土壤水分能量的观念

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1、土壤水分能量的觀念　　像是別的自然界的物質，土壤水分也具有能量（Energy）。在傳統物理，能量區分為三種型態：內部能（InternalEnergy），是原子間的鍵結力，與改變分子鍵結所需的功；動能（KineticEnergy），是一物質在運動時改變速度所需的功；位能（PotentialEnergy），是一物質由一位置移動到另一位置，所需的功。巨觀的土壤水分移動，不改變水分子的特性，所以不考慮的部能，又因為移動速度非常緩慢，所以因速度的動能也太小而不慮，所以土壤孔隙流主要是考慮位能的變化。　　根據目前的知識，土壤水分位能（Soilwaterpotential）由四個成分組成：1

2、.重力位能，jg（Gravitypotential）：在地球重力場（Gravityfield），g，移動一個質量，m，有z的距離，其所做的功或所需能量，Eg，Eg=mgz(1)式子(1)為一常用的物理公式，但是很少去深入探討來源，其推導如下：ozRR是地球的半徑＝6.4×108cm一個物質質量m，在地球受地心的吸力，F，(2)M是地球質量＝6×1027gG是宇宙常數＝由(2)式知重力g的由來－59－　　　　　=980cm/sec2=g（重力加速度）(3)所以　E=mg(4)所以單位質量所作的功，jg，(5)DR為單位距離的改變。(3)式代入(5)式得(6)因為R>>Z(7)(3

3、)式代入(7)式得jg=Gz(8)在(8)式中的Z，是一個相對的高度，一般以地面為Z＝0。(8)式亦可證明jg祗與高度有關，與水的物理或化學性質無關。2.壓力位能（Pressurepstential）,jp　　　土壤的孔隙以毛細作用（Capillaryforce）持著土壤水分，所以以下列模式來描述，必須給予一個正壓力(p)，才能使水有移動l的距離，所作的功，w，為lw=F‧l(9)水→Fw的單位為erg.　單位質量的能量，jg=F‧l／m(10)jp單位為erg／g－59－　壓力是單位面積所承受的壓力F／A＝p(11)　(11)式代入(10)式得jp=p‧A‧l/v=p／rw(

4、12)　rw為水的密度。又因p=rwgh，所以lp=gh(13)在定義，當靜水壓（Hydrostaticpressure）在１大氣壓的空氣下視jp=0，當jp>0稱為在壓力狀況，jp<0稱為在張力（tension或suction）狀況下。土壤水分大多jp<0。又因孔隙愈小，毛細現象愈顯著，jp更為<0，所以需要更大的能量才能把這一部份的水移動出。因為土壤的孔隙複雜不是單一的毛細管所可比擬，所以Pressurepotential在過去稱為Capillarypotential，現皆稱為Matripotential。3.OsmoticPotentialjo　　　是因水中離子濃度，而減

5、降j值。這一個影響一般很小而可忽略。4.Pneumaticpotentialja　　　ja是水的前現空氣受擠壓而產生的阻力能量。一般也很小不影響水流，可以忽略之。　　　既然土壤水分的位能，至少可以分為這四種，所以土壤中某一位置(或某一體積的土壤）的總位能jT（TotalPotential）可以表示為jT=jg+jp+jo+ja(14)(14)式中每一能量用加號，表示每一成分都是獨立的（Independent）有的成分影響較不顯著，例如jo與ja常在傳統的介隙流中忽略之，所以(14)式可改寫為jT=jg+jp(15)－59－(15)式j的單位是ery/cm（單位質量所含的能量），

6、這個單位在物理上不易看出意義。物理上的能量單位1.Force（力）的單位根據牛頓第二定律F=ma，m質量，a加速度（cm／sec2）　　所以在cfs制，F的單位g‧cm/sec2=dryne2.壓力（Pressure）的單位根據定義，壓力，p為單位面積，A，所受的力(16)在地球重力場F=mg，所以(17)又密度r=m/v，v為體積，所以=rgh(18)(18)式為壓力常見的式子。由(16)式和壓力的單位為dyne/cm2，又因1atm=1.013×106dyne/cm2或1bar=1.0×106dyne/cm2所以壓力的單位也用bar或atm（大氣壓力）示之3.能量E（或功w

7、）的單位E=w=F‧Z=dyne‧cm=erg(19)能量有三種表示法－59－(1)Potential,j，即移動每單位質量(m)的物質（如水）所耗的能量　=gZ(20)單位為erg/g。(15)式即用此單位。(2)Pressure,p，即移動每單位體積(v)的物質（水）所需的能量(21)單位為dyne/cm2或bar,atm。(3)Head,H，即移動每單位重量(w)的物質（水），所需的能量。能量是force,F(22)單位為cm。為高度的單位，最易測量。由降下的水深，H，即可表示土壤水每