وسط مسامي

سيراميك مفتوح الخلية

الوسيط المسامي أوالمادة المسامية هي مادة تحتوي على مسام (فراغات). مملوءة بمائع (غاز أوسائل) بشكل جزئي أوكلي وغالبا ما يطلق على الجزء الصلب المادة "المصفوفة" أو"الهيكل" .

هنالك نوع من الأوساط المسامية ذات هيكل مرن (deformable) يطلق عليها اسم المواد الرغوية (foam) وتتشابه هذه المواد مع المواد ذات الهيكل الجامد (rigid) بتعريف الخصائص مثل المسامية والنفاذية وغيرها من المفاهيم المتعلقة بمثل هذا النوع من المواد.

يمكن التمييز بين الأوساط المسامية من خلال خصائصها الميكانيكية مثل المسامية (porosity) النفاذية (permeability) ، صلابتها (strength) وغيرها من الخصائص الأخرى. عموماً، تعد المسامية والنفاذية من الخصائص الأبرز في تصنيف الأوساط المسامية.

يمكن اعتبار الكثير من المواد الطبيعية مثل الصخور والتربة (مثل طبقات المياه الجوفية وخزانات البترول) والزيوليت والأنسجة البيولوجية (مثل العظام والخشب والفلين) والمواد التي من خلق الإنسان مثل الإسمنت والسيراميك أوساط مسامية.

يستخدم مفهوم الوسائط المسامية في الكثير من مجالات العلوم والهندسة التطبيقية: الترشيح ، الميكانيكا ( الصوتيات ، الميكانيكا الجيولوجية ، ميكانيكا التربة ، ميكانيكا الصخور ) ، الهندسة ( هندسة البترول ، المعالجة البيولوجية ، هندسة البناء ) ، علوم الأرض ( الجيولوجيا المائية ، جيولوجيا النفط ، الجيوفيزياء) ) ، البيولوجيا والفيزياء الحيوية ، علوم المواد .

تدفق السوائل من خلال وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها

يُعد تدفق السوائل عبر الوسائط المسامية موضع اهتمام مشهجر، وقد ظهر مجالًا منفصلاً للدراسة. تسمى دراسة السلوك العام للوسائط المسامية التي تنطوي على تشوه الإطار الصلب، الميكانيكا المسامية .

نظرية التدفق المسامي لها تطبيقات في تقنيات الطباعة النافثة للحبر والتخلص من النفايات النووية ، من بين أمور أخرى.

يتسبب احتكاك السائل مع جدران الهيكل الخاص بالوسط المسامي إلى إبطائه (تقليل سرعته) مما يؤدي طالما احتواء المائع على جزيئات معلقة على احتجاز هذه الجسيمات داخل الفراغات. تسمى هذه العملية بالترشيح (filtering) وتسمى الأوساط المسامية المستخدم لهذا الغرض بالمرشحات (filters). بالإضافة إلى ما سبق، قد يعلق كمية من السائل في المسامات أثناء عملية الترشيح

نماذج هيكل المسام

هناك الكثير من النماذج المثالية للهياكل المسام. يمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات:

الألياف (fiber) أوشبكات الشعيرات الدموية
مصفوفة من جسيمات صلبة (مثل الكرات الصلبة أو، حزمة قريبة عشوائية من المجالات)
مصفوفة من خلايا مفتوحة على بعضها البعض (open cell)

من الامثلة على النوع الأول الصوف الصخري والكبد ومن الأمثلة على النوع الثاني إسفنجة التنظيف ومن الأمثلة على النوع الثالث الفلاتر الحجرية المستخدمة في تنقية الماء من الشوائب.

في كثير من الأحيان مواد مسامية ل كسورية بنية تشبه، وجود مساحة المسام يظهر حتى تنموإلى أجل غير مسمى عندما ينظر إليها مع تزايد تدريجيا القرار. رياضيا، وهذا ما وصفه تعيين سطح المسام والبعد هاوسدورف أكبر من 2. وتضم الطرق التجريبية للتحقيق في الهياكل المسام المجهري متحد البؤر والتصوير المبتري بالأشعة السينية .

قوانين المواد التي يسهل اختراقها

واحد من قوانين المواد التي يسهل اختراقها هوقانون موراي المعمم . يعتمد قانون موراي المعمم على تحسين نقل الكتلة عن طريق تقليل مقاومة النقل في المسام مع حجم معين، ويمكن حتى ينطبق على النقل الأمثل للكتلة التي تنطوي على اختلافات الكتلة والتفاعلات الكيميائية التي تنطوي على بروسيسيس التدفق، جزيء أوأيون نشر.

لتوصيل ماسورة أصل ذات نصف قطر r ₀ بالكثير من مواسير الأطفال بنصف قطر r _i ، فإن صيغة قانون موراي المعمم هي: ${\displaystyle r_{o ^{a ={1 \over 1-X \sum _{i=1 ^{N r_{i ^{a$ ، حيث X هي نسبة تباين الكتلة أثناء النقل الكامل في المسام الأصل، يعتمد الأس α على نوع النقل. لتدفق الصفحي α = ثلاثة ؛ لتدفق المضطرب α = 7/3 ؛ للجزيء أوالأيونية نشر α = 2 ؛ إلخ

قانون دارسي

يعد قانون دارسي أومعادلة دارسي من أبرز المعادلات التي تفسر تدفق الموائع في الأوساط المسامية وقد صاغ هنري دارسي القانون استنادا إلى نتائج التجارب على تدفق المياه من خلال وسط من الرمال. وهويشكل أيضا الأساس الفهمي لنفاذية السوائل المستخدمة في علوم الأرض، لا سيما في الهيدروجيولوجي.

لاحظ دارسي من خلال تجاربه حتى العلاقة بين مقدار تدفق مائع في وسط مسامي يعتمد بشكل طردي على سماحية الوسط ومساحة مبتر التدفق وفرق الضغط بين طرفي الوسط المسامي في حين يعتمد عكسياً على مقدار لزوجة المائع والمسافة المقطوعة داخل الوسط المسامي (مسار المائع في الوسط). يمكن التعبير عن قانون دارسي رياضيا على النحوالتالي:

${\displaystyle Q=-{\frac {kA\left(p_{\mathrm {b -p_{\mathrm {a \right) {\mu L \,.$

حيث أن:

Q التدفق مقاس بوحدة متر مكعب لكل ثانية.
k سماحية الوسط المسامي مقاسة بوحدة المتر المربع
A مساحة مبتر التدفق مقاسة بوحدة المتر المربع
p_b – p_a الفرق في الضغط بين طرفي الوسط المسامي مقاس بوحدة باسكال
µ لزوجة المائع مقاسة بوحدة باسكال * ثانية
L طول مسار التدفق مقاس بوحدة المتر

انظر أيضا

Cenocell
مواد متناهية الصغر
الرنين النووي المغناطيسي في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها
نظرية الإيقاع
رغوة شبكية

المراجع

^ Hierarchically Structured Porous Materials: From Nanoscience to Catalysis, Separation, Optics, Energy, and Life Science - Wiley Online Library (باللغة الإنجليزية). 2011. doi:10.1002/9783527639588. ISBN .
^ Stephen D. Hoath, "Fundamentals of Inkjet Printing - The Science of Inkjet and Droplets", Wiley VCH 2016
^ Martinez M.J., McTigue D.F. (1996) Modeling in Nuclear Waste Isolation: Approximate Solutions for Flow in Unsaturated Porous Media. In: Wheeler M.F. (eds) Environmental Studies. The IMA Volumes in Mathematics and its Applications, vol 79. Springer, New York, NY
^ Dutta, Tapati (2003). "Fractal pore structure of sedimentary rocks: Simulation by ballistic deposition". Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 108 (B2): 2062. Bibcode:2003JGRB..108.2062D. doi:10.1029/2001JB000523.
^ Crawford, J.W. (1994). "The relationship between structure and the hydraulic conductivity of soil". European Journal of Soil Science. 45 (4): 493–502. doi:10.1111/j.1365-2389.1994.tb00535.x.
^ M. K. Head, H. S. Wong, N. R. Buenfeld, "Characterisation of 'Hadley’ Grains by Confocal Microscopy", Cement & Concrete Research (2006), 36 (8) 1483 -1489 نسخة محفوظةثمانية أغسطس 2017 على مسقط واي باك مشين.
^ Peng, Sheng; Hu, Qinhong; Dultz, Stefan; Zhang, Ming (2012). "Using X-ray computed tomography in pore structure characterization for a Berea sandstone: Resolution effect". Journal of Hydrology. 472-473: 254–261. Bibcode:2012JHyd..472..254P. doi:10.1016/j.jhydrol.2012.09.034.
^ Zheng, Xianfeng; Shen, Guofang; Wang, Chao; Li, Yu; Dunphy, Darren; Hasan, Tawfique; Brinker, C. Jeffrey; Su, Bao-Lian (2017-04-06). "Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity". Nature Communications (باللغة الإنجليزية). 8: 14921. Bibcode:2017NatCo...814921Z. doi:10.1038/ncomms14921. ISSN 2041-1723. PMID 28382972.
^ Whitaker, S. (1986). "Flow in porous media I: A theoretical derivation of Darcy's law". Transport in Porous Media. 1: 3–25. doi:10.1007/BF01036523. مؤرشف من الأصل في 16 أبريل 2020.