Aula 2 Assunto teórico 12mar2018

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Faculdade de Agronomia / Departamento de Solos
Disciplina Física do Solo
Tema: Fase Sólida do Solo
Exposição teórica
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Faculdade de Agronomia / Departamento de Solos
Disciplina Física do Solo
Conteúdo programático
1 O solo como um sistema trifásico
2 Fase sólida do solo
3 Estrutura e consistência do solo
4 Água no solo
5 Dinâmicas do ar e da água no solo
6 Comportamento compressivo do solo
7 ...
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Faculdade de Agronomia / Departamento de Solos
Disciplina Física do Solo
Objetivos
Abordar o conceito do solo como um sistema trifásico com ênfase na fase sólida, 
de origem mineral e orgânica (húmus)
Apresentar alguns aspectos intrínsecos da textura do solo e sua determinação 
quantitativa
Relacionar a importância da análise granulométrica na conjuntura dos sistemas 
agrícolas e da sustentabilidade ambiental
Por que estudar
a fase sólida do solo?
4Foto: Mazurana (2013)
Fase sólida do solo
D
IN
Â
M
IC
A
ESTRUTURA
M
EC
A
N
IZ
A
Ç
Ã
OÁgua
Gases
Temperatura
Biologia
Fertilidade
Manejo
ER
O
SÃ
O
QUALIDADE DO SOLO
Por que estudar a fração sólida do solo?
5Foto: Mazurana (2013)
Fase sólida do solo
D
IN
Â
M
IC
A
ESTRUTURA
M
EC
A
N
IZ
A
Ç
Ã
OÁgua
Gases
Temperatura
Biologia
Fertilidade
Manejo
ER
O
SÃ
O
QUALIDADE DO SOLO
Difusão gases e nutrientes, movimento de água
O que é solo?
- heterogêneo: diversas substâncias
- trifásico: sólida, líquida / gasosa
- disperso: uma das fases apresenta partículas
extremamente subdivididas, com enorme área
superficial específica (ASE) por unidade de massa
ou volume
- particulado e poroso: partículas de diferentes
diâmetros que se arranjam criando espaços vazios
Corpo natural tridimensional, heterogêneo,
particulado e poroso. Sistema disperso de três
fases.
6Foto: Mazurana (2013)
Esquema ilustrando interação entre as fases sólida, liquida e gasosa e 
composição de um solo ideal para crescimento de plantas
Sólida
Líquida Gasosa
Mineral
Orgânica
Física
do
Solo Mineral
ArÁgua
7
Foto: Mazurana (2013)
Fenômenos de superfícies: ASE, molhamento, menisco etc.
- Frações: partículas orgânicas e minerais
Fração mineral
- Partículas minerais herdadas do material de origem do solo (minerais primários) ou
formadas a partir de processos e reações ocorrentes na formação do solo (minerais
secundários ou pedogênicos);
- Cargas negativas;
Principais minerais:
Primários Secundários
Quartzo, feldspato e micas Caulinita, esmectita, vermiculita, óxidos e
hidróxidos de ferro e de alumínio 8
Fase Sólida
Propriedades das partículas minerais (Lal & Shukla, 2004)
- Diâmetro nominal (tamanho)
- primárias: segregação a olho nu
- secundárias: tratamentos químicos / mecânicos
9
Propriedades das partículas minerais (Lal & Shukla, 2004)
- Diâmetro nominal (tamanho)
- primárias: segregação a olho nu
- secundárias: tratamentos químicos / mecânicos
- Forma: f (material de origem, intemperismo do solo e “tamanho” de partícula)
10
Propriedades das partículas minerais (Lal & Shukla, 2004)
- Diâmetro nominal (tamanho)
- primárias: segregação a olho nu
- secundárias: tratamentos químicos / mecânicos
- Forma: f (material de origem, intemperismo do solo e “tamanho” de partícula)
- Área superficial específica (ASE):
f (“tamanho” e forma)
11
Propriedades das partículas minerais (Lal & Shukla, 2004)
- Diâmetro nominal (tamanho)
- primárias: segregação a olho nu
- secundárias: tratamentos químicos / mecânicos
- Forma: f (material de origem, intemperismo do solo e “tamanho” de partícula)
- Área superficial específica (ASE): f (“tamanho” e forma)
- Mineralogia: influência nas propriedades globais dos solos.
Mazurana, 2012 Levien, 2009
12
Propriedades das partículas minerais (Lal & Shukla, 2004)
- Diâmetro nominal (tamanho)
- primárias: segregação a olho nu
- secundárias: tratamentos químicos / mecânicos
- Forma: f (material de origem, intemperismo do solo e “tamanho” de partícula)
- Área superficial específica (ASE): f (“tamanho” e forma)
- Mineralogia: influência nas propriedades globais dos solos.
- Massa específica versus textura do solo
13
Fase sólida 
Fração orgânica
- Geralmente < 5%;
- Material orgânico particulado em diferentes estágios de alteração até atingir
características físicas e químicas de matéria orgânica (húmus);
- Húmus: substâncias húmicas (80 – 90% da MOS);
- Cargas dependentes de pH.
Positivas ou negativas?
14
Propriedades das partículas orgânicas (Lal & Shukla, 2004)
- Área superficial específica (ASE)
- Densidade de cargas elétricas na superfície
15
Meurer, 2004
MOS: de 800 a 900 m²/g de solo
Minerais: de 30 a 800 m²/g de solo
Fase sólida 
Propriedades das partículas orgânicas (Lal & Shukla, 2004)
- Área superficial específica (ASE)
- Densidade de cargas elétricas na superfície
- Capacidade de troca de cátions
- Afinidade com água
- Densidade de partículas…
16Meurer, 2004
Fase sólida 
17
Fase sólida 
Mineral
Orgânica
18
Fase sólida 
Como avaliar
as frações sólidas
do solo?
Mazurana, 2013
19
- Representa a distribuição quantitativa das partículas sólidas minerais quanto ao seu
diâmetro nominal (tamanho);
- Sistemas de classificação das frações granulométricas
Sistema Sigla
Sociedade Brasileira de Ciência do Solo SBCS
Sociedade Internacional de Ciência do Solo ISSS
Departamento de Agricultura dos Estado Unidos USDA
Sociedade Americana de Testes de Materiais ASTM
Instituto de Tecnologia de Massachusetts MIT
Instituto Britânico BSP
German Standards DIN
Administração Pública de Estradas dos Estados Unidos USPRA
20Adaptado de Lal e Shukla (2004) e Jong van Lier (2010)
Determinação granulométrica – textura
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Distribuição do tamanho: principais classes de diâmetros
Há mais do que 
somente areia
silte e argila! 
E agora?
22
Mazurana, 2013
Determinação granulométrica – textura
Materiais > 2,0 mm: cascalhos, ...
T F S A
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Distribuição do tamanho: principais classes de diâmetros
Azevedo & Dalmolin, 2006
Frações 
granulométricas
Diâmetro das 
partículas (mm)
Matacão > 200
Calhau 200 – 20
Cascalho 20 – 2,0
Areia grossa 2,0 – 0,2
Areia fina 0,2 – 0,05
Silte 0,05 – 0,002
Argila < 0,002
24
Mazurana, 2013
Determinação granulométrica – textura
FASE SÓLIDA DO SOLO
Algumas propriedades físicas
Propriedade Frações granulométricas
Areia Silte Argila
Forma Denteada Ligeiramente irregular Lâminas/tubos
Sensação Aspereza Suave/talco Pegajoso
Plasticidade Não plástica Ligeiramente plástica Plástica
Coesão Não coesiva Ligeiramente coesiva Coesiva/gelatinosa
Área superficial Muito baixa Moderada Muito alta
Capacidade de
retenção água
Ausente/pouca Moderada Muito alta
CTC Ausente Muito baixa Alta ou muito alta
Adaptado de Principles of Soil Physics , 2004
FASE SÓLIDA DO SOLO
- MÉTODO 1: Em campo – Sensação que o solo molhado e amassado oferece ao tato
(aspereza, sedosidade e pegajosidade)
Pegajosidade
Argila
Sedosidade
Silte
Aspereza
Areia
26
Silva (2010) Silva (2010) Silva (2010)
Determinação granulométrica – textura
FASE SÓLIDA DO SOLO
27
Determinação granulométrica – textura
11 classes!
FASE SÓLIDA DO SOLO
- MÉTODO 2: Em laboratório
Dispersão: agitação mecânica + agentes químicos
Uso da técnica de ultrassomDispersão
Gerador
Conversor
Haste
H2O + solo
Cavitação
28
Adaptado de EMBRAPA (2005)
Mazurana, 2012
Determinação granulométrica – textura
FASE SÓLIDA DO SOLO
- MÉTODO 2: Em laboratório
Uso de dispersante químico e agitação mecânica
a) Princípio do método Alteração da DCD e Δ pH
b) Pré-tratamentos das amostras Peróxido hidrogênio (MOS > 5%)
29
Determinação granulométrica – textura
FASE SÓLIDA DO SOLO
- MÉTODO 2: Em laboratório
Uso de dispersante químico e agitação mecânica
Amostra de solo 
seca ao ar
Tapete de borracha
Peneiramento
Peneira de 2 mm
Terra fina seca ao ar 
(TFSA)
30
Determinação granulométrica – textura
FASE SÓLIDA DO SOLO
TFSA
Suspensão
Solo + dispersante + água
Balança
Agitador
31
Peneira
Areia retida: estufa a 105°C
www.esalq.usp.br/eng/fotos
FASE SÓLIDA DO SOLO
- MÉTODO 2: Em laboratório
Peneiramento e sedimentação
Como quantificar
cada fração?
32
Determinação granulométrica – textura
Mazurana, 2012
Peneiramento e sedimentação
a) Método da Pipeta
b) Método do Densímetro
FASE SÓLIDA DO SOLO
Determinação granulométrica – textura (quantificação)
Peneiramento e sedimentação Métodos da Pipeta e do Densímetro
Como se dá a sedimentação das partículas na proveta?
Lei de Stokes (1851)
__________________________________________
“A velocidade de sedimentação de um material sólido no líquido
ocorre de acordo com seu diâmetro e a viscosidade do líquido”.
Forças atuantes:
- Gravitacional
- Empuxo
- Fricção
Premissas:
- Partículas sejam esféricas
- Mesma densidade de partículas
- Não haja interação entre partículas
- Ausência de gradiente térmico
33www.esalq.usp.br/eng/fotos
FASE SÓLIDA DO SOLO
____________________________________________________________________
Lei de Stokes (1851)
v =
h
t
=
d² g (ρp – ρf)
18 h
Na qual:
v = velocidade de queda (cm s-1)
h = altura de queda ou distância (cm)
t = tempo de queda (s)
d = diâmetro da partícula (cm)
g = aceleração da gravidade (cm s-2) 980
ρp = densidade do sólido (g cm
-3) 2,65
ρf = densidade do fluido (g cm
-3) 0,99949 a 20º C
h = viscosidade da água (g cm-1 s) 0,008007 a 20º C
34
FASE SÓLIDA DO SOLO
Argila
Silte
Areia fina
Areia grossa
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851)
Qual é a sua solução matemática?
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851): FORÇA DE STOKES
PARTÍCULA - em queda livre:
FLUIDO - além da fricção, tem-se o empuxo:
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851): FORÇA DE STOKES
PARTÍCULA - em queda livre:
FLUIDO - além da fricção, tem-se o empuxo:
FASE SÓLIDA DO SOLO
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851): FORÇA DE STOKES
PARTÍCULA - em queda livre:
FLUIDO - além da fricção, tem-se o empuxo:
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851)
Igualando os termos, v = cte. --- a = 0 m s-2:
Velocidade: v = h / t
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851) - Limitações
Esfericidade?
FASE SÓLIDA DO SOLO
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851) - Limitações
Densidade das partículas idênticas?
Como resolver isso?
FASE SÓLIDA DO SOLO
2 GENERALIDADES DAS PARTÍCULAS
Análise granulométrica / Fundamentos e Métodos
 Lei de Stokes (1851) - Limitações
Queda independente de partículas,
sem interação entre si?
 Impossível
Não haver gradiente de temperatura
entre o interior x exterior da proveta?
 ”Aquário” a 20 ºC!
Exemplo 1: Quanto tempo demorará para que todas as partículas de silte se
desloquem até uma profundidade de 10 cm, a partir da superfície da suspensão,
numa proveta?
Dados: ρp = 2.300 kg m
-3; ρf = 0,99949 g cm
-3; h = 0,008007 g cm-1 s-1; g = 980 cm s-1
Lei de Stokes (1851)
v =
h
t
=
d² g (ρp – ρf)
18 h
 Método da Pipeta
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Exemplo 2: Que profundidade deve ser inserida uma pipeta para coletar somente
partículas de argila após decorridas 2:30 h de repouso da suspensão de solo em uma
na proveta?
Dados: ρp = 2,30 g cm
-3; ρf = 0,99949 g cm
-3;h = 0,008007 g cm-1 s-1; g = 980 cm s-1
FASE SÓLIDA DO SOLO
Peneira
Como quantificar
cada fração granulométrica ?
► Areia: por peneiramento (massa retida)
► Argila: massa (pipetagem)
► Silte: estimado por diferença,
100 % – [Areia + Argila]
Exemplo 3: Após análise granulométrica de um determinado solo, foram obtidas as massas das
frações areia (3,68 g) e argila (0,47 g) para 21 g de TFSA.
Determine qual o conteúdo percentual de cada fração do solo, considerando o valor do fator de
correção de umidade (f).
44
Areia: 3,68 g
(21 g / 1,05)
* 100 % = 18,4 %
Argila: 500 mL * 0,47 g * 100 % = 47,0 %
Silte: 100 % – (18,4 % + 47,0 %) = 34,6 %
(21 g / 1,05)25 mL
Método do Densímetro (Hidrômetro de Boyoucos)
45
Cilindro de sedimentação de 1 L Leituras no densímetro
Aos 40 s 2 h depois
Massa solo fração TFSA (g) [A] 50
Massa solo seco em estufa (g) [B] 49,75
Temperatura da Suspensão (°C) [C] 18
Correção da temperatura (g L-1) [D] = (C-20°C) x 0,36 - 0,72
Leitura do densímetro (g L-1) [E] 23,0 12,0
Leitura de calibração (“branco”) do densímetro (g L-1) [F] 0,1 0,1
Leitura corrigida do densímetro (g L-1) [G] = E + D – F 22,18 11,18
Fração de Argila + Silte (g g-1) [H] = G40s/B 0,44
Fração Argila (g g-1) [I] = G2h/B 0,22
Fração Silte (g g-1) [J] = H – I 0,22
Fração de Areia (g g-1) [K] = 1,0 – (I + J) 0,56
Adaptado de Cassol, 2009
46
Método do Densímetro (Hidrômetro de Boyoucos)
Como expressar os resultados da análise granulométrica (classificação)?
SBCS, 2010
- Triângulo textural (classes texturais) Uso para fins agrícolas
47
Triângulo textural
SBCS, 2010
Argila: 47,0 %
Silte: 34,6 %
Areia: 18,4 %
Dados obtidos para o solo do 
“Exemplo 1”:
Classe textural: Argila
48
É possível alterar a TEXTURA pelo manejo do solo?
49
Qual a importância de se conhecer a textura?
- Valor da terra e exploração de uso (agrícola, descartes...)
- Em classificação de solos, às vezes, é a primeira e mais importante característica
a ser determinada;
- Zoneamento agrícola e de risco climático (MAPA)
IN 12 de 14/06/2005
09/10/2008
50
Atributos do solo Argiloso Arenoso
Retenção de água Alta Baixa
Movimentação de água no perfil Difícil Fácil
Coesão Elevada Baixa
Densidade do solo Menor Maior
Porosidade total Maior Menor
Microporosidade Maior Menor
Superfície específica Elevada Baixa
Estruturação Bem estruturado Sem estrutura
CTC Alta Baixa
Dificuldade de preparo Maior Menor
Amplitude térmica Menor Maior
Atributos da massa de solo associados à granulometria
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