孔隙率(英語:Porosity)或孔隙分數是表徵材料的孔隙部分的物理量,定義為孔隙的體積與材料總體積的比率,所以總是在0到1之間,用百分數表示,為0到100%之間[1]。由於開孔或與開孔連通的孔隙才能允許液體進入,在應用上更有價值,所以多將開孔所佔體積與材料總體積的比值定義為有效孔隙率(effective porosity),有效孔隙率小於等於總孔隙率[2]。有多種方法可以測試材料的孔隙率和有效孔隙率, 孔隙率概念被廣泛用於藥理學、陶瓷、冶金、材料生產、土壤機理和工程等多方面。

多孔陶瓷

土壤科學中的孔隙率

在地質學、土壤科學和建築科學中,多孔介質(比如岩石和沉積層)的孔隙率用於描述材料中孔隙所佔的體積部分,此處的空隙中可以是空氣,也可能包含水。孔隙率定義為孔隙部分和總體積的比值。

 

此處的VV是孔隙部分的體積,VT是材料的表觀體積,包括固體部分和孔隙。 孔隙率的值也可以通過材料的密度和微粒密度計算得出。

 
 
粒子尺寸較均一的沖積層(左)比不均一的衝擊層(右)的孔隙率要大,因為後者有很多小粒子可以填充大粒子間的孔隙

典型的孔隙率值為0到1之間,有時候會很小,比如固態花崗岩的孔隙率小於0.01(1%),而泥炭黏土的孔隙率為超過0.5(50%).在評價含有水或者的可能體積時,岩石或沉積層的孔隙率是一個重要的衡量參數。沉積層的孔隙率是很多因素的複雜函數,包括:埋藏率、埋藏深度、原生液體的性質和覆蓋沉積層的性質。通常所使用的孔隙率和深度的關係是Athy於1930年提出的等式,

 

此處的 是表層孔隙率, 是緻密參數,而 是深度[3]

表層土壤的孔隙率隨土壤微粒尺寸的增大而降低,這是因為土壤微粒尺寸較小的環境中,由於土壤的生物化作用,土壤微粒會發生團聚,這種團聚會增加微粒間的吸引,減少對緻密的抵抗,從而增加了孔隙率。典型的沙土的表觀密度是1.5到1.7之間,其中的微粒密度約為2.65 g/cm3。可以求得孔隙率為0.43到0.36.典型的粘土的密度是1.1到1.3 g/cm3. ,求得孔隙率為0.58到0.51. 由於重力的緻密作用,下層土壤的孔隙率比表層土壤要低。土壤的孔隙率是十分複雜的,傳統的模型將其視為連續變化的,但這一模型無法很好的描述出現的反常變化,也無法描述環境因素造成的孔隙幾何因素的變化。很多複雜因素比如分形、氣泡理論、裂紋理論、Boolean成晶過程等因素正在逐漸被考慮其中。

和滲透度、淘選度及膠結度的關係

地下水的含量及流動與土壤岩石的孔隙率與滲透度有關,孔隙率愈高,含水量愈高。土壤孔隙為水與空氣存在之場所,亦為水與空氣進入或排出之通路,水與空氣為植物生長所必需,故土壤中孔隙所佔之體積百分率(孔隙度)及孔隙之粗細對植物生長極關重要。

滲透度是指岩石容許地下水通過的難易程度,滲透度愈大,地下水愈容易流動。一個孔隙率與滲透度均良好的地層,可以供應豐富的地下水資源,即可稱之為含水層(aquifer)。一般而言,砂層礫石層多屬較佳之含水層,而黏土層則多屬較差之含水層。

孔隙率隨岩石性質不同而有不同,和組成岩石顆粒的形狀、排列、淘選度(顆粒大小一致的程度)與膠結度有關。顆粒愈圓、排列愈整齊、淘選度愈佳、膠結度愈低,則岩石的孔隙率愈高。

孔隙率的測定

  • 直接方法:測量多孔樣品的表觀體積和同質量無孔樣品的體積。
  • 光學方法:因為對於隨機結構,整體的孔隙率應該和某一斷面的孔隙率相等,所以可以通過顯微鏡觀察材料斷面的孔隙率。
  • 計算圖論方法:使用工業CT掃描的辦法,創立包括孔隙的樣品外在和內在幾何圖,然後使用計算機軟件進行缺陷分析
  • 浸沒法:在真空條件下,將多孔樣品浸入容易滲透入樣品孔隙的液體中。
  • 氣體擴散法[4]:已知表觀密度的樣品可以放入已知體積的容器中,該容器與另一個抽成真空的容器相連接,當兩容器之間的閥門打開時,氣體就會從樣品之中逸出,進入第二容器,兩容器之間會達到一種壓強平衡,通過
 
VV是孔隙的有效體積
VT是樣品的表觀體積
Va是盛放樣品的容器的體積
Vb是真空容器的體積
P1是盛放樣品容器的壓強
P2是整個系統達到平衡時的壓強
之後就可以通過體積的比率求出孔隙率。
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參考文獻

  1. ^ G.F. Hewitt, G.L. Shires, Y.V.Polezhaev (editors), "International Encyclopedia of Heat and Mass Transfer", CRC Press, 1997.
  2. ^ Effective and Ineffective Porosity頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) or Total and Effective Porosity Explained頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) at E&P Geology.com頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  3. ^ ATHY L.F., 1930. Density, porosity and compactation of sedimentary rocks, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. v. 14, pp. 1-24.
  4. ^ F.A.L. Dullien, "Porous Media. Fluid Transport and Pore Structure", Academic Press, 1992.