孔隙率

多孔陶瓷

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。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。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。

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。

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

此處的V_V是孔隙部分的體積，V_T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。

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

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%），而泥炭和黏土的孔隙率為超過0.5（50%）.在評價含有水或者烴的可能體積時，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，

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

此處的$\phi _{0}$是表層孔隙率，$k$是緻密參數，而$z$是深度

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，砂層及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：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

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

V_V是孔隙的有效體積

V_T是樣品的表觀體積

V_a是盛放樣品的容器的體積

V_b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。

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