孔隙率 · aiwiki.page

孔隙率是多孔材料中孔隙或空隙所占体积与总体积的比值，这部分空间不由固体物质占据。这些空间可以含有气体、液体或混合流体，并不一定是空的。孔隙率通常用 $\phi$ 或 $n$ 表示，是以小数或百分数表示的无量纲量。它描述材料含有多少孔隙空间，但仅凭孔隙率本身，无法判断流体在这些空间中流动的难易程度。(water.usgs.gov)

定义与相关量

总孔隙率定义为

\phi=\frac{V_p}{V_b} =\frac{V_p}{V_s+V_p},

其中， $V_p$ 为孔隙体积， $V_s$ 为固体体积， $V_b$ 为总体积。例如，一个总体积为 $100\ \mathrm{cm^3}$ 、孔隙体积为 $25\ \mathrm{cm^3}$ 的试样，其孔隙率为 $0.25$ ，即 25%。分母包含固体材料及其孔隙的体积。(pubs.usgs.gov)

孔隙率与流体饱和度不同。水饱和度是水所占体积与孔隙体积的比值，而孔隙率是全部孔隙体积与总体积的比值。因此，只要固体结构和孔隙体积保持不变，材料就可以变湿或变干，而孔隙率不发生相应变化。(water.usgs.gov)

孔隙率也可以通过密度计算：

\phi=1-\frac{\rho_b}{\rho_s},

其中， $\rho_b$ 为干容重， $\rho_s$ 为不包含孔隙空间的固体材料密度。使用这一关系式时，固体体积和总体积的定义必须一致；该关系式广泛用于土壤研究。(nrcs.usda.gov)

总孔隙率、开口孔隙率与有效孔隙率

不同类型的孔隙率分别描述孔隙空间的数量、可达性及其对流体输运的贡献：

总孔隙率包括所有孔隙，无论它们是否相互连通。
开口孔隙率所计入的是与试样外部相通的孔隙。
闭口孔隙率所计入的是与外部隔绝的空腔。
在地下水流动研究中，有效孔隙率是可供流体传输的相互连通孔隙体积占总体积的比例。(pubs.usgs.gov)

这些量不一定能互相替代。外部介质能够进入的空腔可能仅通过一个开口与外部相连，并不一定构成贯穿材料的连续流动通道。可达孔隙空间的测量结果还取决于探针分子的大小及其进入孔隙时的条件。因此，给出有效孔隙率或可达孔隙率时，应同时说明其操作性定义和测量方法。(pubs.usgs.gov)

孔径与渗透率

孔隙率衡量的是孔隙空间的多少，而不是孔径分布。按照国际纯粹与应用化学联合会用于多孔固体吸附研究的术语，微孔的宽度不超过约 2 纳米，介孔的宽度介于约 2～50 纳米之间，大孔的宽度超过约 50 纳米。这些界限是约定的，与孔隙填充行为的差异有关。(goldbook.iupac.org)

渗透率描述材料传输流体的能力。孔隙率相近的材料可能具有截然不同的渗透率，因为它们的孔隙尺寸、狭窄部位、连通性及流动路径的几何形态不同。因此，孔隙率与渗透率之间的关系取决于材料及其形成历史，并不存在普遍适用的换算关系。(usgs.gov)

孔隙率也不同于比表面积，后者衡量单位质量或单位体积的表面积。表征多孔固体通常既需要孔隙体积信息，也需要表面积或孔径的测量结果。(publications.iupac.org)

影响孔隙率的因素

在土壤和沉积物中，孔隙率取决于颗粒堆积方式、粒径分布、团聚状况和有机质。细质地土壤的总孔隙空间可能比砂质土壤更大，尽管其单个孔隙通常更小。因此，粒径较大并不一定意味着孔隙率较高。(nrcs.usda.gov)

压实通常会减少孔隙体积并增大容重。在沉积岩中，沉淀于孔隙内的矿物胶结物也会降低孔隙率。颗粒分选程度、压实历史和矿物变化都会影响孔隙率与渗透率，但对两者的影响程度并不总是相同。(nrcs.usda.gov)

在地质学中，随沉积物形成的粒间孔隙空间通常称为原生孔隙，而随后形成的裂隙则构成次生孔隙。即使周围岩石中的连通孔隙空间很少，裂隙也能提供重要的流动通道。(pubs.usgs.gov)

测量与应用

孔隙率通过测量总体积、固体体积或可达孔隙体积来确定。土壤调查通常结合干容重和颗粒密度的测量结果。气体吸附可提供可达孔隙体积和孔径分布的信息，而液体压入法则用于表征侵入液体能够进入的孔隙。图像分析法是表征孔隙的另一种方法。任何单一方法都不一定能涵盖所有孔径范围或封闭空腔。(directives.nrcs.usda.gov)

在地下水研究中，总孔隙率描述可能被水占据的空间，而有效孔隙率有助于表征水在含水层中的运动。有效孔隙率与给水度不同，后者是通过重力排水释放的水量占总体积的比例。(pubs.usgs.gov)

在土壤科学中，孔隙率对水分储存与运动、通气状况及根系生长都很重要。在多孔材料表征中，通常将孔隙体积与孔径、可达表面积结合起来，用于描述流体的吸入和输运。(directives.nrcs.usda.gov)

参考来源

Water Resources of the United States — SUTRA Glossarywater.usgs.gov
Understanding the Hydrologic System — USGS Circular 1224pubs.usgs.gov
Department of the Interior — Hydrologic Atlas 659, Plate 3pubs.usgs.gov
Soil Survey Laboratorynrcs.usda.gov
Soil–Plant–Water Relationshipsdirectives.nrcs.usda.gov
Soil Quality Indicators: Bulk Densitynrcs.usda.gov
Permeability Description by Characteristic Length, Tortuosity, Constriction and Porosityarxiv.org