Struktura porów

Mikrotomografia komputerowa ośrodka porowatego: pory ośrodka porowatego zaznaczono kolorem fioletowym, a nieprzepuszczalną porowatą matrycę kolorem zielono-żółtym.

Struktura porów jest powszechnym terminem używanym do scharakteryzowania porowatości , wielkości porów, rozkładu wielkości porów i morfologii porów (takiej jak kształt porów, chropowatość powierzchni i krętość kanałów porów) ośrodka porowatego . Pory to otwory w powierzchni nieprzepuszczalnej porowatej matrycy, w których mogą znajdować się gazy, ciecze, a nawet obce mikroskopijne cząsteczki. Struktura porów i przepływ płynu w ośrodkach porowatych są ze sobą ściśle powiązane.

Przy mikronanoskalowych promieniach porów, złożonych połączeniach i znacznej niejednorodności, złożoność struktury porów wpływa na przewodność hydrauliczną i zdolność zatrzymywania tych płynów. Wewnętrzna przepuszczalność jest cechą, na którą przede wszystkim wpływa struktura porów, a podstawowymi czynnikami fizycznymi regulującymi przepływ i dystrybucję płynu są stosunek powierzchni ziarna do objętości i kształt ziarna.

Pomysł, że przestrzeń porów składa się z sieci kanałów, przez które płyn może przepływać, jest szczególnie pomocny. Otwory porów to stosunkowo cienkie przekroje, które dzielą stosunkowo duże części, znane jako ciała porów. Inne analogie anatomiczne obejmują „brzuch” lub „talię” dla szerokiego obszaru porów i „szyję” lub „gardło” dla części zaciskającej. Ciała porów to szczeliny międzykrystaliczne o wymiarach, które są na ogół znacznie mniejsze niż wymiary otaczających cząstek w ośrodku, w którym dominuje strukturalna przestrzeń porów, na przykład w piasku. Z drugiej strony tunel czasoprzestrzenny można uznać za pojedynczy por, jeśli jego średnica jest praktycznie stała na całej długości.

Takie pory mogą mieć jeden z trzech rodzajów granic: (1) zwężenie, które jest płaszczyzną w poprzek lokalnie najwęższej części przestrzeni porów; (2) interfejs z innym porem (takim jak tunel czasoprzestrzenny lub pęknięcie); lub (3) interfejs z ciałem stałym.

Porowatość

Porowatość pokazana jako kolor fioletowy (cienki przekrój pod płytą gipsową z mikroskopijnymi ziarnami węglanu). Pasek skali 500 mikrometrów.

Proporcja pustej przestrzeni w ośrodku porowatym nazywana jest porowatością . Określa się ją dzieląc objętość porów lub pustych przestrzeni przez całkowitą objętość. Wyraża się ją w procentach lub ułamkach dziesiętnych z przedziału od 0 do 1. Porowatość większości skał waha się od mniej niż 1% do 40%.

Porowatość wpływa na magazynowanie płynów w systemach geotermalnych, polach naftowych i gazowych oraz warstwach wodonośnych , co pokazuje, że odgrywa ona znaczącą rolę w geologii . Ruch i transport płynów w formacjach geologicznych, a także związek między właściwościami masowymi skały a właściwościami poszczególnych minerałów są kontrolowane przez rozmiar i łączność porowatej struktury.

Pomiar porowatości

Zmierzono całkowitą objętość próbek i objętość przestrzeni porów w celu obliczenia porowatości.

Pomiar objętości przestrzeni porów

Pirometr helowy wykorzystano do obliczenia objętości porów i oparto się na prawie Boyle'a . (P 1 V 1 = P 2 V 2 ) i gazowy hel, który z łatwością przechodzi przez małe otwory i jest obojętny, w celu identyfikacji frakcji stałej próbki. Rdzeń jest umieszczany w komorze próbki o znanej objętości. Do komory referencyjnej o znanej objętości przykładane jest ciśnienie. Gazowy hel może teraz przejść z komory referencyjnej do komory próbki dzięki połączeniu między dwoma pomieszczeniami. Objętość próbki stałej oblicza się stosując stosunek ciśnienia początkowego do końcowego. Objętość porów, obliczona za pomocą piknometru helowego, jest różnicą między całkowitą objętością a objętością ciała stałego.

Wielkość porów i rozkład wielkości porów

Rozmiar porów

Zazwyczaj efektywny promień korpusu lub szyjki porów jest używany do określenia wielkości porów. Położenie, kształt i połączenie porów w ciałach stałych to tylko niektóre z ich licznych atrybutów, a najłatwiejszym do wizualizacji aspektem porów jest prawdopodobnie jego rozmiar lub zasięg w jednym wymiarze przestrzennym .

W porównaniu z innymi czynnikami, takimi jak kształt porów, można argumentować, że rozmiar porów ma największy lub najszerszy wpływ na właściwości ciał stałych. Dlatego używanie wielkości porów lub rozkładu wielkości porów do opisu i kontrastu różnych substancji porowatych jest zdecydowanie wygodne i cenne.

Trzy główne zakresy wielkości porów (aktualna klasyfikacja wielkości porów zalecana przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej) są następujące:

Główne zakresy wielkości porów.
Mikropory Szerokość porów mniejsza niż 2 nm
Mezopory Szerokość porów od 2 do 50 nm
makropory Szerokość porów większa niż 50 nm

Rozkład wielkości porów

Względna obfitość każdego rozmiaru porów w typowej objętości gleby jest reprezentowana przez rozkład wielkości porów. Jest to reprezentowane przez funkcję f(r), której wartość jest proporcjonalna do całkowitej objętości wszystkich porów, których efektywny promień mieści się w nieskończenie małym zakresie wyśrodkowanym na r. A f(r) może mieć składowe teksturalne i strukturalne.

Pomiar rozkładu wielkości porów

Porozymetria z intruzją rtęci i adsorpcja gazów to powszechne techniki określania rozkładu wielkości porów materiałów i źródeł energii.

Badając rozkład wielkości porów techniką adsorpcji gazów z wykorzystaniem izotermy adsorpcji azotu lub argonu w temperaturach ich wrzenia, możliwe jest określenie wielkości porów od poziomu molekularnego do kilkuset nm. Precyzyjne ograniczenia czujnika ciśnienia i stabilność temperatury chłodziwa skutkują maksymalnym obserwowanym rozmiarem porów nieco ponad 100 nm w realistycznym środowisku.

Porozymetria rtęciowa określa rozkład wielkości porów i określa ilościowo związaną z tym ilość wtargnięcia poprzez zastosowanie ciśnienia do niezwilżającej rtęci. Wielkość porów można łatwo oszacować za pomocą tej metody i mieści się ona w zakresie od kilku nm do 1000 urn. Materiał musi być wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać ciśnienie, ponieważ wtargnięcie rtęci wymaga ciśnienia 140 MPa dla porów mniejszych niż 10 nm. Dodatkowo wykorzystuje tę ideę do określenia wielkości porów szyjki kałamarza.

Stosunek wielkości porów do rozkładu wielkości porów

Oczekuje się, że związek między wielkością porów a rozkładem wielkości porów w losowo skonstruowanym układzie porowatym będzie monotoniczny: większe pory są połączone z większymi cząstkami. Zależność między wielkością porów a wielkością cząstek komplikuje nielosowy charakter większości gleb. Duże pory można znaleźć zarówno w dużych, jak i małych cząstkach, w tym w glinkach, które sprzyjają agregacji, a tym samym rozwojowi dużych porów między agregatami. Podziały rozkładu wielkości porów w ośrodkach o losowej strukturze mogą wyrażać bardziej specyficzne cechy gleb z bardziej złożonymi koncepcjami, takimi jak histereza retencji wody w glebie.

Morfologia porów

Morfologia porów to kształt, chropowatość powierzchni i krętość kanałów porów reprezentujących fazę ciekłą i gazową.

Krętość kanałów porów

Stosunek długości najkrótszych ścieżek między dwoma punktami w przestrzeni porów do odległości w linii prostej to krętość , zobrazowana za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej.

Krętość kanałów porów jest unikalną wielkością geometryczną, która służy nie tylko do pomiaru właściwości transportowych systemu porowatego, ale także do wyrażenia krętości i złożoności wewnętrznych dróg perkolacji .

Toruosity jest ściśle powiązany z zachowaniem transportowym przewodnictwa elektrycznego , przenikania płynów, dyfuzji molekularnej i wymiany ciepła w naukach o Ziemi , wpływając na parametry petrofizyczne, takie jak przepuszczalność, efektywna dyfuzyjność , przewodność cieplna i współczynnik oporu formacji.

Chropowatość powierzchni

Standardowa definicja chropowatości powierzchni dla ośrodka porowatego opiera się na średniej zmierzonej wartości współrzędnych pionowych w porównaniu ze względną wysokością powierzchni, taką jak chropowatość średnia kwadratowa lub chropowatość arytmetyczna. Jednak brak uwzględnienia topologii fraktalnej doprowadził do tego, że definicja względnej wysokości powierzchni została uznana za nieodpowiednią w rzeczywistości.

Stosunek „powierzchni rzeczywistej” do „geometrycznej powierzchni gładkiej” został użyty jako druga definicja chropowatości powierzchni. Definicja ta została zastosowana w kilku badaniach w celu zmiany równań przepływu lub pomiaru powierzchni międzyfazowej płyn-płyn.

Podstawowa idea geometrii fraktalnej pochodzi z trzeciej definicji chropowatości powierzchni, w której modyfikuje się powierzchnie porów (dwuwymiarowe) lub cały ośrodek porowaty (trójwymiarowy) za pomocą korekt wymiarów fraktalnych, co skutkuje większymi wymiarami powierzchni lub zmniejszone wymiary nośnika. Czasami używany jest wykładnik chropowatości Hursta , podobna definicja. Ta wielkość, która rozciąga się od 0 do 1, jest powiązana z wymiarem fraktalnym.

Zobacz też

Dalsza lektura

  • J. Niedźwiedź; (1972) Dynamika płynów w ośrodkach porowatych. (Elsevier, Nowy Jork)
  • Hillel, D.; (2004) Wprowadzenie do fizyki środowiska gleby. (Sydney: Elsevier/Academic Press: Amsterdam;)
  • Leeper GW (1993) Gleboznawstwo: wprowadzenie. ( Melbourne University Press : Carlton, Victoria ).

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pore_structure&oldid=1140037132 ”