En la ciencia de los materiales , un medio poroso o un material poroso es un material que contiene poros (huecos). [1] La parte 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 un sólido , pero las estructuras como las espumas también suelen analizarse de manera útil utilizando el concepto de medio poroso.
Un medio poroso se caracteriza con mayor frecuencia por su porosidad . Otras propiedades del medio (por ejemplo, permeabilidad , resistencia a la tracción , conductividad eléctrica , tortuosidad ) a veces se pueden derivar 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 solo es sencillo para un medio poroelástico.
A menudo, tanto la matriz sólida como la red de poros (también conocida como espacio poroso) 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 suelos (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 propiedades importantes solo pueden racionalizarse si se las considera medios porosos.
El concepto de medios porosos se utiliza en muchas áreas de la ciencia aplicada y la ingeniería: filtración , mecánica ( acústica , geomecánica , mecánica de suelos , mecánica de rocas ), ingeniería ( ingeniería petrolera , biorremediación , ingeniería de la construcción ), geociencias ( hidrogeología , geología petrolera , geofísica ), biología y biofísica , ciencia de los materiales . Dos importantes campos de aplicación actuales de los materiales porosos son la conversión de energía y el almacenamiento de energía , donde los materiales porosos son esenciales para los supercompactores, la (foto) catálisis , [2] las pilas de combustible , [3] y las baterías .
Los medios porosos se pueden clasificar a nivel microscópico y macroscópico. A escala microscópica, la estructura se representa estadísticamente mediante la distribución de tamaños de poros, el grado de interconexión y orientación de los poros, la proporción de poros muertos, etc. [4] La técnica macroscópica hace uso de propiedades en masa que se han promediado a escalas mucho mayores que el tamaño de los poros. [4] [5]
Dependiendo del objetivo, estas dos técnicas se emplean con frecuencia ya que son complementarias. Es obvio que la descripción microscópica es necesaria para comprender fenómenos de superficie como la adsorción de macromoléculas de soluciones de polímeros y el bloqueo de poros, mientras que el enfoque macroscópico es con frecuencia suficiente para el diseño de procesos donde el flujo de fluidos , el calor y la transferencia de masa son de máxima importancia 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 independiente. El estudio del comportamiento más general de los medios porosos que implica la deformación del marco sólido se denomina poromecánica .
La teoría de flujos porosos tiene aplicaciones en tecnologías de impresión por inyección de tinta [7] y de eliminación de residuos nucleares [8] , entre otras.
Numerosos factores influyen en el flujo de fluidos 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 medios porosos, la conexión entre la energía y el caudal se convierte en el tema más importante. La ley más fundamental que caracteriza esta conexión es la ley de Darcy [9], particularmente aplicable a medios de poros finos. En contraste, la ley de Forchheimer encuentra utilidad en el contexto de medios de poros gruesos. [10]
Representación de la fase de vacío que existe en el interior de los materiales porosos mediante 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 los poros. [11]
Existen muchos modelos idealizados de estructuras de poros. Se pueden dividir en tres categorías:
Los materiales porosos suelen tener una estructura similar a un fractal , con un área de superficie de poro que parece crecer indefinidamente cuando se observa con una resolución que aumenta progresivamente. [12] Matemáticamente, esto se describe asignando a la superficie del poro una dimensión de Hausdorff mayor que 2. [13] Los métodos experimentales para la investigación de las estructuras de los poros incluyen la microscopía confocal [14] y la tomografía de rayos X. [15] Los materiales porosos han encontrado algunas aplicaciones en muchos campos de ingeniería, incluidos los sectores automotrices. [16]
Una de las leyes para materiales porosos es la ley generalizada de Murray . La ley generalizada de Murray se basa en optimizar la transferencia de masa al minimizar la resistencia al transporte en poros con un volumen dado, y puede aplicarse para optimizar la transferencia de masa que involucra variaciones de masa y reacciones químicas que involucran procesos de flujo, difusión de moléculas o iones. [17]
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 de Murray generalizada es: , donde X es la relación de variación de masa durante la transferencia de masa en el poro principal, el exponente α depende del tipo de transferencia. Para flujo laminar α = 3; para flujo turbulento α = 7/3; para difusión molecular o iónica α = 2; etc.
