Na virada do século passado, o Bureau of Soils (BOS) do USDA recrutou vários físicos puros para resolver problemas desconcertantes na agricultura. Um deles foi Edgar Buckingham. Quando Buckingham chegou ao Bureau of Soils em 1902, ele já era autor de um texto sobre termodinâmica. Seus primeiros experimentos no BOS envolviam o transporte de gás em solos, mas, por fim, ele passou a considerar o problema do fluxo de água não saturada no solo, e foi nesse ponto que ele fez sua maior contribuição para a física do solo.
Como um físico clássico, Buckingham usou a matemática para examinar os mistérios e a confusão em torno de como a água flui no solo. Percebendo que o conteúdo de água não impulsionava o fluxo em um solo não saturado, o desafio de Buckingham era descrever as forças que o faziam. Ele estava naturalmente familiarizado com os campos de força elétrica e térmica e com o fluxo que eles criavam. Esses conceitos eram análogos confortáveis para a força motriz criada no solo por gradientes no que ele chamou de "condutividade capilar". Buckingham usou as leis de Ohm e de Fourier para descrever esse fluxo.
Embora Edgar Buckingham tenha descrito e demonstrado a "condutividade capilar" em 1907, ele estava muito longe de conseguir medi-la de forma eficaz. O primeiro instrumento a fazer isso foi a placa de pressão criada por L.A. Richards na década de 1930. Uma placa de pressão não mede o potencial de água (sucção do solo) de uma amostra. Em vez disso, ela leva uma amostra a um potencial hídrico específico. O instrumento aplica pressão para forçar a água a sair da amostra e entrar em uma placa de cerâmica porosa. Quando a amostra atinge o equilíbrio, seu potencial hídrico será teoricamente equivalente à pressão aplicada.
Quando as amostras de solo atingem um potencial hídrico específico sob pressão, o pesquisador pode medir o conteúdo de água correlacionado. Uma característica de umidade do solo pode ser feita por meio dessas medições em diferentes pressões.
Mais de uma década após a introdução da placa de pressão, L. A. Richards, nos EUA, e John Monteith, na Grã-Bretanha, publicaram artigos descrevendo como um psicrômetro de termopar poderia ser usado para medir o potencial hídrico de amostras de solo equilibrando a amostra com vapor em uma câmara fechada e medindo a umidade relativa do vapor. No equilíbrio, a umidade relativa do vapor está diretamente relacionada ao potencial hídrico da amostra.
O termo psicrômetro, cunhado em 1818 pelo inventor alemão Ernst Ferdinand August (1795-1870), significa "medidor de frio" em grego. Um psicrômetro é feito de dois termômetros idênticos. Um (o bulbo seco) é mantido seco, enquanto o outro (o bulbo úmido) é mantido saturado. A diferença de temperatura entre o bulbo úmido e o bulbo seco pode ser usada para calcular a umidade relativa do ar.
Os primeiros psicrômetros usados para medir a umidade relativa acima de uma amostra de solo eram necessariamente muito pequenos. Os dois termômetros eram feitos de termopares minúsculos e frágeis. Um termopar é um sensor de temperatura feito de dois condutores diferentes unidos em um ponto. O termopar converte um gradiente de temperatura em eletricidade, que pode ser medida para determinar as mudanças de temperatura.
Os psicrômetros de termopar foram usados com sucesso pela primeira vez para medir o potencial da água por D.C. Spanner antes de 1951, mas era uma medição difícil de fazer. Para obter os resultados desejados, Spanner teve que fabricar seu próprio fio de antimônio de bismuto - de acordo com John Monteith, uma capela de exaustão em Rothamsted exibiu as marcas desses experimentos por muitos anos.
Outros tiveram dificuldades para repetir suas medições. As amostras levavam até uma semana para se equilibrarem e, então, os frágeis termopares frequentemente liam apenas uma amostra antes de se quebrarem. Ainda assim, em 1961, Richards viu claramente os métodos de vapor como o futuro das medições de potencial hídrico (Richards e Ogata, 1961).
A Decagon (agora METER) lançou seu primeiro psicrômetro de termopar comercial (o SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, mais tarde TruPsi) em 1983. Esse instrumento usava um termopar delicado, mas o protegia dentro de um compartimento selado. Nove amostras foram equilibradas simultaneamente e giradas sob o termopar a ser medido.
Antes de cada medição, o termopar de bulbo úmido era mergulhado em um pequeno reservatório de água. A saída elétrica do termopar era enviada a um nanovoltímetro, que precisava ser monitorado para determinar quando as temperaturas paravam de mudar.
No final da década de 1990, a Decagon (agora METER) começou a produzir o Potenciômetro de Ponto de Orvalho WP4C , um método aprimorado para medir o potencial da água usando a pressão de vapor. Assim como o psicrômetro, ele mede a pressão de vapor acima de uma amostra selada dentro de uma câmara. Ambos os instrumentos são métodos primários baseados em princípios termodinâmicos.
Diferentemente do psicrômetro, o potenciômetro de ponto de orvalho usa um sensor de ponto de orvalho com espelho resfriado. Um pequeno espelho na câmara é resfriado até que o orvalho comece a se formar sobre ele. No ponto de orvalho, o WP4C mede as temperaturas do espelho e da amostra com precisão de 0,001 °C para determinar a umidade relativa do vapor acima da amostra. O potencial de água da amostra é linearmente relacionado à diferença entre a temperatura da amostra e a temperatura do ponto de orvalho.
O sensor de ponto de orvalho tem várias vantagens. Ele é mais rápido e fornece medições precisas mesmo quando o operador é relativamente inexperiente. Além disso, o sensor de espelho resfriado não requer adição de água e, portanto, não aumenta o teor de água do vapor acima da amostra.
Essa medição tem a vantagem de ser um método primário para determinar o potencial hídrico com base sólida em princípios termodinâmicos, e não em calibração.
A versão mais recente desse instrumento pode resolver temperaturas de até um milésimo de grau, possibilitando a medição de amostras tão úmidas quanto -0,5 MPa com excelente precisão.
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