Na całkowity potencjał wodny może wpływać wiele różnych czynników, a suma tych potencjałów określa ogólny potencjał wodny i kierunek przepływu wody:
Ψ = Ψ 0 + Ψ π + Ψ p + Ψ s + Ψ v + Ψ m {\ Displaystyle \ Psi = \ Psi _ {0} + \ Psi _ {\ pi} + \ Psi _ {p} + \ Psi _ {s} + \ Psi _ {v} + \ Psi _ {m}}
gdzie:
Wszystkie te czynniki są określane ilościowo jako potencjalne energie na jednostkę objętości, a różne podzbiory tych terminów mogą być używane do określonych zastosowań ( np. rośliny lub gleby). Różne warunki są również definiowane jako referencyjne w zależności od zastosowania: na przykład w glebie warunek odniesienia jest zwykle definiowany jako czysta woda na powierzchni gleby.
Potencjał ciśnieniaEdytuj
Potencjał ciśnienia opiera się na ciśnieniu mechanicznym i jest ważnym składnikiem całkowitego potencjału wodnego w komórkach roślinnych. Potencjał ciśnienia rośnie, gdy woda dostaje się do komórki. Gdy woda przechodzi przez ścianę komórkową i błonę komórkową, zwiększa całkowitą ilość wody obecnej wewnątrz komórki, która wywiera ciśnienie na zewnątrz, któremu przeciwstawia się sztywność strukturalna ściany komórkowej. Wytwarzając to ciśnienie, roślina może utrzymać turgor, który pozwala roślinie zachować sztywność. Bez turgoru rośliny stracą strukturę i więdną.
Potencjał ciśnienia w komórce roślinnej jest zwykle dodatni. W komórkach poddanych plazmolizie potencjał ciśnienia jest prawie zerowy. Potencjały podciśnienia występują, gdy woda jest wciągana przez system otwarty, taki jak naczynie z ksylemem roślinnym. Wytrzymanie podciśnienia (często nazywanego napięciem) jest ważną adaptacją ksylemu. To napięcie można zmierzyć empirycznie za pomocą bomby ciśnieniowej.
Potencjał osmotyczny (potencjał substancji rozpuszczonej) Edytuj
Czysta woda jest zwykle definiowana jako mająca potencjał osmotyczny (Ψ π {\ Displaystyle \ Psi _ {\ pi}}) od zera, w tym przypadku potencjał substancji rozpuszczonej nigdy nie może być dodatni. Zależność stężenia substancji rozpuszczonej (w molarności) do potencjału substancji rozpuszczonej określa równanie van „t Hoffa:
Ψ π = – M ja RT {\ Displaystyle \ Psi _ {\ pi} = – MiRT}
gdzie M {\ Displaystyle M} to stężenie w molarności substancji rozpuszczonej, ja {\ Displaystyle i} to van „t Hoff czynnik, stosunek ilości cząstek w roztworze do ilości rozpuszczonych jednostek formuły, R {\ Displaystyle R } to idealna stała gazu, a T {\ displaystyle T} to absolutna temperatura.
Woda dyfunduje przez membranę osmotyczną do miejsca, w którym potencjał wody jest niższy
Na przykład, gdy substancja rozpuszczona jest w wodzie, cząsteczki wody są mniej podatne na dyfuzję przez osmozę niż wtedy, gdy nie jest substancją rozpuszczoną. Roztwór będzie miał niższy, a zatem bardziej ujemny potencjał wody niż czysta woda. Co więcej, im więcej jest cząsteczek substancji rozpuszczonej, tym bardziej ujemny jest potencjał substancji rozpuszczonej.
Potencjał osmotyczny ma ważne konsekwencje dla wielu organizmów żywych. Jeśli żywa komórka jest otoczona bardziej stężonym roztworem, komórka będzie miała tendencję do utraty wody na rzecz bardziej ujemnego potencjału wody (Ψ w {\ Displaystyle \ Psi _ {w}}) otaczającego środowiska. Może tak być w przypadku organizmów morskich żyjących w wodzie morskiej i roślin halofitycznych rosnących w środowisku zasolonym. W przypadku komórki roślinnej wypływ wody z komórki może ostatecznie spowodować oderwanie się błony plazmatycznej od ściany komórkowej, co prowadzi do plazmolizy. Jednak większość roślin ma zdolność zwiększania ilości substancji rozpuszczonej w komórce, aby napędzać przepływ wody do komórki i utrzymać turgor.
Ten efekt można wykorzystać do zasilania elektrowni osmotycznej.
Roztwór glebowy również wykazuje potencjał osmotyczny. Potencjał osmotyczny jest możliwy dzięki obecności w roztworze glebowym zarówno nieorganicznych, jak i organicznych substancji rozpuszczonych. Ponieważ cząsteczki wody coraz bardziej zbierają się wokół jonów lub cząsteczek rozpuszczonych, swoboda ruchu, a tym samym energia potencjalna wody, jest zmniejszona. Wraz ze wzrostem stężenia substancji rozpuszczonych zmniejsza się potencjał osmotyczny roztworu glebowego. Ponieważ woda ma tendencję do poruszania się w kierunku niższych poziomów energii, będzie chciała przemieszczać się w kierunku strefy o wyższych stężeniach substancji rozpuszczonych. Chociaż woda w stanie ciekłym będzie się poruszać tylko w odpowiedzi na takie różnice w potencjale osmotycznym, jeśli między strefami o wysokim i niskim potencjale osmotycznym istnieje półprzepuszczalna membrana. Membrana półprzepuszczalna jest konieczna, ponieważ przepuszcza wodę przez swoją membranę, jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się substancji rozpuszczonych przez membranę. Jeśli nie ma membrany, ruch substancji rozpuszczonej, a nie wody, w znacznym stopniu wyrównuje stężenia.
Ponieważ obszary gleby zwykle nie są podzielone membraną półprzepuszczalną, potencjał osmotyczny ma zwykle znikomy wpływ na masowy ruch wody w glebach. Z drugiej strony potencjał osmotyczny ma ogromny wpływ na szybkość pobierania wody przez rośliny.Jeśli gleby są bogate w rozpuszczalne sole, potencjał osmotyczny będzie prawdopodobnie niższy w roztworze glebowym niż w komórkach korzeni roślin. W takich przypadkach roztwór glebowy poważnie ograniczyłby szybkość pobierania wody przez rośliny. W glebach zasolonych potencjał osmotyczny wody glebowej może być tak niski, że komórki młodych sadzonek zaczynają się zapadać (plazmoliza).
Potencjał matrycy (potencjał matryczny) Edytuj
Kiedy woda jest w kontakcie z cząstkami stałymi (np. cząstkami gliny lub piasku w glebie), adhezyjne siły międzycząsteczkowe między wodą a ciałem stałym mogą być duże i ważne. Siły między cząsteczkami wody i cząstkami stałymi w połączeniu z przyciąganiem między cząsteczkami wody sprzyjają napięciu powierzchniowemu i tworzeniu łąkotek w stałej matrycy. Do złamania tych łąkotek potrzebna jest wtedy siła. Wielkość potencjału macierzy zależy od odległości między cząstkami stałymi – szerokości łąkotek (także działania kapilarnego i różnych Pa na końcach kapilary) – i składu chemicznego stałej matrycy (łąkotki, makroskopowy ruch spowodowany przyciąganiem jonów).
W wielu przypadkach bezwzględna wartość potencjału matrycy może być stosunkowo duża w porównaniu z innymi składowymi potencjału wody omówionymi powyżej. Potencjał matrycy znacznie obniża stan energetyczny wody w pobliżu powierzchni cząstek. Chociaż ruch wody ze względu na potencjał matrycy może być powolny, nadal jest niezwykle ważny w dostarczaniu wody do korzeni roślin oraz w zastosowaniach inżynieryjnych. Potencjał matrycy jest zawsze ujemny, ponieważ woda przyciągana przez matrycę gleby ma stan energetyczny niższy niż czysta woda. Potencjał matrycowy występuje tylko w nienasyconej glebie powyżej lustra wody. Jeśli potencjał matrycy zbliża się do wartości zerowej, prawie wszystkie pory gleby są całkowicie wypełnione wodą, tj. W pełni nasycone i mają maksymalną zdolność retencyjną. Potencjał macierzy może się znacznie różnić w zależności od gleby. W przypadku, gdy woda spływa do mniej wilgotnych stref gleby o podobnej porowatości, potencjał matrycy mieści się na ogół w zakresie od -10 do -30 kPa.