Транспирация

Коэффициенты испарения и ректификации

Как уже говорилось, при перегонке браги или самогона температура кипения отдельного вещества отходит на второй план. Главную роль здесь играет способность вещества испаряться из смеси.

Характеризует эту способность коэффициент испарения Ки. Он равен отношению количеству определенного вещества в паре к количеству его же в жидкости:

Ки = a/b, где

а — доля вещества в паре, %; b –доля этого же вещества в растворе, %.

Если для какого-то компонента Ки больше единицы, то пар (а следовательно и его конденсат) обогащается этим компонентом, а жидкость обедняется.

Ки этилового спирта обычно обозначается Ксп. В водно-спиртовом растворе Ксп меняется в зависимости от содержания этанола. Значения Ксп приведены в таблице:

Как видно из таблицы коэффициент испарения этанола в диапазоне его содержания в жидкости от 0 до 97,2% об. и при атмосферном давлении 760 мм р.ст. всегда больше 1.

Коэффициент испарения примеси (обозначается как Кпр) также зависит от содержания в растворе этилового спирта. Отсюда следует, что знания только Кпр конкретного вещества недостаточно, чтобы понять, что в данный момент перегонки происходит с дистиллятом — обогащается он этой примесью или наоборот обедняется.

Возможность очистки этилового спирта от конкретного вещества определяется коэффициентом ректификации Кр:

Кр=Кпр/Ксп

Кр показывает, уменьшается или увеличивается количество примеси в паре (а следовательно и в дистилляте) в сравнении с его содержанием в перегоняемой жидкости в конкретный момент.

Значения коэффициента ректификации (Кр) некоторых примесей, содержащихся в самогоне, приведены на графике ниже. График взят из книги «Производство спиртных напитков» А.К. Дорош и В.Л. Лысенко.

Как уже говорилось, при Кр>1 происходит обогащение пара этой примесью, при Кр<1 — обеднение, а следовательно очистка. При Кр=1 количество испаряемой примеси равно количеству испаряемого этилового спирта, очистка не происходит.

По коэффициенту ректификации примеси делятся на следующие группы:

1. Головные — у которых Кр при любых концентрациях этанола больше единицы. Эти вещества всегда идут в первой части погона не зависимо от крепости перегоняемой жидкости. Типичными представители — уксусный альдегид, акролеин, уксусно- и муравьиноэтиловый и уксусноэтиловый эфиры.
2. Хвостовые — те, у которых Кр всегда ниже 1. Типичный представитель — фурфурол.
3. Промежуточные — у которых при высоких концентрациях этанола Кр<1, при низких Кр>1, а при определенных равен единице. Это основные компоненты сивушного масла — изоамиловый, изобутиловый и пропиловы спирты.
4. Концевые — у которых при высоком содержании этилового спирта Кр>1, а при низких меньше единицы. Типичный представитель — метиловый спирт (№7 на графике).

Пример

Давайте разберем на примере, как работает этот график. Допустим мы перегоняем брагу. Содержание этилового спирта в ней 10%.

Она закипела и по графику видно, что при 10% крепости например уксусный альдегид имеет Кр=3,8, а метанол имеет Кр=0,65. Это значит, что в данный момент при испарении из браги 1% спирта мы испаряем 3,8% уксусного альдегида и 0,65% метанола. Т.е. происходит обогащение альдегидом и очистка от метанола.

Что произойдет с примесями, если мы выгоним из браги весь этанол?

Согласно графику при данной крепости все летучие примеси, кроме фурфурола и метанола имеют Кр>1. Следовательно при испарении всего спирта в дистиллят полностью перейдут и эти примеси. Частичная очистка произойдет только от фурфурола и метанола. Ну и от воды.

викторина

1. Какой тип транспирации НЕ является?A. Лентикулярная транспирацияB. Мезархальная транспирацияC. Кутикулярная транспирацияD. Стоматальная транспирация

Ответ на вопрос № 1

В верно. Лентикулярная, кутикулярная и устная транспирация – это формы транспирации, при которых вода теряется через линзу, кутикулу и устьицу соответственно. Мезархальная транспирация не существует. Месарх описывает путь развития ксилемы.

2. Когда температура повышается, что происходит со скоростью транспирации?A. Транспирация увеличивается.B. Транспирация уменьшается.C. Транспирация остается с той же скоростью.

Ответ на вопрос № 2

верно. Когда температура увеличивается, транспирация также увеличивается. Растения больше открывают свои устьицы в горячих средах, так что вода может испаряться, что охлаждает растение. Поэтому растения в горячих средах обычно переносят больше, чем растения в более холодных средах.

3. Когда _____________ увеличивается, скорость транспирации уменьшается.A. ветерB. Влага в почвеC. Влага в воздухеD. температура

Ответ на вопрос № 3

С верно. Когда относительная влажность высокая, транспирация уменьшается. Меньше воды испаряется в окружающий воздух, если в воздухе больше влаги. Когда влажность низкая, а воздух сухой, транспирация увеличивается. Вода проникает в воздух через диффузию; он перемещается из области с более высокой концентрацией (лист) в область с более низкой концентрацией (воздух).

Оценка суммарного испарения

Эвапотранспирацию можно измерить или оценить с помощью нескольких методов.

Косвенные методы

Испарению данные могут быть использованы для оценки озера испарения, но испарение и испарение перехваченных дождя на растительности неизвестны. Существует три общих подхода к косвенной оценке суммарного испарения.

Водный баланс водосбора

Эвапотранспирацию можно оценить, составив уравнение водного баланса водосборного бассейна. Уравнение уравновешивает изменение воды, хранящейся в бассейне ( S ), с входами и выходами:

Δ S знак равно п — E Т — Q — D {\ Displaystyle \ Delta S = P-ET-QD \, \!}

Входными данными являются осадки ( P ), а выходными данными — суммарное испарение (которое необходимо оценить), сток реки ( Q ) и пополнение подземных вод ( D ). Если все изменения в накоплении, осадках, речном стоке и пополнении подземных вод оцениваются, недостающий поток ET можно оценить, переписав приведенное выше уравнение следующим образом:

E Т знак равно п — Δ S — Q — D {\ Displaystyle ET = P- \ Delta SQD \, \!}

Энергетический баланс

Третий метод оценки фактического суммарного испарения — использование энергетического баланса.

λ E знак равно р п — грамм — ЧАС {\ displaystyle \ lambda E = R_ {n} -GH \, \!}

где λE — энергия, необходимая для изменения фазы воды из жидкости в газ, R _n — чистое излучение, G — поток тепла почвы и H — поток явного тепла . Используя такие инструменты, как сцинтиллометр , пластины теплового потока почвы или измерители радиации, можно рассчитать компоненты энергетического баланса и определить количество энергии, доступной для фактического суммарного испарения.

В SEBAL и метрические алгоритмы решают энергетический баланс на земной поверхности с использованием спутниковых снимков. Это позволяет рассчитывать как фактическое, так и потенциальное эвапотранспирацию на попиксельной основе. Эвапотранспирация — ключевой показатель для управления водными ресурсами и эффективности орошения. SEBAL и METRIC могут отображать эти ключевые показатели во времени и пространстве для дней, недель или лет.

Экспериментальные методы измерения суммарного испарения

Одним из методов измерения суммарного испарения является использование весового лизиметра . Вес столба почвы измеряется непрерывно, и изменение запаса воды в почве моделируется изменением веса. Изменение веса преобразуется в единицы длины с использованием площади поверхности весового лизиметра и единицы веса воды. Эвапотранспирация рассчитывается как изменение веса плюс количество осадков минус просачивание.

Вихревая ковариация

Самым прямым методом измерения суммарного испарения является метод вихревой ковариации , при котором быстрые колебания вертикальной скорости ветра коррелируют с быстрыми колебаниями плотности водяного пара в атмосфере . Это позволяет напрямую оценить перенос водяного пара (суммарное испарение) с поверхности суши (или навеса) в атмосферу.

Гидрометеорологические уравнения

Наиболее общим и широко используемым уравнением для расчета эталонного ET является уравнение Пенмана . Вариант Пенмана-Монтейта рекомендован Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций и Американским обществом инженеров-строителей . Более простое уравнение Блейни-Криддла было популярно на западе США в течение многих лет, но оно не так точно в регионах с более высокой влажностью. Другие используемые решения включают Makkink, который прост, но должен быть откалиброван для конкретного местоположения, и Hargreaves.

Для того, чтобы преобразовать испарению к фактической эвапотранспирации запашек, коэффициент культуры и коэффициент напряжения должны быть использован. Коэффициенты урожая, используемые во многих гидрологических моделях, обычно меняются в течение года, чтобы приспособиться к тому факту, что культуры являются сезонными и, в целом, растения ведут себя по-разному в зависимости от сезона: многолетние растения созревают в течение нескольких сезонов, а реакция на стресс может в значительной степени зависеть от многих аспектов. состояния растений.

Что такое транспирация и ее показатели

Транспирацией растений называется процесс извлечения жидкости с дальнейшим испарением. Примечательно, что растительная культура использует только 10% получаемой жидкости, а остальные 90% она просто испаряет. Этот процесс в биологии позволяет защитить растительность от жары и ускоряет проникновение минералов в стебли.

Транспирация – процесс испарения влаги через листья

Интенсивность и продуктивность

Интенсивность испарения определяется так: количество воды, высыхающее на единице площади листьев, деленное на отрезок времени. В течение суток этот показатель у каждого растения будет отличаться: ночью он достигает 20 г в час, а днем – 250 г.

Формула продуктивности выглядит так: соотношение сухой массы к килограмму жидкости в период потери влаги. Средний показатель – 3 г, а максимальный – 8 г.

Транспирационный коэффициент

Этот показатель демонстрирует количество влаги, необходимое растительности для создания 1 г сухой массы, которая включает листья, корни и стебель. Наиболее верный расчет осуществляется для однолетних организмов – составная масса достигает порядка 350 г. Этот коэффициент позволяет вычислить емкость жидкости, необходимой для полива культуры.

Таблица: транспирационные коэффициенты различных сельскохозяйственных культур

Суточный ход

Наименьшая погрешность этого показателя достигается только при безоблачной погоде. Минимум транспирации приходится на жаркий полдень, поскольку в это время устьицы закрываются и теряют влагу.

Относительная транспирация

Этот показатель позволяет сравнить скорость испарения с поверхности листьев и открытой поверхности воды. Коэффициент меняет свою интенсивность в промежутке от 0,01 до 1,0.

Описание процесса транспирации

На процесс транспирации существенное влияние оказывают несколько значимых факторов.

Факторы влияющие на процесс транспирации

Как было указано выше, интенсивность транспирации определяется в первую очередь степенью насыщенности водой клеток листа растения. В свою очередь, на это состояние главное воздействие оказывают внешние условия – влажность воздуха, температура, а также количество света.

Понятно, что при сухом воздухе процессы испарения происходят более интенсивно. А вот влажность почвы действует на транспирацию обратным образом: чем суше земля, тем меньше воды попадает в растение, тем больше ее дефицит и, соответственно, меньше транспирация.

При повышении температуры также увеличивается транспирация. Однако, пожалуй, основной фактор, влияющий на транспирацию, – это все же свет. При поглощении листовой пластиной солнечного света увеличивается температура листа и, соответственно, раскрываются устьица и повышается интенсивность транспирации.

Знаете ли вы? Чем больше хлорофилла в растении, тем сильнее свет влияет на процессы транспирации. Зеленые растения начинают испарять влагу почти в два раза больше даже при рассеянном свете.

Исходя из влияния света на движения устьиц даже выделяют три основные группы растений по суточному ходу транспирации. У первой группы ночью устьица закрыты, утром они открываются и в течение светового дня двигаются, в зависимости от наличия или отсутствия дефицита воды. У второй группы ночное состояние устьиц является «перевертышем» дневного (если днем были открыты, ночью закрываются, и наоборот). У третьей группы днем состояние устьиц зависит от насыщенности листа водой, но ночью они всегда открыты. В качестве примеров представителей первой группы можно привести некоторые злаковые растения, ко второй относятся тонколистные растения, например, горох, свекла, клевер, к третьей – капуста и другие представители растительного мира с толстыми листьями.

Но в целом следует сказать, что ночью транспирация всегда менее интенсивна, чем днем, поскольку в это время суток температура ниже, света нет, а влажность, напротив, повышена. В течение светового дня транспирация обычно наиболее продуктивна в полуденное время, а со снижением солнечной активности этот процесс замедляется.

Отношение интенсивности транспирации с единицы площади поверхности листа в единицу времени к испарению такой же площади свободной водной поверхности называется относительной транспирацией.

Как происходит регулировка водного баланса

Основную часть воды растение поглощает из почвы посредством корневой системы.

Важно! Клетки корней некоторых растений (особенно произрастающих в засушливых регионах) способны развивать силу, с помощью которой высасывается влага из почвы, до нескольких десятков атмосфер!

Кроме корней, у некоторых растений есть способность поглощать воду и наземными органами (например, мхи и лишайники впитывают влагу всей своей поверхностью).

Поступившая в растение вода распределяется по всем его органам, двигаясь от клетки к клетке, и используется на необходимые для жизни растения процессы. Небольшое количество влаги уходит на фотосинтез, но большая часть необходима для поддержания наполненности тканей (так называемый тургор), а также восполнения потерь от транспирации (испарения), без которых жизнедеятельность растения невозможна. Влага испаряется при любом соприкосновении с воздухом, поэтому этот процесс происходит во всех частях растения.

Если количество воды, которое поглощается растением, гармонично согласовывается с ее расходованием на все указанные цели, водный баланс растения урегулирован правильно, и организм развивается нормально. Нарушения такого баланса могут быть ситуативными или длительными. С кратковременными колебаниями водного баланса многие наземные растения в процессе эволюции научились справляться, но длительные сбои в процессах водоснабжении и испарения, как правило, приводят к гибели любого растения.

Круговорот воды

Типы растительности и землепользования существенно влияют на эвапотранспирацию и, следовательно, на количество воды, покидающей водосборный бассейн. Поскольку вода, проходящая через листья, исходит из корней, растения с глубокими корнями могут более постоянно пропускать воду. Травянистые растения обычно светятся меньше, чем древесные, потому что у них обычно менее обширная листва. Хвойные леса, как правило, имеют более высокий уровень эвапотранспирации, чем лиственные леса, особенно в периоды покоя и ранней весной. Это в первую очередь связано с увеличением количества осадков, перехватываемых и испаряемых листвой хвойных пород в эти периоды. Факторы, влияющие на эвапотранспирацию, включают стадию роста или уровень зрелости растения, процент почвенного покрова, солнечную радиацию , влажность , температуру и ветер . Измерения изотопов показывают, что транспирация является большей частью суммарного испарения.

За счет эвапотранспирации леса могут снижать приток воды, за исключением уникальных экосистем, называемых тропическими лесами и тропическими лесами.

Деревья в облачных лесах собирают жидкую воду в тумане или низких облаках на свою поверхность, которая капает на землю. Эти деревья по-прежнему вносят свой вклад в эвапотранспирацию, но часто собирают больше воды, чем испаряются или испаряются.

В тропических лесах объем воды увеличивается (по сравнению с расчищенными землями в той же климатической зоне), поскольку эвапотранспирация увеличивает влажность в лесу (часть которой быстро возвращается, так как осадки, выпавшие на уровне земли в виде дождя). Плотность растительности снижает температуру на уровне земли (тем самым уменьшая потери из-за испарения с поверхности) и снижает скорость ветра (тем самым уменьшая потерю влаги, переносимой по воздуху). Комбинированный эффект приводит к увеличению стока поверхностных водотоков и повышению уровня грунтовых вод при сохранении тропических лесов. Расчистка тропических лесов часто приводит к опустыниванию по мере повышения температуры на уровне земли, потери или преднамеренного уничтожения растительного покрова в результате расчистки и сжигания, уменьшения влажности почвы ветром, а почвы легко разрушаются сильным ветром и дождями.

На неорошаемых территориях фактическое суммарное испарение обычно не превышает количества осадков , с некоторым временным буфером в зависимости от способности почвы удерживать воду. Обычно она будет меньше, потому что некоторая часть воды будет потеряна из-за просачивания или поверхностного стока. Исключение составляют районы с высоким уровнем грунтовых вод , где капиллярное действие может вызвать подъем воды из грунтовых вод через матрицу почвы на поверхность. Если потенциальная эвапотранспирация превышает фактическое количество осадков, почва высыхает, если не используется орошение .

Эвапотранспирация никогда не может быть больше, чем потенциальная эвапотранспирация ( ), но может быть ниже, если недостаточно воды для испарения или растения не могут легко испаряться.

Ссылки [ править ]

1. Benjamin Cummins (2007), биологических наук (3 -е изд.), Freeman, Скотт, стр. 215
2. ↑ Taiz, Lincoln (2015). Физиология и развитие растений . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc. стр. 101. ISBN 978-1-60535-255-8.
3. Фриман, Скотт (2014). Биологические науки . Соединенные Штаты Америки: Пирсон. С. 765–766. ISBN 978-0-321-74367-1.
4. Simon, EJ, Dickey, JL, & Reece, JB (2019). Эссенциальная биология Кэмпбелла. 7-й Нью-Йорк: Пирсон
5. ↑ Graham, Linda E. (2006). Биология растений . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси 07458: Pearson Education, Inc., стр. 200–202. ISBN 978-0-13-146906-8.
6. Мелландер, Пер-Эрик; Епископ, Кевин; Лундмарк, Томас (28 июня 2004 г.). «Влияние температуры почвы на транспирацию: изменение масштаба участка в молодом насаждении сосны обыкновенной». Экология и управление лесами . 195 (1): 15–28. DOI . ISSN .
7. Мартин, J .; Леонард, В .; Стэмп, Д. (1976), Принципы выращивания полевых культур (3-е изд.), Нью-Йорк: Macmillan Publishing Co., ISBN 978-0-02-376720-3
8. Ясечко, Скотт; Sharp, Zachary D .; Гибсон, Джон Дж .; Биркс, С. Жан; Йи, Йи; Фосетт, Питер Дж. (3 апреля 2013 г.). «В наземных водных потоках преобладает транспирация». Природа . 496 (7445): 347–50. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
9. Evaristo, Jaivime; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (2015-09-03). «Глобальное отделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Природа . 525 (7567): 91–94. Bibcode . DOI . ISSN . PMID . S2CID .
10. Боуэн, Габриэль (2015-09-03). «Гидрология: многоотраслевая экономика почвенных вод». Природа . 525 (7567): 43–44. Bibcode . DOI . ISSN . PMID . S2CID .
11. Чжан, Юн-Цзян (декабрь 2016 г.). . Физиология растений . 172 (4): 2261–2274. DOI . PMC . PMID .
12. ↑ Hochberg, Uri (июнь 2017). . Физиология растений . 174 (2): 764–775. DOI . PMC . PMID .
13. ^ Холбрук, Мишель (май 2001 г.). . Физиология растений . 126 (1): 27–31. DOI . PMC . PMID .
14. Tiaz, Lincoln (2015). Физиология и развитие растений . Массачусетс: Sinauer Associates, Inc., стр. 63. ISBN 978-1605352558.

Транспирация

Завершающей частью водного обмена растений является транспирация, или испарение воды листьями, то есть верхний двигатель тока воды в растении. Это явление с физической стороны представляет собой процесс перехода воды в парообразное состояние и диффузию образовавшегося пара в окружающее пространство.

Транспирация выполняет в растении следующие основные функции:

это верхний двигатель тока воды,

это защита от перегрева,

это нормализация функционирования коллоидных систем клеток листа.

Показатели транспирации

Транспирация характеризуется следующими показателями: интенсивностью, продуктивностью и коэффициентом.

Интенсивность транспирации — это количество воды, испаряемой растением с единицы листовой поверхности в единицу времени. Выражается формулой:

Т_р= С г Н₂О _

r м2.1час,

где Т_{р —} интенсивность транспирации, С — градиент концентрации водяного пара между транспирирующей поверхностью и окружающим воздухом, r — сумма диффузионных сопротивлений листа (устьичного, кутикулярного и сопротивления пограничного слоя).

Сопротивление пограничного слоя зависит от ветра, при отсутствии ветра оно максимально, чем больше ветер, тем оно меньше.

Устьичное диффузионное сопротивление зависит от степени открытия устьиц.

Кутикулярное диффузионное сопротивлениезависит от толщины кутикулярного слоя, чем она больше, тем больше сопротивление.

Продуктивность транспирации — это количество созданного сухого вещества на 1 кг транспирированной воды. В среднем эта величина равна 3 г/1 кг воды.

Транспирационный коэффициент показывает сколько воды растение затрачивает на построение единицы сухого вещества, т.е. этот показатель является величиной, обратной продуктивности транспирации и в среднем равен 300, т.е. на производство 1 тонны урожая затрачивается 300 тонн воды.

Очень важным моментом в процессе транспирации является действие абиотических факторов окружающей среды: влажности атмосферного воздуха и температуры воздуха.

Чем менее влажен атмосферный воздух, т.е. чем меньше его водный потенциал, тем интенсивнее будет идти транспирация. При 100% влажности воздуха его водный потенциал равен нулю. Уже при снижении влажности воздуха на 1-2% его водный потенциал становится отрицательной величиной, а при снижении влажности воздуха до 50% показатель водного потенциала выражается отрицательной величиной порядка 2-3 сотен бар в зависимости от температуры воздуха. При этом в клетках листьев показатель водного потенциала, как правило, выше нуля, поэтому диффундирование воды из межклетников в атмосферу наблюдается почти всегда.

Чем выше температура воздуха, тем выше будет и температура листа, при этом температура внутри клеток листа может быть на 10оС выше, чем в атмосфере. Происходит нагрев воды, находящейся в листе, что также способствует процессу испарения.

Заключение

В первую очередь эта информация важна для тех, кто гонит самогон из зерна или ягод/фруктов. Для тех же, кто делает самогон из сахара эта информации менее актуальна. Ну обо всем по порядку.

Сахар

Тут все просто. В сахарном самогоне нет вкусоароматики которую необходимо сохранить. Поэтому смело чистим его всевозможными способами. К счастью сивушные масла очень хорошо поглощаются углем и маслом, особенно при низких концентрациях этилового спирта (10-15%)

Также очень важно делать качественную брагу — создавать дрожжам комфортные условия (температуру, подкормку, гидромодуль). Чем быстрее брага отбродит, тем меньше в ней накопится побочных примесей

Ну или, если есть возможность, отправлять на ректификацию.

Зерно, ягоды/фрукты и т.д.

Здесь все сложнее. Такой самогон обычно не чистят, дабы не навредить его вкусовым качествам. Чтобы их сохранить необходимо проводить правильную дробную дистилляцию — оставлять «вкусняшки», а гадости сливать в канализацию. Такие способы перегонки существуют, но я пока не имею практического опыта их применения. Когда попробую на себе — обязательно расскажу.

Всем пока, Дорофеев Павел.