Las propiedades térmicas del suelo son un componente de la física del suelo que ha encontrado usos importantes en ingeniería , climatología y agricultura . Estas propiedades influyen en cómo se distribuye la energía en el perfil del suelo . Si bien se relaciona con la temperatura del suelo, se asocia con mayor precisión con la transferencia de energía (principalmente en forma de calor) a través del suelo, por radiación , conducción y convección .
Las principales propiedades térmicas del suelo son:
- Capacidad calorífica volumétrica , Unidades SI: J ∙ m −3 ∙ K −1
- Conductividad térmica , Unidades SI: W ∙ m −1 ∙ K −1
- Difusividad térmica , Unidades SI: m 2 ∙ s −1
Medición
Es difícil decir algo general sobre las propiedades térmicas del suelo en un lugar determinado porque se encuentran en un estado de flujo constante debido a las variaciones diurnas y estacionales. Aparte de la composición básica del suelo, que es constante en un lugar, las propiedades térmicas del suelo están fuertemente influenciadas por el contenido volumétrico de agua del suelo, la fracción volumétrica de sólidos y la fracción volumétrica de aire. El aire es un mal conductor térmico y reduce la eficacia de las fases sólida y líquida para conducir el calor. Si bien la fase sólida tiene la conductividad más alta, es la variabilidad de la humedad del suelo lo que determina en gran medida la conductividad térmica. Como tales, las propiedades de humedad del suelo y las propiedades térmicas del suelo están estrechamente vinculadas y, a menudo, se miden e informan juntas. Las variaciones de temperatura son más extremas en la superficie del suelo y estas variaciones se transfieren a las capas subsuperficiales, pero a tasas reducidas a medida que aumenta la profundidad. Además, hay un retraso de tiempo en cuanto a cuándo se alcanzan las temperaturas máxima y mínima al aumentar la profundidad del suelo (a veces denominado retraso térmico).
Una forma posible de evaluar las propiedades térmicas del suelo es el análisis de las variaciones de temperatura del suelo frente a la profundidad de la ley de Fourier ,
donde Q es el flujo de calor o la tasa de transferencia de calor por unidad de área J · m −2 ∙ s −1 o W · m −2 , λ es la conductividad térmica W · m −1 ∙ K −1 ; dT / dz es el gradiente de temperatura (cambio de temperatura / cambio de profundidad) K · m −1 .
El método más comúnmente aplicado para medir las propiedades térmicas del suelo es realizar mediciones in situ, utilizando sistemas de sonda de estado no estacionario o sondas de calor.
Sondas de calor simples y dobles
El método de sonda única emplea una fuente de calor insertada en el suelo mediante la cual se aplica energía térmica de forma continua a una velocidad determinada. Las propiedades térmicas del suelo se pueden determinar analizando la respuesta de temperatura adyacente a la fuente de calor a través de un sensor térmico. Este método refleja la velocidad a la que el calor se aleja de la sonda. La limitación de este dispositivo es que mide únicamente la conductividad térmica. Los estándares aplicables son: Guía IEEE para mediciones de resistividad térmica del suelo (estándar IEEE 442-1981), así como con el método de prueba estándar ASTM D 5334-08 para la determinación de la conductividad térmica del suelo y roca blanda mediante el procedimiento de sonda de aguja térmica.
Después de una mayor investigación, se desarrolló la técnica de pulso de calor de doble sonda. Consiste en dos sondas de agujas paralelas separadas por una distancia (r). Una sonda contiene un calentador y la otra un sensor de temperatura. El dispositivo de sonda dual se inserta en el suelo y se aplica un pulso de calor y el sensor de temperatura registra la respuesta en función del tiempo. Es decir, se envía un pulso de calor desde la sonda a través del suelo (r) al sensor. El gran beneficio de este dispositivo es que mide tanto la difusividad térmica como la capacidad calorífica volumétrica. A partir de esto, se puede calcular la conductividad térmica, lo que significa que la sonda dual puede determinar todas las propiedades térmicas principales del suelo. Se han observado posibles inconvenientes de la técnica de pulso de calor. Esto incluye el pequeño volumen de medición del suelo, así como las mediciones que son sensibles al contacto de la sonda al suelo y al espacio entre el sensor y el calentador.
Sensores remotos
La teledetección de satélites, los aviones, ha mejorado enormemente la forma en que se puede identificar y utilizar la variación en las propiedades térmicas del suelo para beneficiar muchos aspectos del esfuerzo humano. Si bien la detección remota de la luz reflejada de las superficies indica la respuesta térmica de las capas superiores del suelo (unas pocas capas moleculares de espesor), es la longitud de onda térmica infrarroja la que proporciona variaciones de energía que se extienden a diferentes profundidades bajo la superficie del suelo, lo que es de mayor interés. Un sensor térmico puede detectar variaciones en las transferencias de calor dentro y fuera de las capas superficiales cercanas debido al calentamiento externo por los procesos térmicos de conducción, convección y radiación. La teledetección por microondas desde satélites también ha demostrado ser útil, ya que tiene la ventaja sobre TIR de no verse afectada por la cobertura de nubes.
Los diversos métodos de medición de las propiedades térmicas del suelo se han utilizado para ayudar en diversos campos tales como; la expansión y contracción de materiales de construcción especialmente en suelos congelados, longevidad y eficiencia de tuberías de gas o cables eléctricos enterrados en el suelo, esquemas de conservación de energía, en agricultura para el momento de la siembra para asegurar la emergencia óptima de las plántulas y el crecimiento de los cultivos, midiendo las emisiones de gases de efecto invernadero como el calor produce la liberación de dióxido de carbono del suelo. Las propiedades térmicas del suelo también se están volviendo importantes en áreas de la ciencia ambiental, como la determinación del movimiento del agua en los desechos radiactivos y la localización de minas terrestres enterradas .
Usos
La inercia térmica del suelo permite que el suelo se utilice para el almacenamiento subterráneo de energía térmica. [1] La energía solar se puede reciclar de verano a invierno utilizando el suelo como una reserva de energía térmica a largo plazo antes de ser recuperada por bombas de calor de origen terrestre en invierno.
Los cambios en la cantidad de carbono orgánico disuelto y carbono orgánico del suelo dentro del suelo pueden afectar su capacidad para respirar, ya sea aumentando o disminuyendo la absorción de carbono del suelo. [2]
Además, los criterios de diseño de MCS para bombas de calor de fuente terrestre de circuito poco profundo requieren una lectura precisa de la conductividad térmica in situ. [3] Esto se puede hacer usando la sonda de calor térmica mencionada anteriormente para determinar con precisión la conductividad térmica del suelo en todo el sitio.
Referencias
- ^ "Transferencia de calor entre estaciones" . Icax.co.uk . Consultado el 3 de junio de 2014 .
- ^ Allison, Steven D .; Wallenstein, Matthew D .; Bradford, Mark A. (2010). "Respuesta de carbono del suelo al calentamiento dependiente de la fisiología microbiana". Geociencias de la naturaleza . 3 (5): 336–340. Código bibliográfico : 2010NatGe ... 3..336A . doi : 10.1038 / ngeo846 .
- ^ "Ensayos de conductividad térmica del suelo" . earththermalconductivity.com.au . Consultado el 23 de febrero de 2016 .
- Bristow KL, Kluitenberg GJ, Goding CJ, Fitzgerald TS (2001). "Una pequeña sonda de varias agujas para medir las propiedades térmicas del suelo, el contenido de agua y la conductividad eléctrica". Informática y electrónica en agricultura . 31 (3): 265–280. doi : 10.1016 / S0168-1699 (00) 00186-1 .