Fundamentos e Aplicações do Potencial Hídrico do Solo
Este seminário virtual apresenta a definição do potencial hídrico do solo, suas componentes e aplicações. Trata também da sua importância no entendimento de algumas situações encontradas no contínuo solo-planta-atmosfera.
Por Que Medir o Potencial Hídrico?
Em muitas situações, os dados do conteúdo de água podem ser muito limitados porque não prevêem como a água se move ou se comporta em um sistema. O potencial hídrico mede o estado energético da água e ajuda a explicar os comportamentos de seu movimento que, de outra forma, desafiam a intuição.
Definindo o Potencial Hídrico
Potencial hídrico é a energia necessária, por quantidade de água, para transportar uma quantidade infinitesimal de água da amostra para uma referência de água livre. Para entender o que isso significa, compare a água em uma amostra de solo com a água em um copo. A água no copo é relativamente livre e disponível; a água no solo está ligada a superfícies, com solutos diluídos e sob pressão ou tensão. De fato, a água do solo tem um estado energético diferente da água “livre”. A água livre pode ser acessada sem exercer nenhuma energia. A água do solo só pode ser extraída gastando energia. O potencial hídrico expressa quanta energia você precisaria gastar para extrair a água da amostra.
O potencial hídrico é uma propriedade diferencial. Para que a medida tenha significado, uma referência deve ser especificada. Esta referência tipicamente é água pura e livre na superfície do solo. O potencial hídrico desta referência é zero. O potencial hídrico no ambiente é quase sempre menor que zero, porque seria necessário gastar energia para levar a água à superfície como água livre.
Podemos usar um experimento para entender melhor o potencial hídrico. Utilize um copo de água e uma esponja seca. Mergulhe a ponta da esponja no copo de água. A água passará do copo para a esponja.
Qual é a diferença entre a água no copo e a água na esponja? A resposta é que a água no copo é livre, enquanto a esponja é, de uma certa maneira, presa. Tem também um estado de energia mais baixo que a água no copo. Sabemos disso porque, para recuperar a água da esponja, precisamos aplicar energia apertando-a.
Essa redução na energia da água reduz sua pressão de vapor e ponto de congelamento enquanto aumenta seu ponto de ebulição. Em outras palavras, a água na esponja é diferente da água no copo de maneiras mensuráveis.
Vamos considerar a redução na pressão de vapor. Podemos calcular a mudança na energia que acompanha uma mudança na pressão usando a primeira lei da termodinâmica. Se deixarmos o símbolo U representar a energia em um sistema e calcular a mudança em U que ocorre quando alteramos o volume, a pressão constante (assumindo que nenhum calor seja adicionado ou removido), podemos escrever a equação 1:
dU representa uma pequena mudança de energia e dV representa uma pequena mudança de volume. A relação entre pressão e volume, chamada lei dos gases ideais, é representada na equação 2:
onde n é o número de mols de gás, R é uma constante, conhecida como constante de gás (8,31 J/molK) e T é a temperatura do gás em Kelvins. Podemos diferenciar a lei do gás ideal para obter a equação 3:
Combinando as equações 1 e 3, obteremos a equação 4:
A energia necessária para ir da pressão de vapor da água pura no copo, que chamamos de pressão de vapor de saturação e recebe o símbolo po. A pressão de vapor da água na esponja é:
A razão p/po representa o potencial hídrico, ou a atividade da água (aw), quando falamos da água na esponja, ou da água em sólidos ou líquidos. Chamamos isso de umidade relativa quando o aplicamos à água no ar e, às vezes, o multiplicamos por 100 para expressá-lo como um percentual. A razão U/n é a energia por mol de água é chamada potencial hídrico. O potencial hídrico é representado pela letra grega Ψ e possui unidades de Joules/mol. Com essa substituição, finalmente chegamos à equação 6, que relaciona a energia da água na esponja e seu potencial hídrico.
A sexta equação nos diz que podemos expressar o estado energético da água em um material como um potencial hídrico ou como atividade de água. Alguns campos da ciência usam o potencial hídrico e outros usam atividade de água. Existem vantagens e desvantagens para cada um, mas o importante que se deve entender é que ambas são medidas do estado de energia da água e tem uma forte base teórica. Focamos no potencial hídrico aqui porque essa é a medida mais amplamente usada em solos.
O Que Determina o Potencial Hídrico?
Agora considere quais fatores influenciam o potencial hídrico. Podemos diminuir a energia da água ao absorver a água na esponja. A água adsorvida em qualquer superfície reduz seu estado energético. A água é ligada por ligações de hidrogênio, forças capilares e forças de van der Walls-London, portanto, possui menos energia que a água livre. Chamamos isso de efeito matricial. A energia da água também pode ser diminuída de outra maneira. Podemos diluir solutos na água. Como é necessário trabalhar para restaurar a água ao seu estado puro e livre, isso também reduz a atividade e o potencial hídrico. Chamamos esses efeitos de efeitos osmóticos. Somamos a redução de energia dos efeitos matriciais e osmóticos para obter a mudança total de energia.
Como Medimos o Potencial Hídrico?
A sexta equação fornece uma maneira conveniente de medir o potencial ou a atividade de água. Se colocarmos uma amostra em um recipiente fechado, a umidade relativa do espaço acima dela se equilibrará com o potencial hídrico da amostra. Em equilíbrio, o dois serão iguais, e podemos medir a umidade relativa do espaço para conhecer a água potencial da amostra.
O melhor método para medir o potencial hídrico é sugerido pela razão p/po. A saturação da pressão de vapor po depende apenas da temperatura da amostra. Se sabemos a temperatura da amostra, nós sabemos po. A pressão de vapor da água na amostra pode ser medido através da pressão de vapor da água no espaço selado da amostra.
A maneira mais precisa de medir essa pressão de vapor, e que remonta aos primeiros princípios, é medir o ponto de orvalho do ar. O instrumento de ponto de orvalho WP4C mede as duas variáveis, fornecendo uma medição direta e fundamental do potencial hídrico. Se você quiser atividade de água, é fácil converter entre as duas medições.
Outros Métodos para Medir o Potencial Hídrico
Essencialmente, existem apenas dois métodos principais de medição de potencial hídrico – tensiômetros e métodos de pressão de vapor. Os tensiômetros funcionam na faixa úmida. Os métodos de pressão de vapor funcionam na faixa seca.
Conclusão
O potencial hídrico é uma medida termodinâmica da energia da água em um material. Ele define qual água está disponível para processos físico-químicos em nível de partícula.
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Para concluir, deixamos uma tabela abaixo com algumas faixas de potencial hídrico que mais favorecem o desenvolvimento de algumas culturas comerciais.
