LIVRO- SOLO, PLANTA E ATMOSFERA = Capitulo 6
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Os Processos
A dinâmica da matéria e da energia é regida por leis físicas,
responsáveis por sua transferência de um ponto para o
outro dentro do sistema. Nesta parte, são abordados os
processos responsáveis pelo movimento de matéria: água,
solutos, nutrientes, gases; e pela transferência de energia:
em especial o calor. Dada a semelhança desses processos
dinâmicos, iniciamos com a água e fazemos uma análise
físico-química detalhada, na qual as ferramentas matemá-
ticas são apresentadas àmedida que são empregadas. Para
solutos, gases e calor a análise é feita com menos detalhe,
para evitar repetições já abordadas no caso da água. Esta
parte é fundamental para a compreensão da Parte Ill, que
inclui aplicações.
Se não houver frutos
valeu a beleza das flores.
Se não houver flores
valeu a sombra das folhas.
Se não houver flolhas
valeu a intenção da semente.
Henfil
6
A ÁGUA EM EQUILÍBRIO
INTRODUÇÃO
A água do solo, da planta, da atmosfera etc.,
assim como qualquer corpo da natureza, pode ser
caracterizada por um estado de energia. Dife-
rentes formas de energia podem determinar esse
estado. A Termodinâmica é a parte da Física que
estuda as relações energéticas que envolvem os
diversos sistemas, e define como sistema o objeto
de estudo e, como meio, tudo que o cerca e com
ele mantém relações energéticas (Figura 6.1). Em
qualquer estudo termo dinâmico é fundamental
a definição do que será tomado como sistema e,
conseqüentemente, como meio, cujos limites
podem ou não ser bem definidos. Em nosso caso,
o sistema é a água, incluindo ou não tudo que
nela se encontra: íons, moléculas, gases dissolvi-
dos. Nas diferentes partes do sistema solo-plan-
ta-atmosfera, em que se encontra a água e cujo
estado de energia queremos definir, não é sim-
ples definir os limites do sistema água. A primei-
ra dificuldade é escolher seu tamanho, o que é
arbitrário, mas exige critérios. Como veremos
neste capítulo, nossos conceitos são, na maioria
das vezes, pontuais, de dimensões infinitamente
pequenas. Falaremos, por exemplo, em umidade
do solo em um ponto a 30 cm de profundidade.
Logicamente, precisamos de um volume mínimo
de solo para definir sua umidade. Se esse volume
for muito pequeno poderemos considerar ape-
nas um poro ou um grão de areia, que de forma
alguma representam o solo. De modo arbitrário,
poderíamos dizer que o volume mínimo de solo
que representa um ponto no perfil é 1 em', Nos-
sas amostragens são, em geral, maiores, coletadas
por cilindros de alturas de 3 a 10 em, com diâme-
tros de 3 a 10 em, resultando volumes de 20 a
1.000 em". Nosso sistema tem volume menor, pois
é a água líquida contida nos poros desse volume
de solo. Seu limite é o emaranhado de interfaces
água-ar e água-sólido, distribuído dentro dos
poros. As vezes, incluímos no sistema o vapor
d'água do ar do solo, que, em geral, está em equi-
líbrio com a fase líquida. O meio é a parte sólida
ou matriz do solo e os outros gases do ar do solo,
com o qual a água (sistema) mantém relações
energéticas.
Para o caso do ponto A, da Figura 6.3, que se
encontra no seio da água de uma barragem, o
sistema poderia ser definido por 1 em' de água
88 I SOLO, PLANTA E ATMOSFERA
Figura 6.1. Sistema e meio.
em torno do ponto A. Seu limite é hipotético e o
meio seria o restante da água da barragem, que
atua sobre o sistema, por exemplo, pela pressão
hidrostática de uma coluna de água de altura hA"
Na atmosfera, em dado ponto, o sistema
poderia ser o vapor d'água contido em 1 L de ar
em torno do ponto. Na planta, fala-se em água da
folha, do xilema, do floema, da semente e, para
cada caso, é preciso definir o sistema. Dentro de
uma folha, por exemplo, poderia ser a água do
vacúolo de uma célula, ou em uma porção de
tecido vegetal, como o parênquima lacunoso
mostrado na Figura 4.5, do Capítulo 4.
As relações energéticas podem ser separadas
em mecânicas, que aparecem por ação de forças,
e em térmicas, em virtude de diferenças de
temperatura. As forças dão origem aos trabalhos
mecânicos e dão movimento à água. Como o
movimento de água nas diferentes partes do
sistema solo-planta-atmosfera é muito lento,
sua energia cinética - proporcional ao quadrado
da velocidade v, é, na maioria dos casos, despre-
zível. Não é o caso de água corrente em canais
ou tubulações, onde a energia cinética é de gran-
de importância. A equação de Bernoulli, da
Hidrodinâmica (ver Capítulo 7), envolve esses
aspectos. Por outro lado, a energia potencial,
função da posição e condição interna da água
no ponto em consideração, é de primordial im-
portância na caracterização do seu estado de
energia. Para os diferentes sistemas da água
mencionados, podemos definir melhor os tipos
de energia que atuam nas relações sistema-meio.
No caso do vapor d'água, são de importância o
calor (energia térmica) e o trabalho de pressão.
No caso da água líquida, o trabalho gravitacional
pode assumir grande relevância. Todas as
interações entre a água e a matriz sólida do solo,
que envolvem forças capilares, de adsorção, elé-
tricas e outras, são, por conveniência e simplici-
dade, denominadas forças matriciais, que levam
a um trabalho matricial. A presença de solutos
na água implica trabalho químico. Como con-
seqüência dessas relações sistema-meio, a água
assume um estado de energia que pode ser des-
crito pela função termo dinâmica Energia Livre
de Gibbs e Outros Trabalhos Conservativos, que
no sistema solo-planta-atmosfera recebem o
Tiago
Realce
Tiago
Realce
nome particular de Potencial Total da Água.
Diferenças desse potencial da água entre dife-
rentes pontos no sistema dão origem a seu mo-
vimento. A tendência espontânea e universal de
toda matéria na natureza é assumir um estado
de energia mínima, procurando equilíbrio com
o meio ambiente. A água obedece a essa tendên-
cia universal e move-se constantemente no sen-
tido de diminuição de seu potencial total. A taxa
de decréscimo de potencial ao longo de uma di-
reção é uma medida da força responsável pelo
movimento. Assim, o conhecimento de seu es-
tado de energia em cada ponto no sistema pode
nos permitir o cálculo das forças que atuam so-
bre a água e determinar quanto afastada ela se
acha do estado de equilíbrio.
O conceito de potencial total da água é, por
isso, de fundamental importância. Para o caso do
solo, ele elimina as categorias arbitrárias nas quais
a água do solo foi classicamente subdividida: água
gravitacional, água capilar e água higroscópica.
a verdade, toda água do solo é afetada pelo
campo gravitacional terrestre, de tal forma que
toda ela é "gravitacional". Além disso, as leis da
capilaridade não explicam, por completo, o fe-
nômeno da retenção da água do solo. Por últi-
mo, deve-se frisar que a água é a mesma em
qualquer posição e tempo dentro do solo. Ela
não difere na "forma", mas, sim, no estado de
energia.
BASETERMODINÂMICA DO
CONCEITO DE POTENCIAL
TOTAL DA ÁGUA
A termo dinâmica é um capítulo vasto da Fi-
ica, e não é intenção deste texto apresentar um
tratado completo sobre o assunto. O leitor, se
necessário, deve recorrer a textos básicos de
termodinâmica, para melhor compreensão dos
A ÁGUA EM EQUILíBRIO 89
conceitos aqui tratados (Zemansky, 1978; Van
Wylen et al., 1994; Halliday et al., 2001). Os auto-
res esperam, porém, que o material a seguir seja
suficiente para o pesquisador em ciência do solo
compreender as relações complexas de energia em
relação ao sistema solo-planta-atmosfera.
Iniciaremos nosso estudo aplicando concei-
tos termodinâmicos ao sistema mais simples, que
é o do vapor d'água na atmosfera. É mais simples
por se tratar de um sistema gasoso inerte. Encon-
tra-se suspenso no ar pelo fato da força gravita-
cional ser balanceada pela força de empuxo. O
vapor d'água encontra-se dissolvido no ar e passa
a ser um componente do ar. Já vimos, no Capítu-
lo 5, que, em condições