Porosidad

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 un porcentaje entre 0% y 100%. Estrictamente hablando, algunas pruebas miden el "vacío accesible", la cantidad total de espacio vacío accesible desde la superficie (cf. espuma de celda cerrada ).

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

El término porosidad se utiliza en múltiples campos, incluidos la industria farmacéutica , la cerámica , la metalurgia , los materiales , la fabricación , la petrofísica , la hidrología , las ciencias de la tierra , la mecánica de suelos , la mecánica de rocas y la 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 una ubicación a otra en el canal de flujo (según el patrón de flujo de dos fases). Fluctúa con el tiempo y su valor suele promediarse en el tiempo. En el flujo separado (es decir, no homogéneo ), está relacionada con los caudales volumétricos del gas y la fase líquida, y con la relación de la velocidad de las dos fases (denominada relación de deslizamiento ).

La porosidad de un medio poroso (como una roca o un sedimento ) se utiliza en geología , hidrogeología , edafología y ciencias de la construcción y describe la fracción de espacio vacío en el material, donde el espacio 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 los fluidos) y V _T es el volumen total o en masa del material, incluidos los componentes sólidos y vacíos. Tanto los símbolos matemáticos como se utilizan para indicar porosidad.${\estilo de visualización \phi}$${\estilo de visualización n}$

La porosidad es una fracción entre 0 y 1, que normalmente varía desde menos de 0,005 para el granito sólido hasta 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 del 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]

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

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

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

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

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

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

Se puede tomar una densidad de partículas normal media de aproximadamente 2,65 g/cm ³ ( sílice , sedimentos o agregados silíceos) o 2,70 g/cm ³ ( calcita , sedimentos o agregados carbonatados), aunque se puede obtener una mejor estimación examinando la litología de las partículas.

La porosidad puede ser proporcional a la conductividad hidráulica ; para dos acuíferos arenosos similares , el que tiene una porosidad más alta tendrá típicamente una conductividad hidráulica más alta (más área abierta para el flujo de agua), pero hay muchas complicaciones en esta relación. La principal complicación es que no hay una proporcionalidad directa entre la porosidad y la conductividad hidráulica sino más bien una proporcionalidad inferida. Hay una proporcionalidad clara entre los radios de garganta de poro y la conductividad hidráulica. También tiende a haber una proporcionalidad entre los radios de garganta de poro y el volumen de poro. Si existe la proporcionalidad entre los radios de garganta de poro 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 garganta de poro 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 poro) pero también tienen porosidades muy altas (debido a la naturaleza estructurada de los minerales arcillosos ), lo que significa que las arcillas pueden retener un gran volumen de agua por volumen de material a granel, pero no liberan agua rápidamente y, por lo tanto, tienen baja conductividad hidráulica.

Los materiales bien clasificados (granos de aproximadamente el mismo tamaño) tienen una mayor porosidad que los materiales de tamaño similar mal clasificados (en los que 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 (por donde se produce todo el flujo de agua), reduciendo drásticamente la porosidad y la conductividad hidráulica, mientras que solo representan una pequeña fracción del volumen total del material. Para ver las tablas de valores de porosidad comunes para materiales terrestres , consulte la sección "Lectura adicional" en el artículo de Hidrogeología .

Las rocas consolidadas (por ejemplo, arenisca , pizarra , granito o caliza ) tienen potencialmente porosidades "duales" más complejas, en comparación con los sedimentos aluviales . Esto 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: el tipo de roca, la distribución de los poros, la cementación, la historia diagenética y la composición. La porosidad no está controlada por el tamaño del grano, ya que el volumen del espacio entre los granos está relacionado únicamente con el método de empaquetamiento de los granos.

Las rocas normalmente pierden porosidad con la edad y la profundidad del enterramiento. Las areniscas de la Costa del Golfo de la era terciaria son, en general, más porosas que las areniscas de la era cámbrica . Existen excepciones a esta regla, generalmente debido a la profundidad del enterramiento y la historia termal.

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 la adhesión de partículas y una mayor resistencia a la compactación. La densidad aparente típica del suelo arenoso es de entre 1,5 y 1,7 g/cm ³ . Esto se calcula en una porosidad de entre 0,43 y 0,36. La densidad aparente típica del suelo arcilloso es de entre 1,1 y 1,3 g/cm ³ . Esto se calcula en una porosidad de entre 0,58 y 0,51. Esto parece contradictorio porque los suelos arcillosos se denominan pesados , lo que implica una porosidad menor . Aparentemente, pesado se refiere a un efecto del contenido de humedad gravitacional 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 el contenido de humedad del campo en comparación con la arena.

La porosidad del suelo subterráneo es menor que la del suelo superficial debido a la compactación por gravedad. Una porosidad de 0,20 se considera normal para material de tamaño de grava sin clasificar a profundidades por debajo del biomanto . Se puede esperar que la porosidad en material más fino por debajo de la influencia agregante de la pedogénesis se aproxime a este valor.

La porosidad del suelo es compleja. Los modelos tradicionales consideran que la porosidad es continua, lo que no tiene en cuenta las características anómalas y produce solo 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 burbujas , la teoría del agrietamiento , el proceso de grano booleano , la esfera compacta y muchos otros modelos. La caracterización del espacio poroso en el suelo es un concepto asociado.

Porosidad primaria

El sistema de porosidad principal u original en una roca o depósito aluvial libre .

Porosidad secundaria

Un sistema de porosidad posterior o independiente 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

Se trata de una porosidad asociada a un sistema de fracturas o fallas. Puede crear porosidad secundaria en rocas que de otro modo no serían reservorios de hidrocarburos debido a que su porosidad primaria se destruye (por ejemplo, debido a la profundidad del enterramiento) o en un tipo de roca que normalmente no se considera un reservorio (por ejemplo, intrusiones ígneas o metasedimentos).

Porosidad vaga

Se trata de una porosidad secundaria generada por la disolución de grandes estructuras (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 se produce efectivamente el flujo de fluido e incluye los poros catenarios y sin salida (ya que estos poros no se pueden limpiar, pero pueden provocar el movimiento del fluido mediante la liberación de presión, como la expansión de un gas ^[4] ) y excluye los poros cerrados (o cavidades no conectadas). Esto es muy importante para el flujo de agua subterránea 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 hay fluidos o gases pero en la que el flujo de fluidos 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 agua subterránea y petróleo.

Doble porosidad

Se refiere a la idea conceptual de que existen dos depósitos superpuestos que interactúan. En los acuíferos de roca fracturada, la masa rocosa y las fracturas suelen simularse 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 depósitos matemáticamente diferentes (ya 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 en masa.

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 la difusión de Knudsen.

Microporosidad

En los sólidos (es decir, excluyendo materiales agregados como los suelos), el término "microporosidad" se refiere a poros de diámetro inferior a 2 nm. El movimiento en los microporos se activa por difusión.

Relación entre agujeros y 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.

La porosidad de la fundición es una consecuencia de uno o más de los siguientes factores: gasificación de contaminantes a temperaturas del metal fundido; contracción que tiene lugar a medida que el metal fundido se solidifica; y cambios inesperados o no controlados en la temperatura o la humedad.

Si bien la porosidad es inherente a la fabricación de piezas fundidas a presión, su presencia puede provocar fallas en los componentes en los que 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 impide que la pieza mantenga la presión. La porosidad también puede provocar desgasificación durante el proceso de pintado, lixiviación de ácidos de enchapado y vibraciones de la herramienta en el mecanizado de componentes de metal prensado. ^[5]

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 del material).
• Métodos ópticos (por ejemplo, determinar el área del material en función del área de los poros visibles al microscopio). Las porosidades "areales" y "volumétricas" son iguales para medios porosos con estructura aleatoria. ^[6]
• Método de tomografía computarizada (utilizando una tomografía computarizada industrial para crear una representación tridimensional de la geometría externa e interna, incluidos los huecos. Luego se implementa un análisis de defectos utilizando un software informático)
• Métodos de imbibición , ^[6] 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 que queda después del remojo).
• Método de evaporación de agua (volumen de poro = (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. ^[6] Una muestra de volumen conocido se encierra en un recipiente de volumen conocido. Se conecta a otro recipiente con un volumen conocido que se vacía (es decir, cerca de la presión de vacío). Cuando se abre una válvula que conecta los dos recipientes, el gas pasa del primer recipiente al segundo hasta que se alcanza 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 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 propia definición.

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

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.

• Termoporometría y crioporometría. Un pequeño cristal de un líquido se funde a una temperatura más baja que el líquido en su conjunto, como se indica en 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 se puede realizar detectando los flujos de calor transitorios durante los cambios de fase mediante calorimetría diferencial de barrido (termoporometría DSC), ^[7] midiendo la cantidad de líquido móvil mediante resonancia magnética nuclear (crioporometría RMN) ^[8] o midiendo la amplitud de la dispersión de neutrones de las fases cristalinas o líquidas absorbidas (crioporometría ND). ^[9]

• Relación de vacío
• Geología del petróleo
• Poromecánica
• Densidad aparente
• Densidad de partículas (densidad de empaquetamiento)
• Densidad de empaquetamiento
• Vacío (compositos)
• Imágenes de difracción coherente

• 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. doi :10.1111/j.1365-2389.1991.tb00424.x.
• Horgan, GW; BC Ball (1994). "Simulación de la difusión en un modelo booleano de poros del suelo". Revista Europea de Ciencias del Suelo . 45 (4): 483–91. Código Bibliográfico :1994EuJSS..45..483H. doi : 10.1111/j.1365-2389.1994.tb00534.x .
• Horgan, Graham W. (1996-10-01). "Una revisión de los modelos de poros del suelo" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2005-05-15 . Consultado el 2006-04-16 . {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
• Horgan, GW (junio de 1998). "Morfología matemática para el análisis de imágenes de suelos". Revista Europea de Ciencias 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 en el espacio poroso". Geoderma . 88 (1–2): 55–71. Bibcode :1999Geode..88...55H. doi :10.1016/S0016-7061(98)00075-5.
• Nelson, J. Roy (enero de 2000). "Física de la impregnación" (PDF) . Microscopy Today . 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 de la IUPAC)*" (PDF) . Pure Appl. Chem . 84 (1): 107–36. doi :10.1351/pac-rep-10-11-19. S2CID  10472849.

• Cálculos de porosidad absoluta y porosidad efectiva
• Geología Buzz: Porosidad