lớn ủối với kỹ thuật trồng trọt. Mựa ủụng giỏ lạnh, nếu hệ số truền nhiệt ủộ cao thỡ bộ rễ cõy trồng hoạt ủộng tốt.
d) Lưu lượng nhiệt
Lưu lượng nhiệt là ủại lượng dựng ủể chỉ tổng lượng nhiệt ủược truyền xuống một lớp ủất sõu nào ủú trong một khoảng thời gian nhất ủịnh. Lưu lượng nhiệt phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau ủõy:
• Hệ số dẫn nhiệt càng lớn thỡ lượng nhiệt truyền xuống lớp ủất dưới sõu càng nhiều.
• Thời gian càng dài thỡ tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp ủất sõu càng lớn.
• Gradient nhiệt ủộ giữa cỏc lớp ủất càng cao thỡ tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp ủất sõu càng lớn.
Công thức tính lưu lượng nhiệt như sau:
(3) (t2 - t1)
Q = - λ --- . τ (z2 - z1) K =
Cv
λ (cm2/giây)
Trong ủú:
Q: lưu lượng nhiệt ; λ: Hệ số dẫn nhiệt ; τ: Thời gian truyền nhiệt; (t2 - t1)/(z2 - z1): Gradient nhiệt ủộ giữa cỏc lớp ủất.
Vớ dụ: Tớnh lưu lượng nhiệt truyền xuống lớp ủất cỏt sõu 30cm cú nhiệt ủộ là 250C trong khoảng thời gian 60 giõy trờn diện tớch 100 cm2 , biết rằng nhiệt ủộ của lớp ủất mặt là 350 C, hệ số dẫn nhiệt λ = 0.00252 calo/cm2/cm/giõy/ủộ.
Giải:
100 cm2 = 1 m2 , nờn theo cụng thức ta tớnh ủược:
(t1 - t2))
Q = - λ --- . τ = 0,00252 x (35 - 25) /30 x 60 x 100 = 5,04 (Cal/m2) (z2 - z1)
Vậy lượng nhiệt truyền xuống lớp ủất 30 cm2 trong 1 phut là 5,04 (Cal/m2).