Porosidad

La porosidad o fracción de vacíos es una medida de los espacios vacíos (es decir, "vacíos") en un material, y es una fracción del volumen de vacíos sobre el volumen total, entre 0 y 1, o como un porcentaje entre 0 % y 100 %.. Estrictamente hablando, algunas pruebas miden el "vacío accesible", la cantidad total de espacio vacío accesible desde la superficie (cf. espuma de celda cerrada).

Hay muchas formas de probar la porosidad en una sustancia o pieza, como la tomografía computarizada industrial.

El término porosidad se utiliza en múltiples campos, incluidos la industria farmacéutica, la cerámica, la metalurgia, los materiales, la fabricación, la petrofísica, la hidrología, las ciencias de la tierra, la mecánica del suelo y la ingeniería.

Fracción vacía en flujo bifásico

En el flujo bifásico gas-líquido, la fracción vacía se define como la fracción del volumen del canal de flujo que está ocupada por la fase gaseosa o, alternativamente, como la fracción del área de la sección transversal del canal que está ocupada por la fase gaseosa.

La fracción vacía generalmente varía de un lugar a otro en el canal de flujo (dependiendo del patrón de flujo de dos fases). Fluctúa con el tiempo y su valor suele promediarse en el tiempo. En flujo separado (es decir, no homogéneo), está relacionado con los caudales volumétricos de la fase gaseosa y líquida, y con la relación de velocidad de las dos fases (llamada relación de deslizamiento).

Porosidad en ciencias de la tierra y construcción

Usada en geología, hidrogeología, ciencia del suelo y ciencia de la construcción, la porosidad de un medio poroso (como roca o sedimento) describe la fracción de espacio vacío en el material, donde el vacío puede contener, por ejemplo, aire o agua. Se define por la relación:

donde V _V es el volumen del espacio vacío (como los fluidos) y V _T es el volumen total o aparente del material, incluidos los componentes sólidos y vacíos. Tanto los símbolos matemáticos como se utilizan para indicar la porosidad.

La porosidad es una fracción entre 0 y 1, que normalmente oscila entre menos de 0,005 para granito sólido y más de 0,5 para turba y arcilla.

La porosidad de una roca, o capa sedimentaria, es una consideración importante cuando se intenta evaluar el volumen potencial de agua o hidrocarburos que puede contener. La porosidad sedimentaria es una función complicada de muchos factores, incluidos, entre otros: la tasa de enterramiento, la profundidad del entierro, la naturaleza de los fluidos connatos, la naturaleza de los sedimentos suprayacentes (que pueden impedir la expulsión de fluidos). Una relación comúnmente utilizada entre porosidad y profundidad viene dada por la ecuación de Athy (1930):

donde es la porosidad superficial, es el coeficiente de compactación (m) y es la profundidad (m).

Alternativamente, se puede calcular un valor para la porosidad a partir de la densidad aparente , la densidad del fluido saturado y la densidad de partículas :

Si el espacio vacío se llena con aire, se puede usar la siguiente forma más simple:

Se supone que la densidad normal de las partículas es de aproximadamente 2,65 g/cm (sílice), aunque se puede obtener una mejor estimación examinando la litología de las partículas.

Porosidad y conductividad hidráulica

La porosidad puede ser proporcional a la conductividad hidráulica; para dos acuíferos arenosos similares, el que tiene una porosidad más alta normalmente tendrá una conductividad hidráulica más alta (más área abierta para el flujo de agua), pero hay muchas complicaciones en esta relación. La principal complicación es que no existe una proporcionalidad directa entre porosidad y conductividad hidráulica sino una proporcionalidad inferida. Existe una clara proporcionalidad entre el radio de la garganta de los poros y la conductividad hidráulica. Además, tiende a haber una proporcionalidad entre el radio de la garganta de los poros y el volumen de los poros. Si existe la proporcionalidad entre el radio de la garganta del poro y la porosidad, entonces puede existir una proporcionalidad entre la porosidad y la conductividad hidráulica. Sin embargo, a medida que el tamaño del grano o la clasificación disminuyen, la proporcionalidad entre los radios de la garganta de los poros y la porosidad comienza a fallar y, por lo tanto, también lo hace la proporcionalidad entre la porosidad y la conductividad hidráulica. Por ejemplo: las arcillas suelen tener una conductividad hidráulica muy baja (debido a los radios de garganta de sus poros pequeños) pero también tienen porosidades muy altas (debido a la naturaleza estructurada de los minerales arcillosos), lo que significa que las arcillas pueden contener un gran volumen de agua por volumen de volumen. material, pero no liberan agua rápidamente y por lo tanto tienen baja conductividad hidráulica.

Clasificación y porosidad

Los materiales bien clasificados (granos de aproximadamente un solo tamaño) tienen una mayor porosidad que los materiales mal clasificados de tamaño similar (donde las partículas más pequeñas llenan los espacios entre las partículas más grandes). El gráfico ilustra cómo algunos granos más pequeños pueden llenar efectivamente los poros (donde tiene lugar todo el flujo de agua), reduciendo drásticamente la porosidad y la conductividad hidráulica, siendo solo una pequeña fracción del volumen total del material. Para tablas de valores de porosidad comunes para materiales terrestres, vea la sección de "lecturas adicionales" en el artículo de Hidrogeología.

Porosidad de las rocas

Las rocas consolidadas (p. ej., arenisca, esquisto, granito o piedra caliza) tienen potencialmente porosidades "duales" más complejas, en comparación con los sedimentos aluviales. Esto se puede dividir en porosidad conectada y no conectada. La porosidad conectada se mide más fácilmente a través del volumen de gas o líquido que puede fluir hacia la roca, mientras que los fluidos no pueden acceder a los poros no conectados.

La porosidad es la relación entre el volumen de los poros y su volumen total. La porosidad está controlada por: tipo de roca, distribución de poros, cementación, historia diagenética y composición. La porosidad no está controlada por el tamaño del grano, ya que el volumen del espacio entre granos está relacionado únicamente con el método de empaque del grano.

Las rocas normalmente disminuyen en porosidad con la edad y la profundidad del entierro. Las areniscas de la Costa del Golfo de edad terciaria son en general más porosas que las areniscas de edad Cámbrica. Hay excepciones a esta regla, generalmente debido a la profundidad del entierro y la historia térmica.

Porosidad del suelo

La porosidad del suelo superficial normalmente disminuye a medida que aumenta el tamaño de las partículas. Esto se debe a la formación de agregados en suelos superficiales de textura más fina cuando están sujetos a procesos biológicos del suelo. La agregación implica la adhesión de partículas y una mayor resistencia a la compactación. La densidad aparente típica del suelo arenoso está entre 1,5 y 1,7 g/cm. Esto calcula una porosidad entre 0,43 y 0,36. La densidad aparente típica del suelo arcilloso está entre 1,1 y 1,3 g/cm. Esto calcula una porosidad entre 0,58 y 0,51. Esto parece contrario a la intuición porque los suelos arcillosos se denominan pesados, lo que implica menorporosidad. Aparentemente, pesado se refiere a un efecto de contenido de humedad gravitacional en combinación con una terminología que se remonta a la fuerza relativa requerida para tirar de un implemento de labranza a través del suelo arcilloso con un contenido de humedad de campo en comparación con la arena.

La porosidad del suelo subterráneo es menor que en el suelo superficial debido a la compactación por gravedad. La porosidad de 0,20 se considera normal para material del tamaño de grava sin clasificar a profundidades por debajo del biomanto. Se puede esperar que la porosidad en material más fino por debajo de la influencia agregante de la pedogénesis se aproxime a este valor.

La porosidad del suelo es compleja. Los modelos tradicionales consideran la porosidad como continua. Esto no tiene en cuenta las características anómalas y produce solo resultados aproximados. Además, no puede ayudar a modelar la influencia de los factores ambientales que afectan la geometría de los poros. Se han propuesto varios modelos más complejos, incluidos los fractales, la teoría de la burbuja, la teoría del agrietamiento, el proceso de grano booleano, la esfera empaquetada y muchos otros modelos. La caracterización del espacio poroso en el suelo es un concepto asociado.

Tipos de porosidades geológicas

porosidad primariaEl sistema de porosidad principal u original en una roca o depósito aluvial no confinado.porosidad secundariaUn sistema de porosidad posterior o separado en una roca, que a menudo mejora la porosidad general de una roca. Esto puede ser el resultado de la lixiviación química de minerales o la generación de un sistema de fractura. Esto puede reemplazar la porosidad primaria o coexistir con ella (ver porosidad dual a continuación).Porosidad de fracturaEsta es la porosidad asociada con un sistema de fracturas o fallas. Esto puede crear porosidad secundaria en rocas que de otro modo no serían reservorios de hidrocarburos debido a la destrucción de su porosidad primaria (por ejemplo, debido a la profundidad del entierro) o de un tipo de roca que normalmente no se considera un reservorio (por ejemplo, intrusiones ígneas o metasedimentos).Porosidad irregularEsta es una porosidad secundaria generada por la disolución de elementos grandes (como macrofósiles) en rocas carbonatadas que dejan grandes agujeros, cavidades o incluso cuevas.Porosidad efectiva (también llamada porosidad abierta)Se refiere a la fracción del volumen total en el que el flujo de fluido tiene lugar de manera efectiva e incluye catenaria y poros sin salida (ya que estos poros no se pueden enjuagar, pero pueden causar movimiento de fluido por liberación de presión como la expansión del gas) poros y excluye poros cerrados (o cavidades no conectadas). Esto es muy importante para el flujo de agua subterránea y petróleo, así como para el transporte de solutos.Porosidad ineficaz (también llamada porosidad cerrada)Se refiere a la fracción del volumen total en la que están presentes fluidos o gases pero en la que el flujo de fluido no puede tener lugar de manera efectiva e incluye los poros cerrados. Comprender la morfología de la porosidad es, por lo tanto, muy importante para el flujo de agua subterránea y petróleo.Doble porosidadSe refiere a la idea conceptual de que hay dos embalses superpuestos que interactúan. En los acuíferos de roca fracturada, el macizo rocoso y las fracturas a menudo se simulan como dos cuerpos superpuestos pero distintos. Las soluciones de rendimiento retardado y flujo de acuífero con fugas son soluciones matemáticamente similares a las obtenidas para la porosidad dual; en los tres casos el agua proviene de dos embalses matemáticamente diferentes (sean o no físicamente diferentes).macroporosidadEn sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como suelos), el término 'macroporosidad' se refiere a poros de más de 50 nm de diámetro. El flujo a través de los macroporos se describe mediante difusión masiva.mesoporosidadEn sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como suelos), el término 'mesoporosidad' se refiere a poros de más de 2 nm y menos de 50 nm de diámetro. El flujo a través de los mesoporos se describe mediante la difusión de Knudsen.microporosidadEn sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como suelos), el término 'microporosidad' se refiere a poros de menos de 2 nm de diámetro. El movimiento en los microporos se activa por difusión.

Porosidad del tejido o porosidad aerodinámica

La proporción de agujeros a sólidos que el viento "ve". La porosidad aerodinámica es menor que la porosidad visual, en una cantidad que depende de la constricción de los agujeros.

Porosidad de fundición a presión

La porosidad de fundición es una consecuencia de uno o más de los siguientes: gasificación de contaminantes a temperaturas de metal fundido; contracción que tiene lugar cuando el metal fundido se solidifica; y cambios inesperados o incontrolados de temperatura o humedad.

Si bien la porosidad es inherente a la fabricación de fundición a presión, su presencia puede provocar fallas en los componentes donde la integridad de la presión es una característica crítica. La porosidad puede adoptar varias formas, desde microporosidad interconectada, pliegues e inclusiones hasta macroporosidad visible en la superficie de la pieza. El resultado final de la porosidad es la creación de una vía de fuga a través de las paredes de una fundición que evita que la pieza mantenga la presión. La porosidad también puede provocar la liberación de gases durante el proceso de pintura, la lixiviación de los ácidos del revestimiento y la vibración de la herramienta al mecanizar componentes de metal prensado.

Medición de la porosidad

Se pueden emplear varios métodos para medir la porosidad:

• Métodos directos (determinación del volumen a granel de la muestra porosa y luego determinación del volumen del material esquelético sin poros (volumen de poros = volumen total - volumen de material).
• Métodos ópticos (p. ej., determinar el área del material frente al área de los poros visibles bajo el microscopio). Las porosidades "areal" y "volumétrica" ​​son iguales para medios porosos con estructura aleatoria.
• Método de tomografía computarizada (utilizando tomografía computarizada industrial para crear una representación 3D de la geometría externa e interna, incluidos los vacíos. Luego implementando un análisis de defectos utilizando un software de computadora)
• Métodos de imbibición, es decir, inmersión de la muestra porosa, al vacío, en un fluido que moja preferentemente los poros.
  • Método de saturación de agua (volumen de poro = volumen total de agua − volumen de agua que queda después del remojo).
• Método de evaporación del agua (volumen de poros = (peso de la muestra saturada − peso de la muestra seca)/densidad del agua)
• Porosimetría de intrusión de mercurio (se han desarrollado varias técnicas de intrusión sin mercurio debido a preocupaciones toxicológicas y al hecho de que el mercurio tiende a formar amalgamas con varios metales y aleaciones).
• Método de expansión de gas. Una muestra de volumen aparente conocido se encierra en un recipiente de volumen conocido. Está conectado a otro contenedor con un volumen conocido que se vacía (es decir, cerca de la presión del vacío). Cuando se abre una válvula que conecta los dos recipientes, el gas pasa del primer recipiente al segundo hasta que se logra una distribución uniforme de la presión. Usando la ley de los gases ideales, el volumen de los poros se calcula como

,

dóndeV _V es el volumen efectivo de los poros,VT es el _volumen total de la muestra,Va _es el volumen del recipiente que contiene la muestra,V _b es el volumen del recipiente evacuado,P ₁ es la presión inicial en la presión inicial en volumen Va _y V _V, yP ₂ es la presión final presente en todo el sistema.La porosidad sigue directamente por su propia definición.Tenga en cuenta que este método asume que el gas se comunica entre los poros y el volumen circundante. En la práctica, esto significa que los poros no deben ser cavidades cerradas.

• Termoporosimetría y crioporometria. Un pequeño cristal de un líquido se derrite a una temperatura más baja que el líquido a granel, como lo indica la ecuación de Gibbs-Thomson. Por lo tanto, si un líquido se sumerge en un material poroso y se congela, la temperatura de fusión proporcionará información sobre la distribución del tamaño de los poros. La detección de la fusión se puede realizar detectando los flujos de calor transitorios durante los cambios de fase mediante calorimetría diferencial de barrido (termoporometría DSC), midiendo la cantidad de líquido móvil mediante resonancia magnética nuclear (crioporometría NMR) o midiendo la amplitud de la dispersión de neutrones. de las fases cristalinas o líquidas embebidas – (crioporometría ND).