В кухонной губке с открытыми ячейками есть пустоты. В материале с замкнутыми пузырьками их тоже может быть множество. Почему вода проходит через них по-разному? В губке она переходит из одной полости в другую, а сквозь стенки замкнутых пузырьков общего пути нет. Значит, подсчитать пустое место недостаточно. Для сквозного течения в него нужно войти, пройти по соединениям и выйти с другой стороны. [1]
Общая пористость отвечает на первый, геометрический вопрос: какую долю объёма образца занимают пустоты? Если из условных ста кубических сантиметров на них приходится сорок, получится 40 процентов. Ни размеры полостей, ни соединения между ними в этом числе не видны. Для описания доступной потоку части используют эффективную пористость; здесь мы понимаем под ней долю объёма образца, занятую связанными порами. При измерении туда могут попасть и заполненные водой тупики, поэтому важен метод. Вода в полость вошла, но постоянного сквозного потока через тупик от этого не появилось. [2], [3]
Хорошо, полости соединены. Теперь посмотрите на сами соединения. Между широкими полостями могут находиться узкие поровые горлышки, увеличивающие сопротивление течению. Кроме того, воде приходится обходить твёрдые частицы; путь получается извилистым. Поэтому равная доля связанных пустот ещё не обеспечивает одинакового пропускания жидкости. Вспомните дом с просторными комнатами и тесными дверями: площадь комнат можно увеличивать сколько угодно, а вопрос к дверям останется. Аналогия помогает увидеть роль сужений, не заменяя расчёта течения. [4]
Способность такой структуры проводить жидкость характеризуют проницаемостью. Для определённости рассмотрим медленное течение одной жидкости через полностью насыщенную неподвижную среду. Здесь различают собственную проницаемость среды, измеряемую в квадратных метрах, и коэффициент фильтрации, обычно выражаемый в метрах в секунду. Последний учитывает ещё плотность и вязкость жидкости. Сам расход зависит также от толщины образца, его площади и перепада напора. Поэтому, увидев быстро опустевшую воронку, вы ещё не измерили проницаемость: для этого нужно знать остальные условия. [5]
В почве дело особенно наглядно. Вода может медленно двигаться через мелкопористую массу и быстрее уходить по крупным связанным ходам между агрегатами, вдоль корней или через трещины. Такие пути создаёт, например, большой дождевой червь: его вертикальные ходы влияют на проникновение воды. Проезд тяжёлой техники по влажному грунту способен повредить эту сеть. При уплотнении особенно важна потеря крупных пор, проводящих воду и воздух. Поэтому для грядки полезнее выяснить, где вода задерживается и нет ли уплотнённого слоя, чем искать на упаковке грунта одно красивое число пористости. Большой запас воды и быстрый дренаж требуют разных свойств. [6], [7]
До сих пор мы рассматривали уже заполненную сеть. Но сначала воде нужно войти в поры. Сухая гидрофобная мембрана может иметь сквозные отверстия и удерживать жидкую воду, пока перепад давления недостаточен для проникновения. Здесь существенны смачивание и поверхностное натяжение, размер и форма входов. Каналы существуют, а вода в них пока не вошла. Этот вход в сухую сеть нужно отличать от дальнейшего течения по насыщенному материалу; смачиваемость нельзя поэтому безоговорочно включать в его собственную проницаемость. [8]
А если перед нами фильтр, нужно задать ещё один вопрос: что именно он задерживает? Вода может исправно проходить, унося с собой нежелательные растворённые вещества или микроорганизмы. Эффективность проверяют для конкретных загрязнений; ни высокая пористость, ни хорошая подача её не подтверждают. При засорении часть путей перекрывается и расход может уменьшиться. Но из изменения скорости капель тоже нельзя узнать, стала ли вода пригодной для питья. Для этого нужны сведения о её качестве. [9], [10]
Если вы сравниваете два пористых материала, начните с условий: одна жидкость и температура, одинаковые размеры образцов и напор, известное предварительное смачивание. Губку при этом не сжимают: рука меняет и её структуру, и давление. Отдельно записывают, сколько воды образец удержал и сколько пропустил за определённое время. Тогда вместо общего впечатления «впитывает хорошо» получатся два осмысленных наблюдения. А за словом «пористый» начнёт просматриваться устройство материала. [3], [5], [10]
См. также: Рабочая точка насоса: характеристика и сопротивление системы — сопротивление системы влияет на проходящий поток.
