Porosidad

Relación entre el volumen de huecos y el volumen total de un material poroso.

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

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

El término porosidad se utiliza en múltiples campos, incluidos la farmacéutica , la cerámica , la metalurgia , los materiales , la manufactura , la petrofísica , la hidrología , las ciencias de la tierra , la mecánica de suelos , la mecánica de rocas y la ingeniería . ^[1]

Fracción vacía en flujo de dos fases.

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. ^[2]

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 ser un promedio temporal. En el flujo separado (es decir, no homogéneo ), está relacionado con los caudales volumétricos de la fase gaseosa y líquida, y con la relación de la velocidad de las dos fases (llamada relación de deslizamiento ).

Porosidad en ciencias de la tierra y construcción.

Utilizada en geología , hidrogeología , ciencias del suelo y ciencias 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 :

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

donde V _V es el volumen del espacio vacío (como fluidos) y V _T es el volumen total o a granel del material, incluidos los componentes sólidos y vacíos. Tanto los símbolos matemáticos como se utilizan para indicar porosidad. ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle n}$

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

La porosidad de una roca, o capa sedimentaria, es una consideración importante al intentar evaluar el volumen potencial de agua o hidrocarburos que puede contener. La porosidad sedimentaria es una función complicada de muchos factores, que incluyen, entre otros, la tasa de enterramiento, la profundidad del enterramiento, la naturaleza de los fluidos connatos y la naturaleza de los sedimentos superpuestos (que pueden impedir la expulsión de fluidos). Una relación comúnmente utilizada entre porosidad y profundidad viene dada por la ecuación de Athy (1930): ^[3]

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

donde es la porosidad de la superficie, es el coeficiente de compactación (m ⁻¹ ) y es la profundidad (m). ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle z}$

Alternativamente, se puede calcular un valor de porosidad a partir de la densidad aparente , la densidad del fluido saturado y la densidad de las partículas : ${\displaystyle \rho _{\text{bulk}}}$ ${\displaystyle \rho _{\text{fluid}}}$ ${\displaystyle \rho _{\text{particle}}}$

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

Si el espacio vacío se llena de aire, se puede utilizar la siguiente forma más sencilla:

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

Se supone que la densidad normal de las partículas es de aproximadamente 2,65 g/cm ³ ( 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 mayor porosidad normalmente tendrá una mayor conductividad hidráulica (más área abierta para el flujo de agua), pero esta relación presenta muchas complicaciones. La principal complicación es que no existe una proporcionalidad directa entre porosidad y conductividad hidráulica sino más bien una proporcionalidad inferida. Existe una clara proporcionalidad entre los radios de la garganta de los poros y la conductividad hidráulica. Además, tiende a haber una proporcionalidad entre los radios de la garganta de los poros y el volumen de los poros. Si existe proporcionalidad entre los radios de la garganta de los poros 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 sus pequeños radios de garganta de poros) 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 masa. material, pero no liberan agua rápidamente y por lo tanto tienen baja conductividad hidráulica.

Clasificación y porosidad

Efectos de la clasificación sobre la porosidad aluvial . El negro representa sólidos, el azul representa el espacio poroso.

Los materiales bien clasificados (granos de aproximadamente el mismo tamaño) tienen mayor porosidad que los materiales de tamaño similar mal clasificados (donde las partículas más pequeñas llenan los espacios entre las partículas más grandes). El gráfico ilustra cómo algunos granos más pequeños pueden llenar eficazmente 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 obtener tablas de valores de porosidad comunes para materiales terrestres , consulte la sección "lecturas adicionales" en el artículo de Hidrogeología .

Porosidad de las rocas

Las rocas consolidadas (por ejemplo, arenisca , esquisto , granito o caliza ) tienen potencialmente porosidades "duales" más complejas, en comparación con los sedimentos aluviales . Esta 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 empaquetamiento del grano.

Las rocas normalmente disminuyen su porosidad con la edad y la profundidad del entierro. Las areniscas de la costa del Golfo de la edad terciaria son en general más porosas que las areniscas de la 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 generalmente 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 se someten a procesos biológicos del suelo . La agregación implica adhesión de partículas y mayor resistencia a la compactación. La densidad aparente típica de un suelo arenoso está entre 1,5 y 1,7 g/cm ³ . Esto se calcula con una porosidad entre 0,43 y 0,36. La densidad aparente típica de un suelo arcilloso está entre 1,1 y 1,3 g/cm ³ . Esto se calcula con una porosidad entre 0,58 y 0,51. Esto parece contradictorio porque los suelos arcillosos se denominan pesados , lo que implica una menor porosidad. Pesado aparentemente se refiere a un efecto gravitacional del contenido de humedad 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 del campo en comparación con la arena.

La porosidad del suelo subterráneo es menor que en el suelo superficial debido a la compactación por gravedad. Una 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 materiales más finos 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 sólo produce 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 las burbujas , la teoría del craqueo , el proceso booleano de granos, la esfera empaquetada y muchos otros modelos. La caracterización del espacio poroso del suelo es un concepto asociado.

Tipos de porosidades geológicas

Porosidad primaria

El sistema de porosidad principal u original en una roca o depósito aluvial no confinado .

Porosidad secundaria

Un 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 fractura

Esta es la porosidad asociada con un sistema de fractura o fallas. Esto puede crear porosidad secundaria en rocas que de otro modo no serían reservorios de hidrocarburos debido a que su porosidad primaria está destruida (por ejemplo, debido a la profundidad del entierro) o en un tipo de roca que normalmente no se considera un reservorio (por ejemplo, intrusiones ígneas o metasedimentos).

Porosidad rugosa

Se trata de 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 la que el flujo de fluido tiene lugar efectivamente e incluye catenaria y callejón sin salida (ya que estos poros no se pueden limpiar, pero pueden causar el movimiento del fluido mediante la liberación de presión como la expansión del gas ^[4] ) poros y excluye los poros cerrados (o cavidades no conectadas). Esto es muy importante para el flujo de aguas subterráneas 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. Por lo tanto, comprender la morfología de la porosidad es muy importante para el flujo de aguas subterráneas y petróleo.

Doble porosidad

Se refiere a la idea conceptual de que existen dos reservorios 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).

Macroporosidad

En los sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como los 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.

mesoporosidad

En los sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como los 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 difusión de Knudsen.

Microporosidad

En los sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como los 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 la fundición a presión

La porosidad de la fundición es consecuencia de uno o más de los siguientes: gasificación de contaminantes a temperaturas del 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 pieza fundida que evita que la pieza mantenga presión. La porosidad también puede provocar desgasificación durante el proceso de pintura, lixiviación de ácidos de revestimiento y vibración de herramientas al mecanizar componentes metálicos prensados. ^[5]

Medición de la porosidad

Método óptico para medir la porosidad: una sección delgada debajo de la placa de yeso muestra la porosidad de color púrpura, en contraste con los granos de carbonato de otros colores. Eolianita del Pleistoceno de la isla San Salvador , Bahamas. Barra de escala de 500  μm .

Se pueden emplear varios métodos para medir la porosidad:

• Métodos directos (determinación del volumen aparente 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., determinación del área del material versus el área de los poros visibles bajo el microscopio). Las porosidades "areal" y "volumétrica" ​​son iguales para medios porosos con estructura aleatoria. ^[6]
• Método de tomografía computarizada (utilizando escaneo CT industrial para crear una representación 3D de la geometría externa e interna, incluidos los huecos. Luego implementando un análisis de defectos utilizando software de computadora)
• Métodos de imbibición , ^[6] es decir, inmersión de la muestra porosa, al vacío, en un fluido que humedezca preferentemente los poros.
  • Método de saturación de agua (volumen de poros = 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. ^[6] Una muestra de volumen a granel conocido se incluye en un recipiente de volumen conocido. Está conectado a otro recipiente con un volumen conocido que se evacua (es decir, cerca de la presión del vacío). Cuando se abre una válvula que conecta los dos contenedores, el gas pasa del primer contenedor 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

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

dónde

V _V es el volumen efectivo de los poros,

V _T es el volumen total de la muestra,

V _a es el volumen del recipiente que contiene la muestra,

V _b es el volumen del contenedor evacuado,

P ₁ es la presión inicial en el volumen V _a y V _V , y

P ₂ es la presión final presente en todo el sistema.

La porosidad se desprende directamente de su definición adecuada.

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

Tenga en cuenta que este método supone 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 crioporometría. Un pequeño cristal de un líquido se funde a una temperatura más baja que el líquido en masa, como lo indica la ecuación de Gibbs-Thomson . Por tanto, si un líquido se embebe 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 utilizando calorimetría diferencial de barrido (termoporometría DSC), ^[7] midiendo la cantidad de líquido móvil mediante resonancia magnética nuclear (crioporometría RMN) ^[8] o medir la amplitud de la dispersión de neutrones de las fases líquidas o cristalinas embebidas (crioporometría ND). ^[9]

Ver también

• relación de vacío
• Geología del petróleo
• Poromecánica
• Densidad a Granel
• Densidad de partículas (densidad empaquetada)
• Densidad de empaquetamiento
• Vacío (compuestos)
• Imágenes de difracción coherente

Referencias

• Glasbey, California; GW Horgan; JF Darbyshire (septiembre de 1991). "Análisis de imágenes y modelado tridimensional de poros en agregados del suelo". Revista de ciencia del suelo . 42 (3): 479–86. doi :10.1111/j.1365-2389.1991.tb00424.x.
• Horgan, GW; Bola BC (1994). "Simulando la difusión en un modelo booleano de poros del suelo". Revista europea de ciencia del suelo . 45 (4): 483–91. Código Bib : 1994EuJSS..45..483H. doi : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00534.x .
• Horgan, Graham W. (1 de octubre de 1996). "Una revisión de los modelos de poros del suelo" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de mayo de 2005 . Consultado el 16 de abril de 2006 . {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
• Horgan, GW (junio de 1998). "Morfología matemática para el análisis de imágenes de suelos". Revista europea de ciencia del suelo . 49 (2): 161–73. doi :10.1046/j.1365-2389.1998.00160.x. S2CID  97042651.
• Horgan, GW (febrero de 1999). "Una investigación de las influencias geométricas en la difusión del espacio poroso". Geoderma . 88 (1–2): 55–71. Código Bib : 1999Geoda..88...55H. doi :10.1016/S0016-7061(98)00075-5.
• Nelson, J. Roy (enero de 2000). «Física de la impregnación» (PDF) . Microscopía hoy . 8 (1): 24. doi : 10.1017/S1551929500057114 . Archivado desde el original (PDF) el 27 de febrero de 2009.
• Rouquerol, Jean (diciembre de 2011). «Intrusión de líquidos y métodos alternativos para la caracterización de materiales macroporosos (Informe Técnico IUPAC)*» (PDF) . Pura aplicación. química . 84 (1): 107–36. doi :10.1351/pac-rep-10-11-19. S2CID  10472849.

Notas a pie de página

1. Mohammadizadeh, SeyedMehdi; Moghaddam, Mehdi Azhdary; Talebbeydokhti, Naser (2021). "Análisis de flujo en medios porosos utilizando una red de superficie libre presurizada combinada". Revista de medios porosos . Casa Begel Inc. 24 (10): 1–15. doi :10.1615/JPorMedia.2021025407. S2CID  235877042.
2. GF Hewitt, GL Shires, YVPolezhaev (editores), "Enciclopedia internacional de transferencia de masa y calor", CRC Press, 1997.
3. ATHY LF, 1930. Densidad, porosidad y compactación de rocas sedimentarias, Bull. América. Asociación. Gasolina. Geol. v.14, págs.1-24.
4. Porosidad efectiva e ineficaz o porosidad total y efectiva explicada en E&P Geology.com Archivado el 13 de marzo de 2012 en Wayback Machine.
5. "¿Cómo arreglar la porosidad de la fundición a presión?". Godfrey y ala .
6. FAL Dullien, "Medios porosos. Transporte de fluidos y estructura de los poros", Academic Press , 1992.
7. Brun, M.; Lallemand, A.; Quinson, JF.; Eyraud, C. (1977). "Un nuevo método para la determinación simultánea del tamaño y la forma de los poros: La Termoporometría". Acta Termoquímica . Compañía editorial científica Elsevier, Ámsterdam. 21 : 59–88. doi :10.1016/0040-6031(77)85122-8.
8. Mitchell, J.; Webber, J. Beau W.; Extraño, JH (2008). "Crioporometría por resonancia magnética nuclear" (PDF) . Física. Representante . 461 (1): 1–36. Código bibliográfico : 2008PhR...461....1M. doi :10.1016/j.physrep.2008.02.001.
9. Webber, J. Beau W.; Doré, John C. (2008). "Crioporometría por difracción de neutrones: una técnica de medición para estudiar materiales mesoporosos y las fases de los líquidos contenidos y sus formas cristalinas" (PDF) . Núcleo. Instrumento. Métodos A. 586 (2): 356–66. Código Bib : 2008NIMPA.586..356W. doi :10.1016/j.nima.2007.12.004. S2CID  28074381.

enlaces externos

• Cálculos de porosidad absoluta y porosidad efectiva
• Buzz sobre geología: porosidad