Какое свойство воды используется при транспирации
Испарением в физике (впрочем, и не только в ней) называют фазовый переход любой жидкости в парообразное или газообразное состояние. Простейший пример, с которым сталкивается каждый человек – испарение воды, когда мы ее сильно нагреваем, к примеру, делая себе чай, из нее идет пар. Пар этот и есть та самая вода, которая из жидкого состояния перешла в парообразное. Особенности процесса испарения разных жидкостей хорошо изучены физиками, а само испарение широко применяется в промышленности и в быту, встречается также и в природе.
Что такое испарение?
Классическое определение звучит так: испарение – это переход из жидкости в газ. При этом это термодинамический процесс, то есть такой, который происходит под воздействием температурных колебаний. Именно вследствие испарения количество любой жидкости в любой незакрытой емкости будет постепенно уменьшаться.
Какие же причины испарения? Физика объясняет это явление разницей температур на грани фазового перехода: жидкость обычно несколько холоднее окружающего воздуха. Если нет каких-то внешних влияний, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость вследствие диффузии, они переходят через полупроницаемую для жидкостей, но непроницаемую для газовых веществ поверхность раздела фаз массового потока.
Важно знать, что испарение всегда происходит только с поверхности жидкости, в этом основное отличие испарения от других форм парообразования. Атомы и молекулы испаряются не все сразу, а небольшими слоями, постепенно. Но, разумеется, со временем они могут испариться полностью.
Еще одной интересной особенностью испарения является тот факт, что оно может иметь разную направленность тепловых потоков. Они могут идти:
- из глубины жидкости к поверхности, а затем в воздух,
- только из жидкости к поверхности,
- к поверхности из воды и газовой среды одновременно,
- к площади поверхности только от воздуха.
Направленность тепловых потоков при испарении зависит от характера жидкости, температуры окружающего воздуха и фазового раздела. Эти три величины и их соотношение формируют формулу испарения.
Испарение на молекулярном уровне
В жидкостях молекулы, хотя и расположены близко друг к другу, тем не менее, они не имеют твердой связи между собой, как в твердых телах. Поэтому они находятся в непрерывном движении, в ходе которого часто сталкиваются друг с другом, меняют свое направление и скорость своего движения. Часть молекул, которые оказались близко к поверхности могут и вовсе покинуть жидкость, если проникнут через зону фазового перехода. И тогда произойдет испарение. Как видите, обязательным условием для этого физического процесса является непрерывное движение молекул в жидкости. Если движущаяся молекула обладает достаточной кинетической энергией и скоростью, то она может преодолеть притяжение соседних частиц и вылететь на поверхность.
Почему же испарение усиливается при нагревании жидкости? При нагревании движение молекул в воде, или другой жидкости заметно ускоряется, и все больше молекул начинают гонять аки «Шумахеры», в результате вылетая на поверхность.
При этом в какой-то момент может произойти такое явление как «испарительное охлаждение жидкости», когда нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и происходит снижении температуры самой жидкости. В частности это явление объясняет, почему человеку, даже облитому теплой водой постепенно будет становиться холодно – все быстрые молекулы этой теплой воды испарятся, а оставшаяся вода быстро охладится без своих «молекул-гонщиков».
Кипение гейзеров, отличный пример испарения в природе.
Испарение и кипение: в чем отличие?
В начале статьи мы писали, что испарение особенно заметно при кипении воды, когда мы, к примеру, делаем себе чай. На самом деле испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в речке или озере непрерывно испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Что же касается кипения, то оно является, по сути, катализированным испарением, когда сам процесс становится заметным невооруженным глазом и во много раз ускоренным.
Но кипение происходит только при определенных температурах, причем в разных жидкостях разные температуры кипения (например, у воды температура кипения 100 °C), в то же время испарение происходит всегда, независимо от температуры жидкости. В этом и заключается их отличие.
Факторы, влияющие на скорость испарения
Учеными выделены такие основные факторы, которые имеют влияние на скорость испарения:
- Химические и физические свойства жидкости, характер связей между молекулами, плотность вещества. Чем ближе друг к другу расположены молекулы жидкости, тем им труднее набрать нужную скорость, чтобы вылететь и тем ниже скорость испарения, и тем больше температура кипения. К слову спирты и алкоголь улетучиваются гораздо быстрее, нежели просто вода.
- Температура. В отличии от явления кипения, испарение жидкости может происходить даже при минусовых температурах жидкости. Но все равно при понижении температуры скорость движения частиц уменьшается, и как следствие уменьшается скорость испарения.
- Размер поверхности. Тут все просто, чем больше площадь испарения, то есть площадь соприкосновения жидкости с воздухом, тем большей будет скорость испарения.
- Скорость ветра также может влиять на скорость испарения в природных условиях, так как быстрое движение воздуха «сдувает» молекулы с поверхности, увеличивая их скорость и кинетическую энергию.
- Атмосферное давление, чем оно ниже, тем быстрее испаряется любая жидкость.
Роль испарения
И испарение, и кипение распространенные физические явления в нашей жизни. Мы постоянно сталкиваемся с ними в нашем быту, испарение активно используется в промышленности и природных условиях, как именно, читайте далее.
Испарение в организме человека, в животных и растениях
Испарение играет важную роль процессе саморегуляции температуры тела человека, как впрочем, и почти всех млекопитающих. Так как чрезмерный перегрев тела вредный, а порой и смертельный (так при температуре тела более 42,2 °C в крови человека происходит свертывание белка, что приводит к смерти) организм имеет защитный механизм для предотвращения перегрева – потоотделение. Например, когда мы болеем и имеем высокую температуру, а потом она падает, мы обильно потеем. Также мы потеем при тяжелом физическом труде, при перегреве на Солнце. Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется, все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализировать температуру.
Аналогично это работает и у животных, а некоторые порой даже стремятся ускорить процесс испарения. Так, например собаки для этой цели в жаркую погоду открывают рот и высовывают язык. Именно гортань и язык собаки наиболее подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.
Что же касается растений, то и они обладают схожим механизмом. Во избежание перегрева на Солнце они запускают процесс испарения ранее поглощенной воды, таким образом, охлаждаясь. Именно поэтому очень важно в жаркую погоду усиленно поливать культурные растения, предотвращая их выгорание или засыхание, ведь в такие дни влага особенно нужна растениями не только для питания, но и для охлаждения.
Испарение в природе и окружающей среде
Роль испарения в природе просто огромна, так как без этого физического явления была бы невозможна сама Жизнь на нашей планете. Именно испарение лежит в основе естественного круговорота воды, который обеспечивает экосистему Земли необходимыми питательными элементами и разносит жизненно важную влагу по всему миру. Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, питают растения и деревья.
Именно благодаря испарению на Земле идут дожди, а о том, как они важны и как трудно без них приходится порой, спросите об этом жителей Северной Африки или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.
Испарение в промышленности и быту
Вот лишь несколько примеров использования испарения в промышленности.
- Испарения применятся при создании охладителей для двигателей и ядерных реакторов.
- При сушке различных вещей: от одежды до промышленного сырья.
- При кондиционировании и очищении воздуха.
- При очистке разных веществ на молекулярном уровне.
- Во время готовке на пару в кулинарии.
- При охлаждении воды.
Промышленная техника, работающая на основе процессов испарения, конструируется по одному и тому же принципу: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чем обеспечивается наиболее оптимальный теплообмен с газовой средой.
Испарение, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Evaporation: Definitions, Causes and Examples.
Источник
Как растение поглощает воду и какое влияние оказывают экологические факторы на корнеобитаемую среду и состояние корневой системы? Казалось бы, эти физиологические процессы подробно изучены, однако имеется целый ряд нюансов, которые необходимо учитывать в современных технологиях возделывания культур защищенного грунта. Сатья описывает некоторые физиологические процессы поглощения растением воды и их связь с микроклиматом в теплице.
Известно, что вода перемещается по растению от корней к листьям по сосудам ксилемы и движущей силой этого процесса является транспирация.
Около 90% всей поглощенной растением воды тратится на испарение и только 10% используется непосредственно для физиологических процессов, в том числе фотосинтеза.
Для чего растение испаряет воду? Кубометр воздуха в теплице,при температуре 20о С содержит максимум 17 г влаги. Активно растущее растение может испарять в солнечный день с суммой прихода солнечной радиации 2000 Дж/см2 около 4,5 л воды на 1 м2 поверхности теплицы. Вода, испаряемая растением через листовую поверхность, охлаждает воздух в теплице примерно так же, как туманообра-зующая установка высокого давления. Действительно, температура транспирирующего листа может быть на 2-6°С ниже, чем нетранс-пирирующего. Именно поэтому в жаркие летние месяцы растения должны иметь хорошо работающую, мощную и здоровую корневую систему и достаточное количество листьев, чтобы обеспечить необходимую интенсивность охлаждения и, соответственно, урожай и качество продукции.
С другой стороны, транспирация культуры из-за увеличения количества влаги в воздухе при ограниченной вентиляции может стать причиной определенныхпроблем. В период затяжной пасмурной погоды влажность воздуха может превышать оптимальные показатели, установленные агрономом. В таких случаях, связанных к тому же с высокой опасностью распространения возбудителей болезней, адекватная работа корневой системы еще более важна, поскольку поможет избежать серьезных потерь от грибных заболеваний, например, от серой гнили.
Понимание взаимодействия корнеобитаемой среды и микроклимата необходимо для работы агронома. Только в сбалансированном состоянии эти системы могут обеспечить оптимальный результат.
Схема водного транспорта в растении
Вода поступает в растение благодаря отрицательному давлению, создающемуся в сосудах ксилемы. Движущей силой этого процесса является транспирация. Другой движущей силой будет пассивный, осмотический транспорт.
Транспирация
Транспирация начинается с испарения воды через устьичные щели, расположенные преимущественно с нижней стороны листа. Процесс происходит когда устьица открыты для обеспечения газообмена СО2 и О2, необходимых для процесса жизнедеятельности растения и протекания фотосинтеза. Испарившаяся через устьица влага замещается влагой из нижерасположенных смежных клеток сосудов ксилемы. В эти клетки влага движется из соседних клеток и т. д. Стенки клеток проводящей системы изгибаются внутрь, создается отрицательное давление, которое заставляет воду двигаться вверх по растению от корней к листьям. Таким образом, приходит в движение весь «водяной столб», от устьичных клеток до клеток корневых волосков.
Роль устьиц в транспирации
Основной путь потери воды растением — транспирация, но для процесса фотосинтеза необходим обмен углекислым газом и кислородом с окружающим воздухом через открытые устьица. Из этого следует, что для нормальной и продуктивной работы растения должен поддерживаться определенный баланс между потерей жидкости и потреблением С02 через устьица. Растение регулирует этот процесс степенью открытия устьичных щелей. Открытие и закрытие устьиц регулируется светом. Другие параметры микроклимата также оказывают существенное влияние на интенсивность транспирации. Один из главных — относительная влажность воздуха, а исходя из требований растения — ДДВП (дефицит давления водяного пара). ДДВП это разница между давлением водяного пара при максимальном насыщении (такие условия обычно создаются внутри устьич-ной камеры) и в наружном воздухе. Наряду с температурой (тепловая энергия) эти параметры (ДДВП и свет) играют ключевую роль в определении интенсивности транспирации, времени ее начала и окончания. Все это имеет непосредственную связь с условиями в корнеобитаемой среде.
Устьица открываются, когда утром на лист падают лучи солнца. В условиях теплицы транспирация начинается ориентировочно при 150-200 Вт/м2 интенсивности солнечного света.
По разнице температуры поверхностей листа томата и датчика (нетранспирирующая поверхность), которая является результатом охлаждения растения после начала транспирации, четко определяется момент начала транспирации.
Старт первого полива должен совпадать с началом активной транспирации. Этот интервал времени также непосредственно связан со стратегией управления температурой отопительных труб в утренний период. Именно поэтому применяется тактика снижения минимальной температуры труб «по свету» в пределах 200-400 Вт/м2, а не по времени суток. Используя установки «минимальной температуры трубы» в условиях с интенсивностью прихода солнечной радиации выше 400 Вт/м2, агроном столкнется лишь с допол-нительными расходами на отопление, транспирация уже будет инициирована солнечным светом, и необходимость в дополнительном стимулировании с помощью нижних труб обогрева отпадает. Однако этолишьобщееправило. Например, при низкой температуре субстрата срок начала транспирации может изменяться. При -12 оС транспирация начинается на 2 ч позже по сравнению с ситуацией, когда субстрат имеет температуру -17оС. В таких случаях время первого полива и установки по минимальной температуре труб должно быть соответственно изменено.
Интенсивность транспирации в течение дня зависит прежде всего от изменений параметров микроклимата в теплице. Чем ниже относительная влажность воздуха и выше температура, тем интенсивнее процесс транспирации. Ниже рассматриваются две стандартные ситуации:
Солнечный день
В течение дня, если потребление воды корневой системой отстает от уровня транспирации, клетки растения теряют тургор и устьица закрываются, уровень транс-пирации резко снижается, так растение предотвращает увядание. Кроме транспирации, сильно снижается интенсивность фотосинтеза, и, в свою очередь, качество плодов и урожайность резко падают. Температура растения и воздуха в теплице возрастает, как следствие, усиливается дыхание растения, оно начинает «сжигать» само себя. Именно по этой причине необходимо поддерживать работу корневой системы в активном состоянии. Это особенно важно в весенний период, при росте прихода солнечной радиации.
Также в условиях хорошей освещенности (от 800-1000 Дж/см2 в день) рекомендуется привязывать поливы к суммарному приходу солнечной радиации.
Количество раствора на 1 Дж при такой корректировке зависит от типа культивационного сооружения и используемого вида датчика солнечной радиации.
В экстремальных условиях, которые характерны для многих Российских регионов, полезно использовать показатель водопотребления культуры (разница между поливом и дренажом) как индикатор состояния растений. Это поможет правильно использовать системы зашторивания и испарительного охлаждения. Использование обеих этих систем не должно приводить к резкому снижению уровня транспирации культуры и, соответ-ственно, водопотребления, главная цель их применения — помощь растению, и особенно корневой системе, в периоды с высокими уровнями транспирации. При неправильном использовании систем СИО можно получить ослабленную культуру, а чрезмерное использование затеняющих экранов приводит к снижению урожайности, так как свет определяет урожайность!
Пасмурный день
В пасмурные дни транспирация низка, поэтому время первого и особенно последнего поливов соответственно должно быть изменено. Это легко сделать, используя современные климатические компьютеры совместно с датчиками влажности субстрата и регистрации прихода солнечной радиации.
В пасмурные дни установки «минимальной температуры труб» (50-60 оС) могут быть использованы в течение нескольких часов после полудня совместно с вентиляцией, чтобы стимулировать транспирацию. Это гарантирует то, что необходимые элементы питания все-таки попадают в растение, и можно контролировать его развитие, направляя по вегетативному или генеративному пути. Следует помнить, что слишком активная сти-муляция транспирации с использованием температуры в нижнем контуре отопления может привести к резкому росту относительной влажности воздуха из-за резкого роста транспирации. Для контроля влажности обычно бывает вполне достаточно температуры нижнего контура -40 °С. Учитывая нынешние цены на газ, минимальная температура нижнего контура не должна превышать 45 °С, во всяком случае часто. Установка тем-пературы 35 °С при автоматическом увеличении на 10оС по влажности воздуха в пределах 80-90% вполне приемлема.
Внимательно анализируйте графики компьютера, управляющего микроклиматом, внимательно отслеживайте взаимосвязь влажности воздуха и температуры нижнего контура. Часто изменение температуры труб обогрева с 40оС на 60оС не приводит к желаемому изменению влажности воздуха, а затраты при этом растут.
Обязательным условием снижения влажности воздуха являются приоткрытые фрамуги для выхода влаги из теплицы. Поэтому задавайте программу управления отоплением и вентиляцией так, чтобы их графики были близки друг к другу, это создаст в теплице активный микроклимат. В периоды с низкой температурой наружного воздуха (<13 оС) необходимо привязать установки по вентиляции к наружному климату. Это предотвратит попадание холодного воздуха на растения и, следовательно, отрицательное влияние на транспирацию культуры. В пасмурные периоды общее количество воды, подаваемое рас-тению, определяется количеством поливов, которые происходят в определенное время. Так при сочетании позднего начала и раннего окончания поливов с установками «минимальной температуры трубы» важно убедиться в достаточной продолжительности поливного дня, чтобы избежать таких физиологических проблем, как неравномерное окрашивание и растрескивание плодов. Признаком того, что максимальный перерыв между поливами слишком короток, является резкое падение ЕС субстрата.
Роль активного водопотребления
Растение может поглощать воду и в условиях отсутствия транспирации. Этот процесс называют активным водопоглощением, а результатом этого будет избыточное корневое давление. Корневое давление возрастает в ночное время и при низкой активности растения.
Корневое давление
Поверхность корня состоит из тонкого слоя клеток, мембраны которых содержат транспортные поры. Это позволяет ионам, таким как Са2 К+, проникать внутрь клеток корня. Энергия для этого активного транспорта ионов поступает от сжигания Сахаров в процессе дыхания, но важнее то, что внутри клеток корня образуется кон-центрированный раствор Сахаров и ионов. По закону осмоса вода будет всегда перемещаться в сторону с более высокой концентрацией ионов, поэтому в этих условиях будет происходить пассивный процесс поступления воды в корневую систему растения. Само растение не может противостоять такому поступлению воды внутрь клеток и одним из проявлений данного процесса является феномен гуттации (выделение капельной влаги на листьях у некоторых растений). Агроном, должен принимать во внимание данный процесс, поскольку он может привести к физиологическим нарушениям (вертикальное и концентрическое растрескивание плодов и стеблей), а также к развитию заболеваний. Действенный инструмент влияния на процесс водопоглощения и корневого давления — стратегия управления влажностью субстрата, включающая мониторинг влажности, концентрации, температуры и т.д.
Поэтому мы рекомендуем не использовать значительное снижение ЕС питательного раствора в связи с освещенностью (Вт/м2) и прекращать поливы в определенное время до захода солнца. Все это позволяет перед переходом к темному времени суток иметь стабильно высокий уровень ЕС субстрата, что будет ограничивать пассивное поступление воды в корневую систему. ЕС субстрата должна быть минимальной именно в периоды с наиболее высоким уровнем солнечного излучения.
Корнеобитаемая зона может быть представлена в виде своеобразного двигателя, а транспирация — в виде маховика. Раскрутив маховик путем создания активного климата в первой половине дня, вы получите хороший уровень водопотребления и, соответственно, потребления элементов минерального питания, а так же высокий уровень фотосинтеза. Следует помнить, что в дневное время уровень транспирации в основном зависит от микроклимата в теплице, что в первую очередь обусловлено взаимосвязанной правильной работой отопления и вентиляции.
Почему в жаркую погоду я больше поливаю растения, а им ещё хуже ?
При большом дефиците водяных паров в воздухе устьица закрываются и растение старается сберечь ту воду, что еще в нем остается. Поэтому транспирация резко затормаживается и растение уже не в силах потреблять воду из корневой части. Природный насос не работает. Повышение относительной влажности воздуха (ее легче измерить, чем дефицит водяных паров, хотя ДВП величина абсолютная, а ОВВ относительная) при перегревах позволяет вновь запустить этот “насос” или предотвратить его остановку.
В любительских теплицах летом очень часто можно видеть, как растения от жары вянут, а усиленный полив при этом только ухудшает положение – листьям не хватает воды, а корням воздуха.
Источник