В материаловедении пористой средой или пористым материалом является материал, содержащий поры (пустоты). Скелетную часть материала часто называют "матрицей" или "каркасом". Поры обычно заполнены жидкостью (жидкостью или газом). Скелетный материал обычно является твердым, но структуры, такие как пены, часто также полезно анализировать с использованием концепции пористых сред. Пористую среду чаще всего характеризует ее пористость. Другие свойства среды (например, проницаемость, прочность на растяжение, электрическая проводимость, извилистость) иногда могут быть выведены из соответствующих свойств ее составляющих (твердой матрицы и жидкости), а также пористости среды и структуры пор, но такое выведение обычно сложно. Даже понятие пористости однозначно только для пороупругой среды. Часто как твердая матрица, так и сеть пор (также известная как порное пространство) являются непрерывными, образуя два взаимно проникающих континуума, например, в губке. Однако существует также понятие закрытой пористости и эффективной пористости, то есть порное пространство, доступное для течения. Многие природные вещества, такие как горные породы и почва (например, водоносные горизонты, нефтяные пласты), цеолиты, биологические ткани (например, кости, древесина, пробка) и искусственные материалы, такие как цементы и керамика, могут рассматриваться как пористые среды. Многие из их важных свойств можно рационально объяснить только при рассмотрении их как пористых сред. Концепция пористой среды используется во многих областях прикладной науки и техники: фильтрация, механика (акустика, геомеханика, механика грунтов, механика горных пород), инженерия (нефтегазовая инженерия, биоремедиация, строительная инженерия), геонауки (гидрогеология, нефтяная геология, геофизика), биология и биофизика, материаловедение. Две важные современные области применения пористых материалов – преобразование и накопление энергии, где пористые материалы необходимы для суперконденсаторов, (фото)катализа, топливных элементов и аккумуляторов.
In materials science, a porous medium or a porous material is a material containing pores (voids). The skeletal portion of the material is often called the "matrix" or "frame". The pores are typically filled with a fluid (liquid or gas). The skeletal material is usually a solid, but structures like foams are often also usefully analyzed using concept of porous media. A porous medium is most often characterised by its porosity. Other properties of the medium (e. g. permeability, tensile strength, electrical conductivity, tortuosity) can sometimes be derived from the respective properties of its constituents (solid matrix and fluid) and the media porosity and pores structure, but such a derivation is usually complex. Even the concept of porosity is only straightforward for a poroelastic medium. Often both the solid matrix and the pore network (also known as the pore space) are continuous, so as to form two interpenetrating continua such as in a sponge. However, there is also a concept of closed porosity and effective porosity, i. e. the pore space accessible to flow. Many natural substances such as rocks and soil (e. g. aquifers, petroleum reservoirs), zeolites, biological tissues (e. g. bones, wood, cork), and man made materials such as cements and ceramics can be considered as porous media. Many of their important properties can only be rationalized by considering them to be porous media. The concept of porous media is used in many areas of applied science and engineering: filtration, mechanics (acoustics, geomechanics, soil mechanics, rock mechanics), engineering (petroleum engineering, bioremediation, construction engineering), geosciences (hydrogeology, petroleum geology, geophysics), biology and biophysics, material science. Two important current fields of application for porous materials are energy conversion and energy storage, where porous materials are essential for superpacitors, (photo )catalysis, fuel cells, and batteries.
Микроскопические и макроскопические
На микроскопическом и макроскопическом уровнях пористые среды можно классифицировать. На микроскопическом уровне структура представляется статистически распределением размеров пор, степенью взаимосвязанности и ориентации пор, долей непроницаемых пор и т.д. Макроскопический подход использует усредненные объемные свойства, измеренные в масштабах, значительно превышающих размер пор. В зависимости от задачи, эти два подхода часто применяются совместно, поскольку они дополняют друг друга. Очевидно, что микроскопическое описание необходимо для понимания поверхностных явлений, таких как адсорбция макромолекул из полимерных растворов и закупорка пор, в то время как макроскопический подход часто вполне достаточен для проектирования процессов, где основное внимание уделяется течению жидкости, тепло- и массопереносу, а молекулярные размеры существенно меньше размера пор пористой системы.
At the microscopic and macroscopic levels, porous media can be classified. At the microscopic scale, the structure is represented statistically by the distribution of pore sizes, the degree of pore interconnection and orientation, the proportion of dead pores, etc. The macroscopic technique makes use of bulk properties that have been averaged at scales far bigger than pore size. Depending on the goal, these two techniques are frequently employed since they are complimentary. It is obvious that the microscopic description is required to comprehend surface phenomena like the adsorption of macromolecules from polymer solutions and the blocking of pores, whereas the macroscopic approach is frequently quite sufficient for process design where fluid flow, heat, and mass transfer are of highest concern. and the molecular dimensions are significantly smaller than pore size of the porous system.
Поток жидкости через пористую среду
Течение жидкости через пористые среды представляет собой предмет всеобщего интереса и выделилось в отдельную область исследований. Изучение более общих характеристик пористых сред, включающих деформацию твердого каркаса, называется поромеханикой. Теория течений в пористых средах находит применение, в частности, в струйной печати и технологиях захоронения радиоактивных отходов. На течение жидкости в пористых средах влияет множество факторов, и его фундаментальная задача – затрачивать энергию и создавать поток жидкости в скважине. В механике течений через пористую среду наиболее важным вопросом становится взаимосвязь между энергией и дебитом. Наиболее фундаментальным законом, описывающим эту взаимосвязь, является закон Дарси, особенно применимый к мелкопористым средам. В то же время, закон Форхгеймера полезен применительно к крупнопористым средам.
Fluid flow through porous media is a subject of common interest and has emerged a separate field of study. The study of more general behaviour of porous media involving deformation of the solid frame is called poromechanics. The theory of porous flows has applications in inkjet printing and nuclear waste disposal technologies, among others. Numerous factors influence fluid flow in porous media, and its fundamental function is to expend energy and create fluid via the wellbore. In flow mechanics via porous medium, the connection between energy and flow rate becomes the most significant issue. The most fundamental law that characterizes this connection is Darcy's law, particularly applicable to fine porous media. In contrast, Forchheimer's law finds utility in the context of coarse porous media.
Законы о пористых материалах
Одним из законов для пористых материалов является обобщенный закон Мюррея. Обобщенный закон Мюррея основан на оптимизации массопереноса путем минимизации сопротивления транспорту в порах с заданным объемом и может применяться для оптимизации массопереноса, включающего изменения массы и химические реакции, связанные с процессами течения, диффузией молекул или ионов. Для соединения родительской трубы радиусом r0 с множеством дочерних труб радиусом ri, формула обобщенного закона Мюррея имеет вид: , где X – отношение изменения массы при массопереносе в родительской поре, а показатель степени α зависит от типа переноса. Для ламинарного течения α = 3; для турбулентного течения α = 7/3; для диффузии молекул или ионов α = 2; и так далее.
One of the Laws for porous materials is the generalized Murray's law. The generalized Murray's law is based on optimizing mass transfer by minimizing transport resistance in pores with a given volume, and can be applicable for optimizing mass transfer involving mass variations and chemical reactions involving flow processes, molecule or ion diffusion. For connecting a parent pipe with radius of r0 to many children pipes with radius of ri , the formula of generalized Murray's law is: , where the X is the ratio of mass variation during mass transfer in the parent pore, the exponent α is dependent on the type of the transfer. For laminar flow α =3; for turbulent flow α =7/3; for molecule or ionic diffusion α =2; etc.