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Porosität



Physikalische Größe
Name Porosität
Größenart Dimensionslose Größe
Formelzeichen der Größe \varepsilon, \Phi, P_\mathrm{W}
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI
1
Siehe auch: Relative Dichte (spezifische Dichte), Dichte, Wichte (spezifisches Gewicht)

Die Porosität ist ein Maß für die Dichte eines Stoffes oder Stoffgemisches mit Hohlräumen. Sie ist die relative Dichte in Vergleich zum massiven Stoff.

Inhaltsverzeichnis

Definition

Sie ist definiert als Quotient aus Rohdichte (eines Festkörpers) bzw. Schüttdichte (eines Haufwerks) und Reindichte.

\Phi = {\rho \over \rho_0}

Als prozentuelle Größe errechnet sie sich zu

\Phi = \left( 1 - \frac{\rho}{\rho_0} \right) \times 100\,\mathrm{%} [1]

Daneben lässt sie sich analog über den Quotienten der Volumina definieren – weil die Dichte an sich ja das Verhältnis von Masse zu Volumen darstellt – wenn die Masse der Hohlräume als Null angesehen werden kann, und die feste Masse als homogen

\Phi = {V \over V_0} mit V = \rho \cdot m,\, V_0 = \rho_0 \cdot m

Typische Werte

Typische, geometrisch bestimmbare Gesamtporositäten einer Schüttung aus massiven Partikeln

Für beliebige Kugelpackungen aus einem nicht innen-porösen Material (massiven Kugeln) gilt eine grobe Abschätzung:

\Phi \approx \frac{\pi}{\mathrm{Koordinationszahl}} \approx 0{,}4 \ldots 0{,}45

Verwendung in der Technik

In der Bautechnik bezeichnet der Begriff Porosität den Hohlraumanteil einer Schüttung oder eines Haufwerks z. B. eines Katalysatorbettes. Definiert ist die Porosität als das Verhältnis von Hohlraumvolumen VHohl zum Gesamtvolumen des Haufwerks Vges. Gebräuchlich ist dabei der Buchstabe ε. Weniger verbreitet ist dagegen das bereits eingeführte Φ. In der Bautechnik steht auch PW

\varepsilon=\frac{V_\mathit{Hohl}}{V_{ges}}

Das Gesamtvolumen Vges setzt sich selbst aus dem Feststoffvolumen Vs und dem Hohlraumvolumen VHohl zusammen.

\varepsilon=\frac{V_\mathit{Hohl}}{V_\mathit{Hohl}+V_s}

Die Porosität hat großen Einfluss auf die Dichte einer Schüttung sowie auf den Widerstand bei der Durchströmung einer Schüttung. (siehe Darcy-Gesetz)

Klassifizierung der Porosität

In der Werkstoffkunde erfolgt die Klassifizierung poröser Materialien nach der Größe der Poren:

  • mikroporös: Poren < 2 nm
  • mesoporös: Porengröße zwischen 2 und 50 nm
  • makroporös: Poren > 50 nm

Verwendung in der Bodenkunde

In der Geologie, Hydrogeologie und Bodenkunde bezeichnet die Porosität das Verhältnis des Volumens aller Hohlräume eines porösen Festkörpers zu dessen äußerem Volumen. Es handelt sich also um ein Maß dafür, wie viel Raum der eigentliche Feststoff aufgrund seiner Körnung oder Klüftung innerhalb eines bestimmten Volumens ausfüllt bzw. welche Hohlräume er in diesem hinterlässt. Die Poren bzw. Kapillare sind dabei in der Regel mit Luft und/oder Wasser gefüllt.

Die Porosität wird üblicherweise in Prozent oder als Fraktion (Bruchteile von 1 = 100%) angegeben und mit dem Formelbuchstaben Φ bezeichnet. Die Gesamtporosität einer Probe setzt sich zusammen aus der Summe der Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen (Nutzporosität) und den nicht miteinander verbundenen Hohlräumen (abzementierte oder geschlossene Porosität).
In der Erdöl-/Erdgasindustrie, der Montangeologie und in der Geothermie spielt die Nutzporosität eine große Rolle, da nur durch die untereinander in Verbindung stehenden Poren Fluide (Wasser, Öl oder Gas) fließen können. Weiterhin gibt die Nutzporosität an, wie viel Kohlenwasserstoffe maximal in einer Lagerstätte vorhanden sein können.

Porositäten von Gesteinen

Typische, real gemessene Gesamtporositäten:

  • Sandstein: 5 bis 40 %, typisch 30 % (abhängig von Korngrößenverteilung, Art des Bindemittels und Konsolidierung)
  • Kalkstein oder Dolomit: 5 bis 25 % (abhängig von Lösungsprozessen durch Grundwasser und Verwitterung)
  • Tonstein: 20 bis 45 % (aufgrund des kleinen Durchmessers der Poren jedoch kein Speichergestein)
  • Schieferton: <10%
  • Böden, lockere Sande und Kies: bis über 40 %

Sedimente und Sedimentgesteine weisen eine Porosität von etwa 10-40 % auf, Metamorphite und Magmatite hingegen nur rund 1-2 %.

Porosität und Speicherkapazität

Einstufung von Porositäten im Hinblick auf Lagerstättenbewertung:

Vernachlässigbar Φ < 4 %
Niedrig 4 < Φ < 10 %
Gut 10 < Φ < 20 %
Ausgezeichnet Φ > 20 %

Einzelnachweise

  1. Helmut Polster et al.: Sanierungsgrundlagen Plattenbau - Prüfverfahren. Hrsg.: Institut für Erhaltung und Modernisierung von Bauwerken e.V. (IEMB), Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 1995, Kap. 3. Prüfungen von Baustoffen und des Korrosionsschutzes (Webdokument)
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Porosität aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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