محتوای آب

محتوی آب مقدار آبی است که ماده‌ای مانند خاک، سنگ، سرامیک، میوه یا چوب می‌تواند در برداشته باشد. محتوی آب در بسیاری از بحث‌های علمی و مهندسی کاربرد دارد و معمولاً به صورت نسبی بیان می‌شود و مقدار آن می‌تواند از صفر (کاملاً خشک) تا به اندازهٔ پوکی ماده (در حالت اشباع) باشد همچنین می‌توان آن را به صورت حجمی و جرمی بیان داشت.

سه فاز موجود در خاک: فاز جامد یا خشک (s)، فضای خالی یا تخلخل‌ها که می‌تواند با آب یا هوا پر شود (v) و آب (w) در اینپرونده: M نشانهٔ جرم و V نشانهٔ حجم.

تعریف

محتوی حجمی آب یا θ با بیان ریاضی به صورت زیر است:

$\theta ={\frac {V_{w}}{V_{T}}}$

که در این رابطه $V_{w}$ حجم آب و $V_{T}=V_{s}+V_{v}=V_{s}+V_{w}+V_{a}$ حجم کل است که برابر است با مجموع حجم خاک، آب و هوا.

محتوی وزنی یا جرمی آب که بر اساس جرم ماده به صورت زیر بیان می‌شود:

$u={\frac {m_{w}}{m_{t}}}$

در این رابطه $m_{w}$ جرم آب و $m_{t}$ جرم کل است (وزن هوا را صفر می‌گیریم). در مهندسی خاک و پی و دانش‌های مربوط به خاک، $m_{s}$ خاکی که در کوره خشک شده باشد برابر با جرم کل یا $m_{t}$ در نظر گرفته می‌شود.

در مکانیک خاک و مهندسی نفت، عبارت درجهٔ اشباع (degree of saturation) یا اشباع آب (water saturation) با نشانهٔ $S_{w}$ به صورت زیر تعریف می‌شود:

$S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V_{T}\phi }}={\frac {\theta }{\phi }}$

که در آن $\phi =V_{v}/V_{T}$ همان پوکی و $V_{v}$ حجم فضاهای خالی خاک است. مقدار $S_{w}$ می‌تواند از ۰ (خشک) تا ۱ (اشباع) تغییر کند. البته در واقعیت مقدار $S_{w}$ هرگز به صفر یا ۱ نمی‌رسد بلکه این مقدارها تنها در مهندسی کاربرد دارند.

محتوی آب نرمال شده (normalized water content) با علامت $\Theta$، همچنین با نام اشباع مؤثر (effective saturation) یا $S_{e}$ یک مقدار بی بعد است که نخستین بار از سوی فن گنوختن به صورت زیر تعریف شد:

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

در رابطهٔ بالا، $\theta$ محتوی آب حجمی و $\theta _{r}$ محتوی آبی است که در آن گرادیان $d\theta /dh$ برابر با صفر شود و $\theta _{s}$ محتوی آب اشباع است که خود برابر با پوکی، $\phi$ است.

اندازه‌گیری

روش مستقیم

اگر حجم مشخصی از ماده، و خشک شدهٔ آن در کوره را داشته باشیم می‌توانیم محتوی آب حجمی یا θ را به صورت زیر محاسبه کنیم using:

$\theta ={\frac {m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}{\rho _{w}\cdot V_{b}}}$

که در آن

$m_{\text{wet}}$ و $m_{\text{dry}}$ جرم نمونه پیش و پس از خشک شدن در کوره‌اند؛

$\rho _{w}$ چگالی آب؛

$V_{b}$ حجم نمونه پیش از خشک شدن است.

برای موادی مانند زغال سنگ که با افزوده شدن آب به آن‌ها حجمشان تغییر می‌کند، محتوی آب، u بر پایهٔ جرم آب در یکای جرم نمونهٔ مرطوب بیان می‌شود:

$u={\frac {m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}{m_{\text{wet}}}}$

البته زمین‌شناسان ترجیح دارند که محتوی آب به صورت درصدی از وزن نمونهٔ خشک بیان شود:

$u={\frac {m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}{m_{\text{dry}}}}$

که در آن محتوی آب مورد نظر = $u*100\%$

برای چوب، قرارداد این است که محتوی آب برای نمونهٔ خشک شده در کوره بیان شود (نمونهٔ خشک شده یعنی نمونه‌ای که پیش تر در کوره‌ای با دمای ۱۰۵ درجهٔ سانتیگراد به مدت ۲۴ ساعت قرار داشته است.) این کار در خشک کردن چوب، نکتهٔ مهمی است که حتماً باید رعایت شود.