Кіріспе

Сұйықтықпен толтырылған бос кеңістіктерді қамтитын материал. Материалтануда, кеуекті орта немесе кеуекті материал – бос кеңістіктерді (кеуекті) қамтитын материал. Материалдың қаңқалық бөлігі көбінесе «матрица» немесе «қаңқа» деп аталады. Көбінесе кеуектер сұйықтықпен (сұйықтық немесе газ) толтырылады. Қаңқалық материал әдетте қатты, бірақ көбік сияқты құрылымдар да кеуекті орта тұжырымдамасын қолдана отырып, тиімді талдауға болады. Кеуекті орта көбінесе кеуектілігімен сипатталады. Ортаның басқа да қасиеттері (мысалы, өткізгіштік, созылу беріктігі, электр өткізгіштігі, қисықтығы) кейде оның құрамына кіретін элементтердің (қатты матрица және сұйықтық) тиісті қасиеттерінен және ортаның кеуектілігі мен кеуектер құрылымынан шығарылуы мүмкін, бірақ мұндай шығару әдетте күрделі. Тіпті кеуектілік ұғымы да тек кеуекті-эластикалық орта үшін ғана түсінікті. Көбінесе қатты матрица және кеуектер желісі (кеуек кеңістігі деп те аталады) бір-бірімен өзара байланысқан екі үздіксіз ортаны құру үшін үздіксіз болады, мысалы, губкада. Дегенмен, жабық кеуектілік және тиімді кеуектілік, яғни ағынға қолжетімді кеуек кеңістігі деген ұғымдар да бар. Көптеген табиғи заттар, мысалы, тау жыныстары мен топырақ (мысалы, сулы горизонттар, мұнай кен орындары), цеолиттер, биологиялық тіндер (мысалы, сүйектер, ағаш, пробка) және цемент пен керамика сияқты адам жасаған материалдарды кеуекті орта деп қарастыруға болады. Олардың көптеген маңызды қасиеттерін оларды кеуекті орта ретінде қарастыру арқылы ғана түсіндіруге болады. Кеуекті орта тұжырымдамасы қолданбалы ғылым мен инженерияның көптеген салаларында қолданылады: сүзілу, механика (акустика, геомеханика, топырақ механикасы, тау жыныстары механикасы), инженерия (мұнай инженериясы, биоремедиация, құрылыс инженериясы), геоғылымдар (гидрогеология, мұнай геологиясы, геофизика), биология және биофизика, материалтану. Кеуекті материалдарды қолданудың екі маңызды ағымдағы саласы – энергияны түрлендіру және энергияны сақтау, онда кеуекті материалдар суперконденсаторлар, (фото) катализаторлар, отын жасушалары және аккумуляторлар үшін маңызды.

Микроскопиялық және макроскопиялық

Микроскопиялық және макроскопиялық деңгейде кезекті орталарды жіктеуге болады. Микроскопиялық масштабта құрылым көпіршік өлшемдерінің таралуы, көпіршіктердің өзара байланысу және бағытталғандық дәрежесі, өлі көпіршіктердің үлесі сияқты статистикалық көрсеткіштермен сипатталады. Макроскопиялық тәсілде пор өлшемдерінен әлдеқайда үлкен масштабтарда орташаланған көлемдік қасиеттер пайдаланылады. Бұл екі тәсіл мақсатқа қарай жиі қолданылады, себебі олар бір-бірін толықтырады. Полимерлік ерітінділерден макромолекулалардың адсорбциясы және порлардың бітелуі сияқты беттік құбылыстарды түсіну үшін микроскопиялық сипаттама қажет, ал сұйық ағыны, жылу және масса алмасу ең маңызды болып табылатын процестерді жобалау үшін макроскопиялық тәсіл көбінесе жеткілікті. Мұнда молекулалық өлшемдер кезекті жүйедегі порлардың өлшемдерінен едәуір кіші болады.

Көлдірлі орта арқылы сұйықтық ағыны

Көлдірлі орта арқылы сұйық ағыны – көпке таныс және жеке зерттеу саласы ретінде қалыптасқан тақырып. Қатты қаңқаның деформациясын қамтитын көлдірлі орталардың жалпы мінез-құлқын зерттеу пормеханика деп аталады. Көлдірлі ағындар теориясы, басқалармен қатар, сиямен басу және ядролық қалдықтарды кездеру технологияларында қолданылады. Көлдірлі ортадағы сұйық ағынына көптеген факторлар әсер етеді, ал оның негізгі функциясы – энергияны жұмсау және құдық арқылы сұйықтық құру. Көлдірлі орта арқылы ағын механикасында энергия мен ағын жылдамдығы арасындағы байланыс ең маңызды мәселе болып табылады. Осы байланысты сипаттайтын ең негізгі заң – Дарси заңы, ол әсіресе ұсақ көлдірлі орталарға қатысты қолданылады. Ал, Форхеймер заңы ірі тесікті орталарда тиімді.

Көлдірлі материалдарға арналған заңдар

Көлдірлі материалдарға арналған заңдардың бірі – жалпыланған Мюррей заңы. Жалпыланған Мюррей заңы белгілі бір көлемдегі тесіктердегі тасымалдау кедергісін ең төмендету арқылы масса тасымалын оңтайландыруға негізделген. Ол массаның өзгеруімен, ағыс процестерімен, молекулалық немесе иондық диффузиямен қатысты химиялық реакцияларды қамтитын масса тасымалын оңтайландыру үшін қолданылуы мүмкін. Радиусы r0 болатын аталық құбырды радиусы ri болатын көптеген тармақ құбырлармен қосу үшін жалпыланған Мюррей заңының формуласы: , мұндағы X – аталық тесіктегі масса тасымалы кезіндегі масса өзгеруінің қатынасы, ал α көрсеткіші – тасымалдау түріне байланысты. Ламинарлық ағым үшін α = 3; турбуленттік ағым үшін α = 7/3; молекулалық немесе иондық диффузия үшін α = 2; және т.б.