ความพรุนหรือสัดส่วนของช่องว่างคือการวัด ปริมาณ ช่องว่าง (หรือ "พื้นที่ว่าง") ในวัสดุและเป็นสัดส่วนของปริมาตรช่องว่างต่อปริมาตรทั้งหมด โดยมีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 หรือเป็นเปอร์เซ็นต์ระหว่าง 0% ถึง 100% โดยทั่วไปแล้ว การทดสอบบางอย่างจะวัด "ช่องว่างที่เข้าถึงได้" ซึ่งก็คือปริมาณช่องว่างทั้งหมดที่สามารถเข้าถึงได้จากพื้นผิว ( เช่นโฟมเซลล์ปิด )

มีหลายวิธีในการทดสอบความพรุนในสารหรือชิ้นส่วน เช่นการสแกน CT ในระดับอุตสาหกรรม

คำว่า "ความพรุน" ถูกนำมาใช้ในหลายสาขา รวมถึงเภสัชกรรมเซรามิกส์โลหะวิทยาวัสดุการผลิตปิโตรฟิสิกส์อุทกวิทยาวิทยาศาสตร์โลกกลศาสตร์ดินกลศาสตร์หินและวิศวกรรม^{[ 1 ]}

ใน การไหลแบบสองเฟสของก๊าซและของเหลวเศษส่วนของช่องว่างจะถูกกำหนดให้เป็นเศษส่วนของปริมาตรช่องทางการไหลที่ถูกครอบครองโดยเฟสก๊าซ หรืออีกทางหนึ่งคือเป็นเศษส่วนของพื้นที่หน้าตัดของช่องทางที่ถูกครอบครองโดยเฟสก๊าซ^{[ 2 ]}

สัดส่วนปริมาตรของช่องว่างมักแตกต่างกันไปตามตำแหน่งในช่องทางการไหล (ขึ้นอยู่กับรูปแบบการไหลแบบสองเฟส) มันจะผันผวนตามเวลา และค่าของมันมักจะเป็นค่าเฉลี่ยตามเวลา ในการไหลแบบแยกส่วน (เช่น การไหลที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ) สัดส่วนปริมาตรของช่องว่างจะสัมพันธ์กับอัตราการไหลเชิงปริมาตรของเฟสแก๊สและเฟสของเหลว และกับอัตราส่วนของความเร็วของทั้งสองเฟส (เรียกว่าอัตราส่วนการลื่นไถล )

ความพรุนของวัสดุที่มีรูพรุน (เช่นหินหรือตะกอน ) ถูกนำมาใช้ในทางธรณีวิทยาอุทกธรณีวิทยาวิทยาศาสตร์ดินและวิทยาศาสตร์การก่อสร้างโดยอธิบายถึงสัดส่วนของช่องว่างในวัสดุ ซึ่งช่องว่างนั้นอาจบรรจุอากาศหรือน้ำได้ โดยกำหนดจากอัตราส่วน :

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

โดยที่V คือปริมาตรของช่องว่าง (เช่น ของเหลว) และV คือปริมาตรทั้งหมดหรือปริมาตรโดยรวมของวัสดุ ซึ่งรวมถึงส่วนที่เป็นของแข็งและส่วนที่เป็นช่องว่างสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ ทั้งสองนี้${\displaystyle \phi }$และ${\displaystyle n}$ใช้เพื่อบ่งบอกถึงความพรุน

ค่าความพรุนเป็นค่าเศษส่วนระหว่าง 0 ถึง 1 โดยทั่วไปจะมีค่าตั้งแต่ต่ำกว่า 0.005 สำหรับหินแกรนิต แข็ง ไป จนถึงมากกว่า 0.5 สำหรับพีทและดินเหนียว

ความพรุนของหินหรือชั้นตะกอนเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อพยายามประเมินปริมาณน้ำหรือไฮโดรคาร์บอนที่อาจมีอยู่ ความพรุนของตะกอนเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนของหลายปัจจัย รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง: อัตราการฝังตัว ความลึกของการฝังตัว ลักษณะของของเหลวที่อยู่ภายในลักษณะของตะกอนที่อยู่ด้านบน (ซึ่งอาจขัดขวางการขับไล่ของเหลว) ความสัมพันธ์ที่ใช้กันทั่วไประหว่างความพรุนและความลึกคือฟังก์ชันเลขชี้กำลัง ที่ลดลง ตามสมการของ Athy (1930): ^{[ 3 ]}

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

ที่ไหน,${\displaystyle \phi (z)}$คือค่าความพรุนของตะกอนที่ระดับความลึกที่กำหนด (${\displaystyle z}$) (ม.)${\displaystyle \phi _{0}}$คือค่าความพรุนเริ่มต้นของตะกอนที่ผิวหน้าดิน (ก่อนถูกฝังกลบ) และ${\displaystyle k}$คือค่าสัมประสิทธิ์การอัดตัว (m ⁻¹ ) ตัวอักษร${\displaystyle e}$เลขชี้กำลังติดลบแสดงถึงฟังก์ชันเลขชี้กำลังที่ลดลง ความพรุนของตะกอนลดลงแบบเลขชี้กำลังตามความลึก ซึ่งเป็นฟังก์ชันของการอัดตัวของตะกอน

อีกวิธีหนึ่งที่สามารถคำนวณค่าความพรุนได้จากความหนาแน่นรวม${\displaystyle \rho _{\text{bulk}}}$ความหนาแน่นของของเหลวอิ่มตัว${\displaystyle \rho _{\text{fluid}}}$และความหนาแน่นของอนุภาค${\displaystyle \rho _{\text{particle}}}$:

${\displaystyle \phi ={\frac {\rho _{\text{อนุภาค}}-\rho _{\text{มวลรวม}}}{\rho _{\text{อนุภาค}}-\rho _{\text{ของไหล}}}}}$

หากช่องว่างนั้นเต็มไปด้วยอากาศ สามารถใช้รูปแบบที่ง่ายกว่าดังต่อไปนี้:

${\displaystyle \phi =1-{\frac {\rho _{\text{bulk}}}{\rho _{\text{particle}}}}}$

ความหนาแน่นเฉลี่ยของอนุภาคปกติสามารถประมาณได้ที่ 2.65  กรัม/ซม^³ ( ซิลิกาตะกอนซิลิกา หรือกลุ่มหิน) หรือ 2.70  กรัม/ซม^³ ( แคลไซต์ตะกอนคาร์บอเนต หรือกลุ่มหิน) แม้ว่าการประมาณค่าที่ดีกว่าจะได้มาจากการตรวจสอบลักษณะทางธรณีวิทยาของอนุภาคก็ตาม

การคัดแยกและความพรุน

วัสดุ ที่มีการคัดขนาดอนุภาคอย่างดี (อนุภาคมีขนาดใกล้เคียงกันทั้งหมด) จะมีความพรุนสูงกว่าวัสดุที่มีขนาดอนุภาคใกล้เคียงกันแต่คัดขนาดไม่ดี (ซึ่งอนุภาคขนาดเล็กจะเข้าไปอุดช่องว่างระหว่างอนุภาคขนาดใหญ่) ภาพประกอบแสดงให้เห็นว่าอนุภาคขนาดเล็กบางส่วนสามารถเข้าไปอุดรูพรุน (ซึ่งเป็นบริเวณที่น้ำไหลผ่าน) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ความพรุนและการนำไฟฟ้าของน้ำลดลงอย่างมาก แม้ว่าจะมีปริมาตรเพียงเศษเสี้ยวเล็กน้อยของปริมาตรทั้งหมดของวัสดุก็ตาม สำหรับตารางค่าความพรุนทั่วไปของวัสดุในดินโปรดดูส่วน "การอ่านเพิ่มเติม" ในบทความเกี่ยวกับอุทกธรณีวิทยา

การจำแนกขนาดรูพรุนมาตรฐานเป็นไมโครพอโรซิตี้ เมโซพอโรซิตี้ และมาโครพอโรซิตี้ ได้รับการกำหนดอย่างเป็นทางการโดยสหภาพเคมีบริสุทธิ์และประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC) ในปี 1985 โดยมีที่มาจากกรอบงานทางประวัติศาสตร์ที่เสนอโดย MM Dubinin และ DH Everett ^{[ 6 ]}ระบบการตั้งชื่อนี้ได้มาจากพฤติกรรมทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ของการดูดซับก๊าซทางกายภาพภายในวัสดุแข็ง^{[ 6 ] [ 7 ]}ภายใต้กรอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างก๊าซและของแข็งนี้ ขอบเขตจะถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดโดยกลไกการดูดซับก๊าซ:

• ไมโครพอโรซิตี้ :หมายถึงรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 2 นาโนเมตร ในโครงสร้างละเอียดพิเศษเหล่านี้ ศักยภาพการดูดซับของผนังรูพรุนตรงข้ามจะทับซ้อนกัน ทำให้เกิดการเติมไมโครพอโรซิตี้แบบร่วมมือกันที่ความดันสัมพัทธ์ต่ำมาก ^{[ 7 ]}การขนส่งผ่านไมโครพอโรซิตี้มักมีลักษณะเฉพาะด้วยการแพร่แบบกระตุ้น
• เมโซพอโรซิตี้ :หมายถึงรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 2 นาโนเมตรถึง 50 นาโนเมตร ขนาดนี้กำหนดโดยการเกิดการควบแน่นของแคปิลลารีของก๊าซที่ถูกดูดซับ ซึ่งโดยทั่วไปจะแสดงออกมาเป็นวงฮิสเทอรีซิสที่ชัดเจนในระหว่างการวิเคราะห์การดูดซับก๊าซ ^{[ 7 ]}การขนส่งภายในเมโซพอโรซิตี้ถูกควบคุมโดยการแพร่กระจายแบบ Knudsen เป็นหลัก
• รูพรุนขนาดใหญ่ :หมายถึงรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 50 นาโนเมตร ที่ระดับนี้ ผลกระทบจากการกักขังจะหายไป และโมเลกุลของก๊าซจะมีพฤติกรรมเหมือนกับที่อยู่บนพื้นผิวของแข็งภายนอกที่เปิดโล่งและไม่ถูกกักขัง ^{[ 7 ]}การขนส่งผ่านรูพรุนขนาดใหญ่จะอธิบายได้ด้วยการแพร่แบบกลุ่ม

แม้ว่าคำนำหน้า "ไมโคร" "เมโซ" และ "มาโคร" จะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขาประยุกต์ เช่น อุทกวิทยา เภสัชศาสตร์ และวิศวกรรมชีวภาพ แต่เกณฑ์มิติที่แน่นอนซึ่งกำหนดโดยIUPACมักถูกละเลยในบริบทที่ไม่ใช่ทางเคมี ในงานวิจัยประยุกต์ คำเหล่านี้มักถูกใช้ในเชิงไม่เป็นทางการเพื่ออธิบายลำดับชั้นโครงสร้างเชิงสัมพัทธ์มากกว่าการยึดติดกับพลวัตการดูดซับก๊าซ-ของแข็งอย่างเคร่งครัด ความแตกต่างทางความหมายนี้ก่อให้เกิดความกำกวมระหว่างสหวิทยาการอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาชีววิทยาและสสารอ่อน ซึ่งปรากฏการณ์การขนส่งเชิงฟังก์ชันถูกควบคุมโดยปฏิสัมพันธ์ของเซลล์และสารอาหารมากกว่าจลนศาสตร์ของก๊าซระดับโมเลกุลที่ไม่จำกัด

ในสาขาชีววิทยาประยุกต์และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ นักวิจัยมักจะขยายคำศัพท์เหล่านี้ไปที่ระดับไมโครเมตรเพื่อให้สอดคล้องกับมิติของเซลล์มากขึ้น ในวรรณกรรมทางการแพทย์ คำว่า "ไมโครพอเรส" มักถูกกำหนดใหม่ให้ครอบคลุมถึง 10 ไมโครเมตร ในขณะที่ "มาโครพอเรส" ถูกกำหนดอย่างหลวมๆ ว่าเป็นสิ่งที่มีขนาดใหญ่กว่า 10 หรือ 100 ไมโครเมตร สิ่งนี้สร้างความขัดแย้งทางความหมายที่น่าสนใจเมื่อวัสดุอัจฉริยะข้ามสาขาวิชา เช่น โครงสร้างไฮโดรเจลหลายระดับที่มี "มาโครพอเรส" ระดับไมโครเมตรสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์ ในขณะเดียวกันก็มีอนุภาค "เมโซพอเรส" ระดับนาโนเมตรตามการจำแนกของ IUPAC ^{[ 8 ] [ 9 ]}เช่น สำหรับการส่งยาเฉพาะที่ เพื่อลดความสับสนระหว่างสาขาวิชาและสร้างบริบททางชีววิทยาที่ชัดเจนสำหรับลักษณะเฉพาะของรูพรุน กรอบงานทางเลือกล่าสุดได้เสนอระบบการตั้งชื่อที่สัมพันธ์กับเซลล์ โดยจำแนกช่องว่างออกเป็นรู พรุนขนาด เล็กขนาดกลางและขนาดใหญ่โดยพิจารณาจากปฏิสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันเฉพาะกับเซลล์และการแพร่กระจายของสารอาหาร^{[ 9 ]}

อัตราส่วนของรูต่อส่วนที่เป็นของแข็งที่ลม "มองเห็น" นั้น ความพรุน ทางอากาศพลศาสตร์จะน้อยกว่าความพรุนที่มองเห็นได้ โดยปริมาณที่น้อยกว่านั้นขึ้นอยู่กับการหดตัวของรู

รูพรุนในการหล่อเป็นผลมาจากสาเหตุหนึ่งหรือหลายสาเหตุต่อไปนี้: การกลายเป็นแก๊สของสิ่งปนเปื้อนที่อุณหภูมิโลหะหลอมเหลว; การหดตัวที่เกิดขึ้นเมื่อโลหะหลอมเหลวแข็งตัว; และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือความชื้นที่ไม่คาดคิดหรือไม่สามารถควบคุมได้

แม้ว่าความพรุนจะเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในการผลิตแบบหล่อขึ้นรูป แต่การมีอยู่ของความพรุนอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของชิ้นส่วนในกรณีที่ความสมบูรณ์ของแรงดันเป็นคุณลักษณะที่สำคัญ ความพรุนอาจมีหลายรูปแบบ ตั้งแต่ความพรุนขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกัน รอยพับ และสิ่งเจือปน ไปจนถึงความพรุนขนาดใหญ่ที่มองเห็นได้บนพื้นผิวของชิ้นส่วน ผลลัพธ์สุดท้ายของความพรุนคือการสร้างเส้นทางการรั่วไหลผ่านผนังของชิ้นงานหล่อ ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนไม่สามารถรักษาแรงดันได้ ความพรุนยังอาจนำไปสู่การปล่อยก๊าซในระหว่างกระบวนการทาสี การชะล้างของกรดชุบ และการสั่นสะเทือนของเครื่องมือในการกลึงชิ้นส่วนโลหะอัดขึ้นรูป^{[ 10 ]}

สามารถใช้วิธีการหลายวิธีในการวัดค่าความพรุน:

• วิธีการโดยตรง (การหาปริมาตรโดยรวมของตัวอย่างที่มีรูพรุน จากนั้นหาปริมาตรของวัสดุโครงสร้างที่ไม่มีรูพรุน (ปริมาตรรูพรุน = ปริมาตรทั้งหมด − ปริมาตรวัสดุ))
• วิธีการทางแสง (เช่น การกำหนดพื้นที่ของวัสดุเทียบกับพื้นที่ของรูพรุนที่มองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์) ความพรุน "ตามพื้นที่" และ "ตามปริมาตร" จะเท่ากันสำหรับสื่อพรุนที่มีโครงสร้างแบบสุ่ม^{[ 11 ]}
• วิธีเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (ใช้การสแกน CT ระดับอุตสาหกรรมเพื่อสร้างภาพ 3 มิติของรูปทรงภายนอกและภายใน รวมถึงช่องว่าง จากนั้นจึงทำการวิเคราะห์ข้อบกพร่องโดยใช้ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์)
• วิธีการดูดซับ^{[ 11 ]}เช่น การจุ่มตัวอย่างที่มีรูพรุนภายใต้สุญญากาศในของเหลวที่ซึมเข้าสู่รูพรุนได้ดีกว่า
  • วิธีการหาความอิ่มตัวของน้ำ (ปริมาตรของรูพรุน = ปริมาตรน้ำทั้งหมด − ปริมาตรน้ำที่เหลือหลังจากแช่)
• วิธีการระเหยน้ำ (ปริมาตรของรูพรุน = (น้ำหนักของตัวอย่างที่อิ่มตัว − น้ำหนักของตัวอย่างที่แห้ง)/ความหนาแน่นของน้ำ)
• การวัดความพรุนโดยใช้การแทรกซึมของปรอท(มีการพัฒนาเทคนิคการแทรกซึมที่ไม่ใช้ปรอทหลายวิธี เนื่องจากข้อกังวลด้านพิษวิทยา และข้อเท็จจริงที่ว่าปรอทมีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นอะมัลกัมกับโลหะและโลหะผสมหลายชนิด)
• วิธีการขยายตัวของแก๊ส^{[ 11 ]}ตัวอย่างที่มีปริมาตรที่ทราบจะถูกบรรจุอยู่ในภาชนะที่มีปริมาตรที่ทราบ ภาชนะนี้เชื่อมต่อกับภาชนะอีกใบที่มีปริมาตรที่ทราบซึ่งถูกทำให้เป็นสุญญากาศ (กล่าวคือ ความดันใกล้สุญญากาศ) เมื่อวาล์วที่เชื่อมต่อภาชนะทั้งสองถูกเปิด แก๊สจะไหลจากภาชนะแรกไปยังภาชนะที่สองจนกระทั่งได้การกระจายความดันที่สม่ำเสมอ โดยใช้ กฎ ของแก๊สอุดมคติปริมาตรของรูพรุนจะคำนวณได้ดังนี้

${\displaystyle V_{V}=V_{T}-V_{a}-V_{b}{P_{2} \over {P_{2}-P_{1}}}}$,

ที่ไหน

V คือปริมาตร มีประสิทธิภาพของรูพรุน

V คือปริมาตรโดยรวมของตัวอย่าง

V คือปริมาตรของภาชนะที่บรรจุตัวอย่าง

Vb คือปริมาตรของภาชนะที่ถูกทำให้เป็น

P คือความดันเริ่มต้นในปริมาตร V และ V และ

P2 คือความดันสุดท้ายที่ อยู่ในระบบทั้งหมด

ความพรุนนั้นเป็นไปตามคำจำกัดความที่ถูกต้องอย่างตรงไปตรงมา

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

โปรดทราบว่าวิธีการนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าก๊าซสามารถเคลื่อนที่ผ่านระหว่างรูพรุนและปริมาตรโดยรอบได้ ในทางปฏิบัติ หมายความว่ารูพรุนจะต้องไม่ใช่โพรงปิด

• เทอร์โมพอโรซิเมตรีและไครโอพอโรเมตรี ผลึกขนาดเล็กของของเหลวจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าของเหลวส่วนใหญ่ ตามสมการของกิบส์-ทอมสันดังนั้น หากของเหลวซึมเข้าไปในวัสดุที่มีรูพรุนและถูกแช่แข็ง อุณหภูมิการหลอมเหลวจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายขนาดรูพรุน การตรวจจับการหลอมเหลวสามารถทำได้โดยการตรวจจับการไหลของความร้อนชั่วคราวระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟสโดยใช้แคลอริเมตรีแบบสแกนเชิงอนุพันธ์ (DSC เทอร์โมพอโรเมตรี) ^{[ 12 ]}การวัดปริมาณของเหลวที่เคลื่อนที่ได้โดยใช้นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR ไครโอพอโรเมตรี) ^{[ 13 ]}หรือการวัดแอมพลิจูดของการกระเจิงของนิวตรอนจากเฟสผลึกหรือของเหลวที่ซึมเข้าไป (ND ไครโอพอโรเมตรี) ^{[ 14 ]}

• กฎของอาร์ชี
• ความหนาแน่นรวม
• การถ่ายภาพการเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกัน
• ความหนาแน่นของการบรรจุ
• ความหนาแน่นของอนุภาค (ความหนาแน่นอัดแน่น)
• ธรณีวิทยาปิโตรเลียม
• กลศาสตร์ของรูพรุน
• ช่องว่าง (วัสดุผสม)
• อัตราส่วนช่องว่าง

• การคำนวณค่าความพรุนสัมบูรณ์และค่าความพรุนที่มีประสิทธิภาพ
• ข่าวเด่นทางธรณีวิทยา: ความพรุน