En ciencia de materiales , un medio poroso o un material poroso es un material que contiene poros (huecos). [1] La porción esquelética del material a menudo se denomina "matriz" o "marco". Los poros suelen estar llenos de un fluido ( líquido o gas ). El material esquelético suele ser sólido , pero estructuras como las espumas a menudo también se analizan de manera útil utilizando el concepto de medios porosos.
Un medio poroso suele caracterizarse por su porosidad . Otras propiedades del medio (por ejemplo , permeabilidad , resistencia a la tracción , conductividad eléctrica , tortuosidad ) a veces pueden derivarse de las propiedades respectivas de sus constituyentes (matriz sólida y fluido) y la porosidad del medio y la estructura de los poros, pero dicha derivación suele ser compleja. Incluso el concepto de porosidad sólo es sencillo para un medio poroelástico.
A menudo, tanto la matriz sólida como la red de poros (también conocida como espacio de poros) son continuas, de modo que forman dos continuos interpenetrantes, como en una esponja . Sin embargo, también existe el concepto de porosidad cerrada y porosidad efectiva , es decir, el espacio poroso accesible al flujo.
Muchas sustancias naturales como rocas y suelo (por ejemplo , acuíferos , yacimientos de petróleo ), zeolitas , tejidos biológicos (por ejemplo, huesos, madera, corcho ) y materiales artificiales como cementos y cerámicas pueden considerarse medios porosos. Muchas de sus importantes propiedades sólo pueden racionalizarse considerándolos medios porosos.
El concepto de medios porosos se utiliza en muchas áreas de las ciencias aplicadas y la ingeniería: filtración , mecánica ( acústica , geomecánica , mecánica de suelos , mecánica de rocas ), ingeniería ( ingeniería petrolera , biorremediación , ingeniería de la construcción ), geociencias ( hidrogeología , geología del petróleo , geofísica). ), biología y biofísica , ciencia de los materiales . Dos importantes campos de aplicación actuales de los materiales porosos son la conversión y el almacenamiento de energía , donde los materiales porosos son esenciales para superpacitores, (foto) catálisis , [2] pilas de combustible , [3] y baterías .
A nivel microscópico y macroscópico, se pueden clasificar los medios porosos. A escala microscópica, la estructura se representa estadísticamente mediante la distribución de los tamaños de los poros, el grado de interconexión y orientación de los poros, la proporción de poros muertos, etc. [4] La técnica macroscópica utiliza propiedades globales que se han promediado a escalas. mucho más grande que el tamaño de los poros. [4] [5]
Dependiendo del objetivo, estas dos técnicas se emplean con frecuencia porque son complementarias. Es obvio que se requiere la descripción microscópica para comprender fenómenos superficiales como la adsorción de macromoléculas de soluciones poliméricas y el bloqueo de poros, mientras que el enfoque macroscópico suele ser suficiente para el diseño de procesos donde el flujo de fluido , el calor y la transferencia de masa son de máxima importancia. inquietud. y las dimensiones moleculares son significativamente más pequeñas que el tamaño de los poros del sistema poroso. [4] [6]
El flujo de fluidos a través de medios porosos es un tema de interés común y ha surgido como un campo de estudio separado. El estudio del comportamiento más general de medios porosos que implican deformación del marco sólido se llama poromecánica .
La teoría de los flujos porosos tiene aplicaciones en tecnologías de impresión por inyección de tinta [7] y eliminación de residuos nucleares [8] , entre otras.
Numerosos factores influyen en el flujo de fluido en medios porosos y su función fundamental es gastar energía y crear fluido a través del pozo. En la mecánica de flujo a través de un medio poroso, la conexión entre la energía y el caudal se convierte en la cuestión más importante. La ley más fundamental que caracteriza esta conexión es la ley de Darcy . [9]
Una representación de la fase vacía que existe dentro de materiales porosos utilizando un conjunto o red de poros. Sirve como base estructural para la predicción de parámetros de transporte y se emplea en el contexto de la caracterización de la estructura de poros. [10]
Existen muchos modelos idealizados de estructuras de poros. Se pueden dividir ampliamente en tres categorías:
Los materiales porosos a menudo tienen una estructura similar a un fractal , con un área de superficie de poro que parece crecer indefinidamente cuando se observa con una resolución cada vez mayor. [11] Matemáticamente, esto se describe asignando a la superficie de los poros una dimensión de Hausdorff mayor que 2. [12] Los métodos experimentales para la investigación de las estructuras de los poros incluyen la microscopía confocal [13] y la tomografía de rayos X. [14] Los materiales porosos han encontrado algunas aplicaciones en muchos campos de la ingeniería, incluido el sector de la automoción. [15]
Una de las leyes para materiales porosos es la ley generalizada de Murray . La ley de Murray generalizada se basa en optimizar la transferencia de masa minimizando la resistencia al transporte en poros con un volumen determinado, y puede ser aplicable para optimizar la transferencia de masa que involucra variaciones de masa y reacciones químicas que involucran procesos de flujo, difusión de moléculas o iones. [dieciséis]
Para conectar una tubería principal con un radio de r 0 a muchas tuberías secundarias con un radio de r i , la fórmula de la ley generalizada de Murray es: , donde X es la relación de variación de masa durante la transferencia de masa en el poro principal, el exponente α es dependiendo del tipo de transferencia. Para flujo laminar α =3; para flujo turbulento α =7/3; para difusión molecular o iónica α =2; etc.
