Porosidad

La porosidad o fracción de vacío es una medida de los espacios vacíos (es decir, "vacíos") en un material , y es una fracción del volumen de los 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 ( véase espuma de celda cerrada ).

Existen muchas maneras de comprobar la porosidad de una sustancia o pieza, como por ejemplo mediante tomografía computarizada industrial .

El término porosidad se utiliza en múltiples campos, incluyendo farmacia , cerámica , metalurgia , materiales , manufactura , petrofísica , hidrología , ciencias de la tierra , mecánica de suelos , mecánica de rocas e ingeniería . ^{[ 1 ]}

En el flujo bifásico gas-líquido , la fracción de vacío 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 de vacío suele variar de un punto a otro del canal de flujo (dependiendo del patrón de flujo bifásico). Fluctúa con el tiempo y su valor generalmente se promedia en el tiempo. En el flujo separado (es decir, no homogéneo ), está relacionada con los caudales volumétricos de la fase gaseosa y líquida, y con la relación de la velocidad de ambas fases (denominada relación de deslizamiento ).

Utilizada 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 mediante la relación :

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

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

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 compleja de muchos factores, incluidos, entre otros: la tasa de enterramiento, la profundidad de enterramiento, la naturaleza de los fluidos connatos y la naturaleza de los sedimentos suprayacentes (que pueden impedir la expulsión de fluidos). Una relación comúnmente utilizada entre la porosidad y la profundidad es la función exponencial decreciente dada por la ecuación de Athy (1930): ^{[ 3 ]}

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

dónde,${\displaystyle \phi (z)}$es la porosidad del sedimento a una profundidad determinada (${\displaystyle z}$) (m),${\displaystyle \phi _{0}}$es la porosidad inicial del sedimento en la superficie del suelo (antes de su enterramiento), y${\displaystyle k}$es el coeficiente de compactación (m ⁻¹ ). La letra${\displaystyle e}$Un exponente negativo indica una función exponencial decreciente. La porosidad del sedimento disminuye exponencialmente con la profundidad, en función de su compactación.

Alternativamente, se puede calcular un valor para la porosidad a partir de la densidad aparente.${\displaystyle \rho _{\text{volumen}}}$densidad del fluido saturante${\displaystyle \rho _{\text{fluido}}}$y densidad de partículas${\displaystyle \rho _{\text{partícula}}}$:

${\displaystyle \phi ={\frac {\rho _{\text{partícula}}-\rho _{\text{volumen}}}{\rho _{\text{partícula}}-\rho _{\text{fluido}}}}}$

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

${\displaystyle \phi =1-{\frac {\rho _{\text{volumen}}}{\rho _{\text{partícula}}}}}$

Se puede considerar que la densidad media de partículas normales es de aproximadamente 2,65  g/cm³ ⁽ sílice , sedimentos o agregados silíceos) o de 2,70  g/cm³ ⁽ calcita , sedimentos o agregados carbonatados), aunque se puede obtener una mejor estimación examinando la litología de las partículas.

Clasificación y porosidad

Los materiales bien clasificados (con granos de tamaño prácticamente uniforme) presentan mayor porosidad que los materiales de tamaño similar pero mal clasificados (donde las partículas más pequeñas llenan los espacios entre las más grandes). El gráfico ilustra cómo algunos granos pequeños pueden llenar eficazmente los poros (por donde fluye el agua), reduciendo drásticamente la porosidad y la conductividad hidráulica, a pesar de representar solo una pequeña fracción del volumen total del material. Para consultar tablas con valores comunes de porosidad en materiales terrestres , véase la sección "Lecturas recomendadas" del artículo de Hidrogeología .

La clasificación estandarizada de tamaños de poro en microporosidad, mesoporosidad y macroporosidad fue establecida formalmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1985, a partir de marcos históricos propuestos por MM Dubinin y DH Everett ^{[ 6 ]} . Esta nomenclatura se derivó específicamente del comportamiento termodinámico y cinético de la fisisorción de gases dentro de materiales rígidos en estado sólido ^{[ 6 ] [ 7 ]} . Bajo este marco de interacción gas-sólido, los límites están estrictamente determinados por los mecanismos de adsorción de gases:

• Microporosidad : Se refiere a poros con un diámetro menor a 2 nm. En estas estructuras ultrafinas, los potenciales de adsorción de las paredes opuestas de los poros se superponen, lo que da lugar a un llenado cooperativo de los microporos a presiones relativas muy bajas ^{[ 7 ]} . El transporte a través de microporos se caracteriza a menudo por difusión activada.
• Mesoporosidad : Se refiere a poros con un diámetro entre 2 nm y 50 nm. Esta escala se define por la condensación capilar del gas adsorbido, que se manifiesta típicamente como un bucle de histéresis distintivo durante el análisis de adsorción de gas ^{[ 7 ]} . El transporte dentro de los mesoporos se rige principalmente por la difusión de Knudsen.
• Macroporosidad : Se refiere a poros con un diámetro mayor de 50 nm. A esta escala, el efecto de confinamiento desaparece y las moléculas de gas se comportan como lo harían en una superficie sólida externa abierta y sin confinamiento ^{[ 7 ]} . El transporte a través de macroporos se describe mediante difusión volumétrica.

Si bien los prefijos «micro», «meso» y «macro» se han adoptado ampliamente en diversas disciplinas aplicadas, como la hidrología, la ciencia farmacéutica y la bioingeniería, los umbrales dimensionales exactos definidos por la IUPAC suelen pasarse por alto en contextos no químicos. En la investigación aplicada, estos términos se utilizan a menudo de forma coloquial para describir jerarquías estructurales relativas en lugar de adherirse a la dinámica estricta de sorción gas-sólido. Esta divergencia semántica introduce una ambigüedad interdisciplinaria significativa, particularmente en los campos de la biología y la materia blanda, donde los fenómenos de transporte funcional se rigen por las interacciones celulares y de nutrientes, en lugar de por la cinética de gases moleculares no confinados.

En los campos de la biología aplicada y la ingeniería de tejidos, los investigadores suelen ampliar estos términos exactos al nivel de micrómetros para alinearlos mejor con las dimensiones celulares. En la literatura biomédica, los "microporos" se redefinen frecuentemente para abarcar hasta 10 μm, mientras que los "macroporos" se definen vagamente como cualquier cosa mayor de 10 o 100 μm. Esto crea una notable paradoja semántica cuando los materiales inteligentes cruzan disciplinas, como los andamios de hidrogel multiescala que presentan "macroporos" a escala micrométrica para el crecimiento celular mientras que simultáneamente transportan partículas "mesoporosas" de la IUPAC a escala nanométrica ^{[ 8 ] [ 9 ]} , por ejemplo, para la administración localizada de fármacos. Para mitigar esta confusión interdisciplinaria y establecer un contexto biológico claro para la caracterización de poros, marcos alternativos recientes han propuesto una nomenclatura relativa a la célula, clasificando los huecos en parvoporos , medioporos y magnoporos según sus interacciones funcionales específicas con las células y la difusión de nutrientes ^{[ 9 ]} .

La proporción de poros respecto a la superficie sólida que percibe el viento. La porosidad aerodinámica es menor que la porosidad visual, en una cantidad que depende de la constricción de los poros.

La porosidad en la fundición es consecuencia de uno o más de los siguientes factores: la gasificación de contaminantes a temperaturas de metal fundido; la contracción que se produce al solidificarse el metal fundido; y los cambios inesperados o incontrolados de temperatura o humedad.

Si bien la porosidad es inherente a la fabricación por 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 diversas 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 la pieza fundida, lo que impide que esta mantenga la presión. La porosidad también puede provocar desgasificación durante el proceso de pintura, lixiviación de ácidos de recubrimiento y vibraciones de la herramienta en el mecanizado de componentes metálicos prensados. ^{[ 10 ]}

Para medir la porosidad se pueden emplear varios métodos:

• Métodos directos (determinar el volumen total de la muestra porosa y luego determinar el volumen del material esquelético sin poros (volumen de poros  = volumen total  − volumen del material).
• Métodos ópticos (por ejemplo, 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. ^{[ 11 ]}
• Método de tomografía computarizada (utilizando escaneo CT industrial para crear una representación 3D de la geometría externa e interna, incluyendo huecos. Luego, implementando un análisis de defectos mediante software informático).
• Métodos de imbibición , ^{[ 11 ]} es decir, inmersión de la muestra porosa, al vacío, en un fluido que humedece preferentemente los poros.
  • Método de saturación de agua (volumen de poros  = volumen total de agua  − volumen de agua restante 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 por 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. ^{[ 11 ]} Una muestra de volumen aparente conocido se introduce en un recipiente de volumen conocido. Este se conecta a otro recipiente de volumen conocido que se encuentra al vacío (es decir, a una presión cercana al vacío). Al abrir la válvula que conecta ambos recipientes, el gas pasa del primero al segundo hasta alcanzar una distribución de presión uniforme. Utilizando 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 recipiente evacuado,

P ₁ es la presión inicial en 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 deduce directamente de su definición adecuada.

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

Cabe señalar que este método presupone que existe comunicación de gas 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 inferior a la del líquido en masa, según la ecuación de Gibbs-Thomson . Por lo tanto, si un líquido se absorbe 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 puede realizarse midiendo los flujos de calor transitorios durante los cambios de fase mediante calorimetría diferencial de barrido (termoporometría DSC) ^{[ 12 ]} , midiendo la cantidad de líquido móvil mediante resonancia magnética nuclear (crioporometría RMN) ^{[ 13 ]} o midiendo la amplitud de la dispersión de neutrones de las fases cristalinas o líquidas absorbidas (crioporometría ND) ^{[ 14 ] .}

• La ley de Archie
• Densidad aparente
• Imágenes de difracción coherente
• Densidad de empaquetamiento
• Densidad de partículas (densidad de empaquetamiento)
• Geología del petróleo
• Poromecánica
• Vacío (compuestos)
• Relación de vacíos

• Glasbey, CA; GW Horgan; JF Darbyshire (septiembre de 1991). "Análisis de imágenes y modelado tridimensional de poros en agregados de suelo". Journal of Soil Science . 42 (3): 479– 86. Bibcode : 1991EuJSS..42..479G . doi : 10.1111/j.1365-2389.1991.tb00424.x .
• Horgan, GW; BC Ball (1994). "Simulación de difusión en un modelo booleano de poros del suelo" . European Journal of Soil Science . 45 (4): 483– 91. Bibcode : 1994EuJSS..45..483H . doi : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00534.x .
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• Rouquerol, Jean (diciembre de 2011). "Intrusión líquida y métodos alternativos para la caracterización de materiales macroporosos (Informe técnico de la IUPAC)*" (PDF) . Pure Appl. Chem . 84 (1): 107–36 . Bibcode : 2011PApCh..84..107R . doi : 10.1351/pac-rep-10-11-19 . S2CID 10472849 . 

• Cálculos de porosidad absoluta y porosidad efectiva
• Noticias de geología: Porosidad