Medio poroso

En ciencia de los materiales , un medio poroso o un material poroso es un material que contiene poros (huecos). ^{[ 1 ]} La parte estructural del material se suele llamar "matriz" o "estructura". Los poros suelen estar llenos de un fluido ( líquido o gas ). El material estructural suele ser un sólido , pero las estructuras como las espumas también se analizan con frecuencia utilizando el concepto de medios porosos. ^{[ 2 ]}

Un medio poroso se caracteriza principalmente 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 de la porosidad del medio y la estructura de los poros, pero dicha derivación suele ser compleja. ^{[ 3 ]} 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, formando 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 y yacimientos petrolíferos ), zeolitas , tejidos biológicos (por ejemplo, huesos, madera y corcho ) y materiales artificiales como cementos y cerámicas, pueden considerarse medios porosos. Muchas de sus propiedades importantes solo pueden explicarse si se las considera como tales.

El concepto de medios porosos se utiliza en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería aplicadas: 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 para los materiales porosos son la conversión de energía y el almacenamiento de energía , donde los materiales porosos son esenciales para superpaciadores, (foto) catálisis , ^{[ 4 ]} pilas de combustible , ^{[ 5 ]} y baterías .

A nivel microscópico y macroscópico, los medios porosos pueden clasificarse. A escala microscópica, la estructura se representa estadísticamente mediante la distribución de tamaños de poro, el grado de interconexión y orientación de los poros, la proporción de poros muertos, etc. ^{[ 6 ]} La técnica macroscópica utiliza propiedades globales que se han promediado a escalas mucho mayores que el tamaño de poro. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Dependiendo del objetivo, estas dos técnicas se emplean con frecuencia, ya que son complementarias. Es evidente que la descripción microscópica es necesaria 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 fluidos , la transferencia de calor y de masa son de suma importancia. Además, las dimensiones moleculares son significativamente menores que el tamaño de poro del sistema poroso. ^{[ 6 ] [ 8 ]}

El flujo de fluidos a través de medios porosos es un tema de interés común y se ha convertido en un campo de estudio independiente. El estudio del comportamiento más general de los medios porosos, que incluye la deformación de la estructura sólida, se denomina poromecánica .

La teoría de los flujos porosos tiene aplicaciones en la impresión de inyección de tinta ^{[ 9 ]} y en las tecnologías de eliminación de residuos nucleares ^{[ 10 ]} , entre otras.

Numerosos factores influyen en el flujo de fluidos en medios porosos, y su función fundamental es disipar energía y generar fluido a través del pozo. En la mecánica de flujo a través de medios porosos, la relación entre energía y caudal se convierte en el aspecto más significativo. La ley fundamental que caracteriza esta relación es la ley de Darcy , ^{[ 11 ]} particularmente aplicable a medios de porosidad fina. En contraste, la ley de Forchheimer resulta útil en el contexto de medios de porosidad gruesa. ^{[ 12 ]}

Representación de la fase vacía que existe dentro 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 poros. ^{[ 13 ]}

Existen muchos modelos idealizados de estructuras porosas. Estos se pueden dividir a grandes rasgos en tres categorías:

• redes de capilares
• conjuntos de partículas sólidas (por ejemplo, un empaquetamiento compacto aleatorio de esferas)
• trimodal

Los materiales porosos suelen tener una estructura fractal , con una superficie de poro que parece crecer indefinidamente al observarse con una resolución cada vez mayor. ^{[ 14 ]} Matemáticamente, esto se describe asignando a la superficie del poro una dimensión de Hausdorff mayor que 2. ^{[ 15 ]} Los métodos experimentales para la investigación de estructuras de poros incluyen la microscopía confocal ^{[ 16 ]} y la tomografía de rayos X. ^{[ 17 ]} Los materiales porosos han encontrado aplicaciones en muchos campos de la ingeniería, incluyendo el sector automotriz. ^{[ 18 ]}

Una de las leyes para materiales porosos es la ley generalizada de Murray . Esta ley se basa en la optimización de la transferencia de masa mediante la minimización de la resistencia al transporte en poros de un volumen dado, y puede aplicarse para optimizar la transferencia de masa que implica variaciones de masa y reacciones químicas que involucran procesos de flujo, difusión de moléculas o iones. ^{[ 19 ]}

Para conectar una tubería principal con radio r ₀ a muchas tuberías secundarias con radio r _i , la fórmula de la ley generalizada de Murray es:${\displaystyle r_{o}^{a}={1 \over 1-X}\sum _{i=1}^{N}r_{i}^{a}}$donde X es la relación de variación de masa durante la transferencia de masa en el poro original, 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.

• Cenocélula
• Materiales nanoporosos
• RMN en medios porosos
• teoría de la percolación
• Umbral de percolación
• Espuma reticulada
• Filtración
• Poromecánica
• Transporte reactivo
• Permeabilidad
• Macroporo

• J. Bear; (1972) Dinámica de fluidos en medios porosos. (Elsevier, Nueva York)

• Definición de permeabilidad
• Adaptación de medios porosos para controlar la permeabilidad
• Representación gráfica de diferentes caudales a través de materiales de diferente permeabilidad.
• Fundamentos del flujo de fluidos en medios porosos