Pórovitost - Porosity

Pórovitost nebo prázdná frakce je mírou prázdných (tj. „Prázdných“) prostorů v materiálu a představuje zlomek objemu dutin v celém objemu, mezi 0 a 1, nebo jako procento mezi 0% a 100% . Přesně řečeno, některé testy měří „přístupnou prázdnotu“, celkové množství prázdného prostoru přístupného z povrchu (srov. Pěna s uzavřenými buňkami ).

Existuje mnoho způsobů, jak testovat porozitu v látce nebo části, například průmyslové CT skenování .

Termín pórovitost se používá ve více oborech, včetně farmaceutiky , keramiky , metalurgie , materiálů , výroby , petrofyziky , hydrologie , věd o Zemi , mechaniky půdy a strojírenství .

Prázdná frakce ve dvoufázovém toku

U dvoufázového toku plyn-kapalina je prázdná frakce definována jako podíl objemu průtokového kanálu, který je obsazen plynnou fází, nebo alternativně jako podíl plochy průřezu kanálu, který je obsazen plynná fáze.

Frakce dutin se obvykle liší od místa k umístění v průtokovém kanálu (v závislosti na dvoufázovém toku). Kolísá s časem a jeho hodnota je obvykle průměrována časem. V odděleném (tj. Nehomogenním ) proudění souvisí s objemovými průtoky plynu a kapalné fáze a s poměrem rychlosti obou fází (tzv. Skluzový poměr ).

Pórovitost ve vědách o Zemi a ve stavebnictví

Používá se v geologii , hydrogeologii , půdních vědách a stavebnictví , pórovitost porézního média (například horniny nebo sedimentu ) popisuje podíl prázdného prostoru v materiálu, kde prázdnota může obsahovat například vzduch nebo vodu. Je definován poměrem :

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {V _ {\ mathrm {V}}} {V _ {\ mathrm {T}}}}}

kde V _V je objem prázdného prostoru (například tekutin) a V _T je celkový nebo objemový objem materiálu, včetně pevných a prázdných složek. Oba matematické symboly a jsou používány naznačovat pórovitost. ${\ displaystyle \ phi}$ ${\ displaystyle n}$

Pórovitost je frakce mezi 0 a 1, typicky v rozmezí od méně než 0,005 u pevné žuly do více než 0,5 u rašeliny a jílu .

Pórovitost horniny nebo sedimentární vrstvy je důležitým faktorem při pokusu vyhodnotit potenciální objem vody nebo uhlovodíků, které může obsahovat. Sedimentární pórovitost je komplikovanou funkcí mnoha faktorů, mimo jiné včetně: rychlosti zakopávání, hloubky zakopání, povahy kondenzovaných tekutin , povahy překrývajících se sedimentů (které mohou bránit vypuzování tekutin). Jeden běžně používaný vztah mezi pórovitostí a hloubkou je dán rovnicí Athy (1930):

{\ Displaystyle \ phi (z) = \ phi _ {0} e^{-kz} \,}

kde je povrchová pórovitost, je koeficient zhutnění (m ⁻¹ ) a je hloubka (m). ${\ displaystyle \ phi _ {0}}$ ${\ displaystyle k}$ ${\ Displaystyle z}$

Hodnotu porozity lze alternativně vypočítat z objemové hmotnosti , hustoty nasycené tekutiny a hustoty částic : ${\ displaystyle \ rho _ {\ text {bulk}}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {\ text {fluid}}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {\ text {particle}}}$

{\ Displaystyle \ phi = {\ frac {\ rho _ {\ text {particle}}-\ rho _ {\ text {bulk}}} {\ rho _ {\ text {particle}}-\ rho _ {\ text {tekutina}}}}}

Pokud je prázdný prostor vyplněn vzduchem, lze použít následující jednodušší formu:

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

Normální hustota částic se předpokládá, že je přibližně 2,65 g / cm ³ ( oxid křemičitý ), i když lepší odhad může být získán tím, že zkoumá litologie částic.

Pórovitost a hydraulická vodivost

Pórovitost může být úměrná hydraulické vodivosti ; u dvou podobných písečných kolektorů bude mít ten s vyšší pórovitostí obvykle vyšší hydraulickou vodivost (otevřenější plocha pro tok vody), ale tento vztah má mnoho komplikací. Hlavní komplikací je, že neexistuje přímá úměrnost mezi pórovitostí a hydraulickou vodivostí, ale spíše odvozená proporcionalita. Mezi poloměry hrdla póru a hydraulickou vodivostí existuje jasná úměrnost. Také zde bývá úměrnost mezi poloměry hrdla pórů a objemem pórů. Pokud existuje proporcionalita mezi poloměry hrdla póru a pórovitostí, pak může existovat proporcionalita mezi pórovitostí a hydraulickou vodivostí. Jak však velikost zrna nebo třídění klesá, proporcionalita mezi poloměry hrdla póru a pórovitostí začíná selhávat, a proto klesá i proporcionalita mezi pórovitostí a hydraulickou vodivostí. Například: jíly mají obvykle velmi nízkou hydraulickou vodivost (vzhledem k jejich malým poloměrům hrdla), ale také mají velmi vysoké pórovitosti (kvůli strukturované povaze jílových minerálů ), což znamená, že jíly pojmou velký objem vody na objemový objem materiálu, ale rychle neuvolňují vodu, a proto mají nízkou hydraulickou vodivost.

Třídění a pórovitost

Účinky třídění na naplavenou pórovitost. Černá představuje pevné látky, modrá představuje pórový prostor.

Dobře tříděné (zrna přibližně všech jedné velikosti) materiálů mají vyšší pórovitost než podobně tříděné špatně tříděné materiály (kde menší částice vyplňují mezery mezi většími částicemi). Grafika ilustruje, jak některá menší zrna mohou účinně vyplnit póry (kde probíhá veškerý tok vody), drasticky snížit pórovitost a hydraulickou vodivost, přičemž je to jen malý zlomek celkového objemu materiálu. Tabulky společných hodnot pórovitosti pro zemské materiály naleznete v části „Další čtení“ v článku o hydrogeologii .

Pórovitost hornin

Konsolidované horniny (např. Pískovec , břidlice , žula nebo vápenec ) mají potenciálně ve srovnání s naplaveným sedimentem složitější „dvojité“ pórovitosti . To lze rozdělit na propojenou a nespojenou pórovitost. Připojená pórovitost se snadněji měří objemem plynu nebo kapaliny, která může proudit do horniny, zatímco tekutiny nemají přístup k nespojeným pórům.

Pórovitost je poměr objemu pórů k jeho celkovému objemu. Pórovitost řídí: typ horniny, distribuce pórů, cementace, diagenetická historie a složení. Pórovitost není řízena velikostí zrn, protože objem mezizrnného prostoru souvisí pouze se způsobem balení zrna.

Skály normálně klesají v pórovitosti s věkem a hloubkou pohřbu. Terciární věk Gulf Coast pískovce jsou obecně více porézní než kambria věkových pískovců. Existují výjimky z tohoto pravidla, obvykle kvůli hloubce pohřbu a tepelné historii.

Pórovitost půdy

Pórovitost povrchové půdy se typicky snižuje se zvyšující se velikostí částic. Je to způsobeno tvorbou půdního agregátu v jemnějších strukturovaných povrchových půdách, když jsou podrobeny půdním biologickým procesům. Agregace zahrnuje adhezi částic a vyšší odolnost proti zhutnění. Typické Objemová hustota písčité půdy se pohybuje mezi 1,5 a 1,7 g / cm ³ . To vypočítá na pórovitost mezi 0,43 a 0,36. Typické Objemová hustota jílovité zeminy je v rozmezí 1,1 až 1,3 g / cm ³ . To vypočítá na pórovitost mezi 0,58 a 0,51. To se zdá neintuitivní, protože jílovité půdy se nazývají těžké , což znamená nižší pórovitost. Těžký zjevně odkazuje na efekt gravitačního obsahu vlhkosti v kombinaci s terminologií, která se vrací zpět k relativní síle potřebné k tažení stroje na zpracování půdy přes jílovitou půdu při obsahu polní vlhkosti ve srovnání s pískem.

Pórovitost podpovrchové půdy je nižší než v povrchové půdě v důsledku stlačení gravitací. Pórovitost 0,20 je považována za normální u netříděného materiálu velikosti štěrku v hloubkách pod biomontáží . Lze očekávat, že pórovitost v jemnějším materiálu pod agregačním vlivem pedogeneze se této hodnotě přiblíží .

Pórovitost půdy je složitá. Tradiční modely považují pórovitost za spojitou. To nezohledňuje anomální funkce a vytváří pouze přibližné výsledky. Kromě toho nemůže pomoci modelovat vliv faktorů prostředí, které ovlivňují geometrii pórů. Byla navržena řada složitějších modelů, včetně fraktálů , teorie bublin, teorie praskání , booleovského procesu zrnění, balené koule a mnoha dalších modelů. Charakterizace pórů prostoru v půdě je spojený koncept.

Druhy geologických porézností

Primární pórovitost: Hlavní nebo původní pórovitý systém ve skále nebo neuzavřeném naplaveném ložisku .
Sekundární pórovitost: Následný nebo oddělený systém pórovitosti ve skále, často zvyšující celkovou pórovitost horniny. To může být důsledkem chemického vyluhování minerálů nebo generování zlomového systému. To může nahradit primární pórovitost nebo s ní koexistovat (viz duální pórovitost níže).
Zlomenina pórovitosti: Jedná se o pórovitost spojenou se zlomeninovým systémem nebo vadou. To může vytvořit sekundární pórovitost v horninách, které by jinak nebyly zásobníky uhlovodíků, protože jejich primární pórovitost byla zničena (například kvůli hloubce zakopání) nebo horninového typu, který se normálně nepovažuje za rezervoár (například vyvřeliny nebo metasedimenty).
Obrovská pórovitost: Toto je sekundární pórovitost generovaná rozpuštěním velkých prvků (například makrofosílií ) v karbonátových horninách, které zanechávají velké otvory, vugy nebo dokonce jeskyně .
Efektivní pórovitost (také nazývaná otevřená pórovitost ): Odkazuje na zlomek celkového objemu, ve kterém tok tekutiny účinně probíhá, a zahrnuje trolejové vedení a slepé uličky (protože tyto póry nelze propláchnout, ale mohou způsobit pohyb tekutiny uvolněním tlaku, jako je expanze plynu), póry a vylučuje uzavřené póry (nebo nespojené dutiny). To je velmi důležité pro proudění podzemní vody a ropy, jakož i pro přepravu rozpuštěných látek.
Neúčinná pórovitost (také nazývaná uzavřená pórovitost ): Vztahuje se na zlomek celkového objemu, ve kterém jsou tekutiny nebo plyny přítomny, ale ve kterém tok tekutiny nemůže účinně probíhat a zahrnuje uzavřené póry. Pochopení morfologie pórovitosti je tedy velmi důležité pro proudění podzemní vody a ropy.
Dvojitá pórovitost: Odkazuje na koncepční myšlenku, že existují dva překrývající se nádrže, které na sebe vzájemně působí. Ve zlomených horninových vrstvách jsou skalní masy a zlomeniny často simulovány jako dvě překrývající se, ale odlišná tělesa. Zpožděný výtěžek a průsaková řešení toku vodonosné vrstvy jsou matematicky podobná řešení, která byla získána pro dvojitou pórovitost; ve všech třech případech voda pochází ze dvou matematicky odlišných nádrží (bez ohledu na to, zda jsou fyzicky odlišné).
Makroporozita: V pevných látkách (tj. S výjimkou agregovaných materiálů, jako jsou půdy) se termínem „makroporéznost“ označují póry o průměru větším než 50 nm . Průtok makropóry je popsán hromadnou difúzí.
Mezoporozita: V pevných látkách (tj. S výjimkou agregovaných materiálů, jako jsou půdy) se termínem „mezoporozita“ rozumějí póry větší než 2 nm a menší než 50 nm v průměru. Tok mezopóry je popsán difúzí Knudsen.
Mikroporozita: V pevných látkách (tj. Vyjma agregovaných materiálů, jako jsou půdy) se termínem „mikroporéznost“ označují póry menší než 2 nm v průměru. Pohyb v mikropórech je aktivován difúzí.

Pórovitost látky nebo aerodynamická pórovitost

Poměr otvorů k pevné látce, které vítr „vidí“. Aerodynamická pórovitost je menší než vizuální, o množství, které závisí na zúžení děr.

Pórovitost lití pod tlakem

Pórovitost lití je důsledkem jednoho nebo více z následujících: zplyňování znečišťujících látek při teplotách roztaveného kovu; smrštění, ke kterému dochází při tuhnutí roztaveného kovu; a neočekávané nebo nekontrolované změny teploty nebo vlhkosti.

I když je poréznost vlastní výrobě odlitků, jeho přítomnost může vést k poruše součásti, kde je integrita tlaku kritickou charakteristikou. Pórovitost může mít několik forem od propojené mikroporéznosti, záhybů a inkluzí až po makro pórovitost viditelnou na povrchu součásti. Konečným výsledkem pórovitosti je vytvoření cesty úniku skrz stěny odlitku, který brání dílu držet tlak. Pórovitost může také vést k odplyňování během procesu lakování, vyluhování pokovovacích kyselin a chvění nástrojů při obrábění lisovaných kovových součástí.

Měření pórovitosti

Optická metoda měření pórovitosti: tenký řez pod sádrovou deskou ukazuje pórovitost jako purpurovou barvu, kontrastovanou s karbonátovými zrny jiných barev. Pleistocénní eolianit z ostrova San Salvador , Bahamy. Měřítko 500 μm .

K měření pórovitosti lze použít několik metod:

Přímé metody (stanovení objemového objemu porézního vzorku a poté stanovení objemu materiálu skeletu bez pórů (objem pórů = celkový objem - objem materiálu).
Optické metody (např. Stanovení plochy materiálu versus plocha pórů viditelných pod mikroskopem). "Plošná" a "volumetrická" pórovitost jsou stejné pro porézní média s náhodnou strukturou.
Metoda počítačové tomografie (pomocí průmyslového CT skenování k vytvoření 3D vykreslování vnější a vnitřní geometrie, včetně dutin. Poté implementace analýzy defektů pomocí počítačového softwaru)
Metody imobilizace
, tj. Ponoření porézního vzorku ve vakuu do tekutiny, která přednostně zvlhčuje póry.
- Metoda nasycení vodou (objem pórů = celkový objem vody - objem vody zbývající po namáčení).
Metoda odpařování vody (objem pórů = (hmotnost nasyceného vzorku - hmotnost sušeného vzorku)/hustota vody)
Rtuťová intruzivní porosimetrie (bylo vyvinuto několik technik nevnikající do rtuti kvůli toxikologickým problémům a skutečnosti, že rtuť má tendenci vytvářet amalgámy s několika kovy a slitinami).
Metoda expanze plynu. Vzorek známého objemového objemu je uzavřen v nádobě o známém objemu. Je připojen k další nádobě se známým objemem, který je evakuován (tj. Blízko tlaku vakua). Když se otevře ventil spojující obě nádoby, plyn prochází z první nádoby do druhé, dokud není dosaženo rovnoměrného rozložení tlaku. Pomocí zákona o ideálním plynu se objem pórů vypočítá jako

{\ displaystyle V_ {V} = V_ {T} -V_ {a} -V_ {b} {P_ {2} \ přes {P_ {2} -P_ {1}}}}

,

kde

V _V je efektivní objem pórů,

V _T je objemový objem vzorku,

V _a je objem nádoby obsahující vzorek,

V _b je objem evakuovaného kontejneru,

P ₁ je počáteční tlak v počátečním tlaku v objemu V _a a V _V , a

P ₂ je konečný tlak přítomný v celém systému.

Pórovitost přímo vyplývá z její správné definice

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

.

Všimněte si, že tato metoda předpokládá, že plyn komunikuje mezi póry a okolním objemem. V praxi to znamená, že póry nesmí být uzavřené dutiny.

Termoporosimetrie a kryoporometrie. Malý krystal kapaliny taje při nižší teplotě než objemová kapalina, jak je uvedeno v Gibbsově-Thomsonově rovnici . Pokud je tedy kapalina nasávána do porézního materiálu a zmrazena, teplota tání poskytne informace o distribuci velikosti pórů. Detekci tání lze provést snímáním přechodných tepelných toků během fázových změn pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie- (DSC termoporometrie), měřením množství mobilní kapaliny pomocí nukleární magnetické rezonance- (NMR kryoporometrie) nebo měřením amplitudy rozptylu neutronů. z nasáklé krystalické nebo kapalné fáze - (ND kryopometrie).

Viz také

Reference

Glasbey, CA; GW Horgan; JF Darbyshire (září 1991). „Analýza obrazu a trojrozměrné modelování pórů v půdních agregátech“. Journal of Soil Science . 42 (3): 479–86. doi : 10.1111/j.1365-2389.1991.tb00424.x .
Horgan, GW; BC Ball (1994). „Simulace difúze v booleovském modelu půdních pórů“. European Journal of Soil Science . 45 (4): 483–91. doi : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00534.x .
Horgan, Graham W. (1996-10-01). „Přehled modelů půdních pórů“ (PDF) . Citováno 2006-04-16 . Citační deník vyžaduje |journal=( nápověda )
Horgan, GW (červen 1998). „Matematická morfologie pro analýzu obrazu půdy“. European Journal of Soil Science . 49 (2): 161–73. doi : 10,1046/j.1365-2389.1998.00160.x .
Horgan, GW (únor 1999). „Vyšetřování geometrických vlivů na difúzi prostoru pórů“. Geoderma . 88 (1–2): 55–71. Bibcode : 1999 Geode..88 ... 55H . doi : 10,1016/S0016-7061 (98) 00075-5 .
Nelson, J. Roy (leden 2000). „Fyzika impregnace“ (PDF) . Mikroskopie dnes . 8 (1): 24. doi : 10,1017/S1551929500057114 . Archivováno z originálu (PDF) dne 2009-02-27.
Rouquerol, Jean (prosinec 2011). „Vniknutí kapaliny a alternativní metody pro charakterizaci makroporézních materiálů (Technická zpráva IUPAC)*“ (PDF) . Pure Appl. Chem . 84 (1): 107–36. doi : 10,1351/pac-rep-10-11-19 . S2CID 10472849 .

Languages

In other projects