Пористость

Пористость или доля пустот - это мера пустот (т. Е. «Пустот») в материале , и это часть объема пустот от общего объема, от 0 до 1, или в процентах от 0% до 100%. . Строго говоря, некоторые тесты измеряют «доступную пустоту», общий объем пустого пространства, доступного с поверхности (см. Пену с закрытыми порами ).

Есть много способов проверить пористость вещества или детали, например, промышленное КТ-сканирование .

Термин пористость используется во многих областях, включая фармацевтику , керамику , металлургию , материалы , производство , гидрологию , науки о Земле , механику почв и инженерию .

Пустотная фракция в двухфазном потоке [ править ]

В газожидкостном двухфазном потоке пустотная доля определяется как доля объема проточного канала, которая занята газовой фазой, или, альтернативно, как доля площади поперечного сечения канала, которая занята газовая фаза. ^[1]

Доля пустот обычно изменяется от места к месту в канале потока (в зависимости от схемы двухфазного потока). Он колеблется со временем, и его значение обычно усредняется по времени. В разделенном (т. Е. Неоднородном ) потоке это связано с объемными расходами газа и жидкой фазы, а также с отношением скоростей двух фаз (так называемым коэффициентом скольжения ).

Пористость в науках о Земле и строительстве [ править ]

Используемая в геологии , гидрогеологии , почвоведении и строительстве , пористость пористой среды (такой как горная порода или отложения ) описывает долю пустого пространства в материале, где пустота может содержать, например, воздух или воду. Он определяется соотношением :

${\ Displaystyle \ phi = {\ гидроразрыва {V _ {\ mathrm {V}}} {V _ {\ mathrm {T}}}}}$

где V _V - объем пустого пространства (например, жидкости), а V _T - общий или объемный объем материала, включая твердые и пустые компоненты. Оба математических символа и используются для обозначения пористости.${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle n}$

Пористость - это доля от 0 до 1, обычно от менее 0,005 для твердого гранита до более 0,5 для торфа и глины .

Пористость породы или осадочного слоя является важным фактором при попытке оценить потенциальный объем воды или углеводородов, который он может содержать. Осадочная пористость является сложной функцией многих факторов, включая, помимо прочего, скорость захоронения, глубину захоронения, природу связанных флюидов , характер вышележащих отложений (которые могут препятствовать вытеснению флюида). Одно обычно используемое соотношение между пористостью и глубиной дается уравнением Athy (1930): ^[2]

${\ Displaystyle \ фи (г) = \ фи _ {0} е ^ {- kz} \,}$

где - пористость поверхности, - коэффициент уплотнения (м ^-1 ) и - глубина (м).${\ displaystyle \ phi _ {0}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle z}$

Значение пористости , альтернативно , может быть рассчитана из объемной плотности , насыщающей плотности жидкости и плотности частиц :${\ displaystyle \ rho _ {\ text {bulk}}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {\ text {жидкость}}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {\ text {частица}}}$

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ rho _ {\ text {Particle}} - \ rho _ {\ text {bulk}}} {\ rho _ {\ text {Particle}} - \ rho _ {\ text {жидкость}}}}}$

Если пустое пространство заполнено воздухом, можно использовать следующую более простую форму:

${\displaystyle \phi =1-{\frac {\rho _{\text{bulk}}}{\rho _{\text{particle}}}}}$

Предполагается, что нормальная плотность частиц составляет приблизительно 2,65 г / см ³ ( кремнезем ), хотя лучшую оценку можно получить, исследуя литологию частиц.

Пористость и гидравлическая проводимость [ править ]

Пористость может быть пропорциональна гидравлической проводимости ; для двух одинаковых песчаных водоносных горизонтов один с более высокой пористостью обычно имеет более высокую гидравлическую проводимость(больше открытого пространства для потока воды), но в этих отношениях есть много сложностей. Основная сложность состоит в том, что существует не прямая пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью, а скорее предполагаемая пропорциональность. Существует четкая пропорциональность между радиусом порового канала и гидравлической проводимостью. Кроме того, существует тенденция пропорциональности между радиусом канала поры и объемом поры. Если существует пропорциональность между радиусами порового канала и пористостью, тогда может существовать пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Однако по мере того, как размер зерен или их сортировка уменьшаются, пропорциональность между радиусом канала поры и пористостью начинает нарушаться, и, следовательно, пропорциональность между пористостью и гидравлической проводимостью. Например:глины обычно имеют очень низкую гидравлическую проводимость (из-за их малого радиуса порового канала), но также имеют очень высокую пористость (из-за структурной природыглинистые минералы ), что означает, что глины могут удерживать большой объем воды на объем сыпучего материала, но они не выделяют воду быстро и, следовательно, имеют низкую гидравлическую проводимость.

Сортировка и пористость [ править ]

Хорошо отсортированные (зерна примерно одного размера) материалы имеют более высокую пористость, чем плохо отсортированные материалы аналогичного размера (где более мелкие частицы заполняют промежутки между более крупными частицами). На графике показано, как некоторые более мелкие зерна могут эффективно заполнять поры (где происходит весь поток воды), резко уменьшая пористость и гидравлическую проводимость, при этом составляя лишь небольшую часть от общего объема материала. Таблицы общих значений пористости для грунтовых материалов см. В разделе «Дополнительная литература» статьи по гидрогеологии .

Пористость горных пород [ править ]

Консолидированные породы (например, песчаник , сланец , гранит или известняк ) потенциально имеют более сложную «двойную» пористость по сравнению с аллювиальными отложениями . Ее можно разделить на связанную и несвязанную пористость. Связанную пористость легче измерить через объем газа или жидкости, который может втекать в породу, тогда как жидкости не могут получить доступ к несвязанным порам.

Пористость - это отношение объема поры к ее общему объему. Пористость контролируется: типом породы, распределением пор, цементацией, диагенетической историей и составом. Пористость не зависит от размера зерна, так как объем межзеренного пространства связан только с методом упаковки зерна.

Пористость пород обычно уменьшается с возрастом и глубиной захоронения. Песчаники третичного возраста на побережье Мексиканского залива в целом более пористые, чем песчаники кембрийского возраста. Из этого правила есть исключения, обычно из-за глубины захоронения и термической истории.

Пористость почвы [ править ]

Пористость поверхности почвы обычно уменьшается с увеличением размера частиц. Это происходит из-за образования почвенных агрегатов в почвах с более мелкой текстурой под действием биологических процессов в почве . Агрегация предполагает прилипание частиц и более высокую устойчивость к уплотнению. Типичная насыпная плотность песчаного грунта составляет от 1,5 до 1,7 г / см ³ . Расчетная пористость составляет от 0,43 до 0,36. Типичная насыпная плотность глинистого грунта составляет от 1,1 до 1,3 г / см ³ . Расчетная пористость составляет от 0,58 до 0,51. Это кажется нелогичным, потому что глинистые почвы называют тяжелыми , что подразумевает более низкую пористость. Тяжелая, по-видимому, относится к гравитационной влажностиэффект в сочетании с терминологией, которая восходит к относительной силе, необходимой для протягивания почвообрабатывающего агрегата через глинистую почву при влажности поля по сравнению с песком.

Пористость подповерхностного грунта ниже, чем поверхностного из-за уплотнения под действием силы тяжести. Пористость 0,20 считается нормальной для несортированного гравийного материала на глубине ниже биомантии . Можно ожидать, что пористость в более мелком материале ниже совокупного влияния почвообразования приблизится к этому значению.

Пористость почвы сложна. Традиционные модели рассматривают пористость как непрерывную. Это не учитывает аномальные особенности и дает только приблизительные результаты. Более того, он не может помочь в моделировании влияния факторов окружающей среды, влияющих на геометрию пор. Был предложен ряд более сложных моделей, включая фракталы , теорию пузырьков, теорию растрескивания , булев процесс зерна, упакованную сферу и множество других моделей. Определение характеристик порового пространства в почве является связанным понятием.

Типы геологической пористости [ править ]

Первичная пористость

Основная или исходная система пористости в породах или безнапорных россыпях .

Вторичная пористость

Последующая или отдельная система пористости в породе, часто увеличивающая общую пористость породы. Это может быть результатом химического выщелачивания минералов или образования системы трещин. Это может заменить первичную пористость или сосуществовать с ней (см. Двойную пористость ниже).

Пористость трещин

Это пористость, связанная с системой трещин или разломом. Это может создать вторичную пористость в породах, которые в противном случае не были бы резервуарами для углеводородов из-за того, что их первичная пористость была разрушена (например, из-за глубины залегания), или из-за типа породы, обычно не считающегося резервуаром (например, изверженные интрузии или метаосадки).

Волнистая пористость

Это вторичная пористость, возникающая в результате растворения в карбонатных породах крупных объектов (таких как макрофоссилий ), оставляющих большие отверстия, каверны или даже пещеры .

Эффективная пористость (также называемая открытой пористостью )

Относится к доле от общего объема, в которой происходит эффективный поток жидкости, и включает в себя цепные и тупиковые (поскольку эти поры нельзя промыть, но они могут вызвать движение жидкости за счет сброса давления, например расширения газа ^[3] ), поры и исключает закрытые поры (или несвязанные полости). Это очень важно для подземных вод и нефтяных потоков, а также для переноса растворенных веществ.

Неэффективная пористость (также называемая закрытой пористостью )

Относится к части общего объема, в которой присутствуют текучие среды или газы, но в котором поток текучей среды не может происходить эффективно, и включает закрытые поры. Таким образом, понимание морфологии пористости очень важно для подземных вод и нефтяных потоков.

Двойная пористость

Относится к концептуальной идее о том, что есть два перекрывающихся резервуара, которые взаимодействуют. В водоносных горизонтах трещиноватых горных пород массив горных пород и трещины часто моделируются как два перекрывающихся, но разных тела. Решения с задержкой дебита и протекающим водоносным горизонтом являются математически подобными решениями, полученными для двойной пористости; во всех трех случаях вода поступает из двух математически разных резервуаров (независимо от того, различны они физически или нет).

Макропористость

В твердых телах (то есть за исключением агрегированных материалов, таких как почвы) термин «макропористость» относится к порам более 50  нм в диаметре. Течение через макропоры описывается объемной диффузией.

Мезопористость

В твердых телах (т.е. исключая агрегированные материалы, такие как почвы) термин «мезопористость» относится к порам размером более 2 нм и менее 50 нм в диаметре. Течение через мезопоры описывается диффузией Кнудсена.

Микропористость

В твердых телах (то есть за исключением агрегированных материалов, таких как почвы) термин «микропористость» относится к порам диаметром менее 2 нм. Движение в микропорах активируется диффузией.

Пористость ткани или аэродинамическая пористость [ править ]

Отношение отверстий к твердому телу, которое «видит» ветер. Аэродинамическая пористость меньше визуальной на величину, которая зависит от сужения отверстий.

Пористость литья под давлением [ править ]

Пористость отливки является следствием одного или нескольких из следующих факторов: газификация загрязняющих веществ при температурах расплавленного металла; усадка, происходящая при затвердевании расплавленного металла; и неожиданные или неконтролируемые изменения температуры или влажности.

Хотя пористость присуща производству литья под давлением, ее наличие может привести к отказу компонентов, где целостность давления является критической характеристикой. Пористость может принимать различные формы: от взаимосвязанной микропористости, складок и включений до макропористости, видимой на поверхности детали. Конечным результатом пористости является создание пути утечки через стенки отливки, который не позволяет детали выдерживать давление. Пористость также может привести к выделению газов в процессе окраски, выщелачиванию кислот для покрытия и вибрации инструмента при обработке штампованных металлических деталей. ^[4]

Измерение пористости [ править ]

Для измерения пористости можно использовать несколько методов:

• Прямые методы (определение общего объема пористого образца, а затем определение объема скелетного материала без пор (объем пор = общий объем - объем материала).
• Оптические методы (например, определение площади материала по сравнению с площадью пор, видимых под микроскопом). Для пористых сред со случайной структурой «площадная» и «объемная» пористости равны. ^[5]
• Метод компьютерной томографии (с использованием промышленного КТ-сканирования для создания трехмерной визуализации внешней и внутренней геометрии, включая пустоты. Затем выполняется анализ дефектов с использованием компьютерного программного обеспечения)
• Методы пропитывания ^[5], т.е. погружение пористого образца под вакуумом в жидкость, которая преимущественно смачивает поры.
  • Метод водонасыщения (объем пор = общий объем воды - объем воды, оставшейся после замачивания).
• Метод испарения воды (объем пор = (вес насыщенного образца - вес высушенного образца) / плотность воды)
• Ртуть вторжений порометрии (несколько методов , не содержащие ртути вторжения были разработаны в связи с токсикологических проблем, а также тот факт , что ртуть имеет тенденцию образовывать амальгамы с несколькими металлов и сплавов).
• Метод расширения газа. ^[5] Образец известного насыпного объема помещается в контейнер известного объема. Он соединен с другим контейнером с известным объемом, который откачивается (то есть с давлением, близким к вакууму). Когда клапан, соединяющий два контейнера, открывается, газ проходит из первого контейнера во второй, пока не будет достигнуто равномерное распределение давления. Используя закон идеального газа , объем пор рассчитывается как

${\displaystyle V_{V}=V_{T}-V_{a}-V_{b}{P_{2} \over {P_{2}-P_{1}}}}$,

куда

V _V - эффективный объем пор,

V _T - насыпной объем образца,

V _a - объем емкости, содержащей образец,

V _b - объем откачиваемой емкости,

P ₁ - начальное давление при начальном давлении в объемах V _a и V _V , а

P ₂ - это конечное давление во всей системе.

Пористость прямо следует из ее правильного определения.

${\displaystyle \phi ={\frac {V_{V}}{V_{T}}}}$.

Обратите внимание, что этот метод предполагает, что газ сообщается между порами и окружающим объемом. На практике это означает, что поры не должны быть закрытыми полостями.

• Термопорозиметрия и криопорометрия. Небольшой кристалл жидкости плавится при более низкой температуре, чем объем жидкости, как задается уравнением Гиббса-Томсона . Таким образом, если жидкость впитать в пористый материал и заморозить, температура плавления предоставит информацию о распределении пор по размерам. Обнаружение плавления может быть выполнено путем измерения переходных тепловых потоков во время фазовых переходов с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии - (термопорометрия ДСК) ^[6], измерения количества подвижной жидкости с помощью ядерного магнитного резонанса - (криопорометрия ЯМР) ^[7] или измерение амплитуды рассеяния нейтронов от впитавшейся кристаллической или жидкой фаз - (криопорометрия ND).^[8]

См. Также [ править ]

• Коэффициент пустоты
• Нефтяная геология
• Поромеханика
• Объемная плотность
• Плотность частиц (плотность упаковки)
• Плотность упаковки
• Пустота (композиты)
• Когерентная дифракционная визуализация

Ссылки [ править ]

• Гласби, Калифорния; GW Horgan; Дж. Ф. Дарбишир (сентябрь 1991 г.). «Анализ изображений и трехмерное моделирование пор в почвенных агрегатах». Журнал почвоведения . 42 (3): 479–86. DOI : 10.1111 / j.1365-2389.1991.tb00424.x .
• Хорган, GW; BC Ball (1994). «Моделирование диффузии в булевой модели пор почвы». Европейский журнал почвоведения . 45 (4): 483–91. DOI : 10.1111 / j.1365-2389.1994.tb00534.x .
• Хорган, Грэм В. (1996-10-01). «Обзор моделей почвенных пор» (PDF) . Проверено 16 апреля 2006 . Cite journal requires |journal= (help)
• Хорган, GW (июнь 1998 г.). «Математическая морфология для анализа изображений почв». Европейский журнал почвоведения . 49 (2): 161–73. DOI : 10.1046 / j.1365-2389.1998.00160.x .
• Хорган, GW (февраль 1999 г.). «Исследование геометрических влияний на диффузию порового пространства». Геодермия . 88 (1–2): 55–71. Bibcode : 1999Geode..88 ... 55H . DOI : 10.1016 / S0016-7061 (98) 00075-5 .
• Нельсон, Дж. Рой (январь 2000 г.). «Физика пропитки» (PDF) . Микроскопия сегодня . 8 (1): 24. DOI : 10,1017 / S1551929500057114 . Архивировано из оригинального (PDF) 27 февраля 2009 года.
• Рукероль, Жан (декабрь 2011 г.). «Проникновение жидкости и альтернативные методы определения характеристик макропористых материалов (Технический отчет IUPAC) *» (PDF) . Pure Appl. Chem . 84 (1): 107–36. DOI : 10.1351 / pac-rep-10-11-19 . S2CID  10472849 .

Сноски [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Расчет абсолютной и эффективной пористости
• пористость
• [1]