נקבוביות

קובייה אלמנטרית

נקבוביות (באנגלית: Porosity) מוגדרת כיחס בין נפח החללים של חומר (מצע) נקבובי לנפח החומר הכולל. המונח נקבוביות משמש בתחומים רבים בהם גאולוגיה ומדעי כדור הארץ, הידרולוגיה ופיזיקה של הקרקע, חקלאות והשקיה, מכניקת קרקע וביסוס מבנים, הנדסת חומרים ומטרולוגיה, הנדסת רקמות ורפואה. לנקבוביות השפעה מכרעת על תהליכים כמו זרימת מים בתוך המצע הנקבובי, תנועה של מומסים וחלקיקים, ראקציות כימיות ותופעות מעבר מסה וחום, בידוד תרמי, גמישות ועמידות בפני עומסים ומאמצים.

בתחומי ההידרוגאולוגיה ומדעי כדור הארץ מקובל לסמן את הנקבוביות באות $n$ או $\phi$ כדלקמן:

$n={\frac {V_{\mathrm {v} }}{V_{t}}}$

כאשר $V_{\mathrm {v} }$ הוא נפח החללים ו- $V_{\mathrm {t} }$ הוא הנפח הכולל.

מושג הנקבוביות

נוח להסביר את מושג הנקבוביות בעזרת סכמה של שלוש הפאזות (מוצק, נוזל וגז). הנפח של הפאזה המוצקה מוגדר כ- $V_{\mathrm {s} }$, הנפח של הפאזה הנוזלית (למשל מים) הוא $V_{\mathrm {w} }$ והנפח של הפאזה הגזית (אוויר) מסומן כ-$V_{\mathrm {a} }$. נפח החללים שווה לסכום הנפחים של הפאזה הנוזלית והפאזה הגזית, $V_{\mathrm {v} }=V_{a}+V_{w}$ , והנפח הכולל שווה לסכום נפח החללים והפאזה המוצקה, $V_{t}=V_{\mathrm {v} }+V_{s}$.

בנוסף לנקבוביות, מקובל להגדיר את יחסי הנפחים של הפאזות בעזרת הערכים הבאים: מנת החללים מוגדרת כ-$e=V_{\mathrm {v} }/\mathrm {V} _{\mathrm {s} }$, תכולת הרטיבות הנפחית כ-$\theta =V_{w}/V_{t}$ ודרגת הרוויה כ- $s=V_{w}/V_{\mathrm {v} }$. תכולת הרטיבות משתנה בין ערך נמוך (שאריתי) במצב של קרקע יבשה לערך מקסימלי שמתקבל במצב בו הקרקע רוויה במים ושווה לנקבוביות. תחום הערכים של דרגת הרוויה נע בין במצב יבש $(s=0)$ למצב רוויה $(s=1)$ בו כל הנקבובים מלאים במים. הקשרים בין יחסי הנפחים מאפשרים להגדיר את הנקבוביות בעזרת תכולת הרטיבות ודרגת הרוויה, $n={\theta }/{s}$ או בעזרת מנת החללים $n={e}/{(e+1)}$. ביטוי נוסף לנקבוביות תלוי בשתי הגדרות עבור צפיפות, צפיפות יבשה $\rho _{d}=m_{s}/V_{t}$ וצפיפות מוצקים $\rho _{s}=m_{s}/V_{s}$, כאשר $m_{s}$ היא המסה של הפאזה המוצקה. היות שהערך של $\rho _{s}$ בסלעים ובקרקעות שווה, על פי רוב, ל-$g\ cm^{-3}$ 2.65, מדידה של הצפיפות היבשה ($\rho _{d}$) מספקת הערכה לנקבוביות.

הקשר בין נקבוביות והמוליכות ההידרולית ברוויה

ככלל, המוליכות ההידרולית ברוויה גדלה עם הנקבוביות. הסיבה העיקרית היא שעבור נקבוביות גדולה, שטח החתך הפנוי לזרימה גדל והמרחק הממוצע בין חלקיקי הזורם והפאזה המוצקה גדל. אלא שהנקבוביות אינה הגורם היחיד שקובע את ערכה של המוליכות ההידרולית. יתרה מכך, יש מקרים בהם ההתנהגות הפוכה: קרקע חרסיתית מאופיינת בנקבוביות גדולה מזו של קרקע חולית אבל המוליכות ההידרולית שלה נמוכה יותר. גורמים נוספים שמשפיעים על המוליכות ההידרולית הם התפלגות הגודל של הנקבובים, הסידור המרחבי של חלקיקי המצע הנקבובי (שמתואר לעיתים על ידי ערך הפתלתלות ), מידת החספוס של פני המוצק ותכונות הזורם (בעיקר צמיגות). משוואות כמו משוואת קוזני-קרמן ומשוואת אֵרְגוּן מספקות הערכה של המוליכות ההידרולית בתלות בנקבוביות ובגורמים נוספים.

ערכים אופייניים לנקבוביות

נקבוביות היא תכונה שיכולה להשתנות במרחב ובזמן. שינויים במרחב מתרחשים למשל במעבר בין שכבות ויחידות גאולוגיות ובהשפעת העומס העצמי של הקרקע. שינויים בזמן מתרחשים כתוצאה מתהליכי תפיחה והתכווצות שנובעים, בן השאר, ממחזורי ייבוש והרטבה.

ערכים אופייניים של נקבוביות של קרקעות ותצורות סלע שונות מוצגים בטבלה:

חומר	נקבוביות אופיינית (-)
כבול	0.75-0.9
חרסית	0.24-0.49
טין	0.4-0.55
חול	0.37-0.45
צרורות	0.2-0.3
גיר	0.09-0.25
בזלת	0.01-0.35
דולומיט	0.004-0.086
גרניט	0.002-0.004

נקבוביות, מיצוע מרחבי ותורת הרצף

הירח היפריון, ידוע בנקבוביות גובהה

ערך הנקבוביות כתלות בנפח הבקרה - תיאור של הנקבוביות המתקבלת בתלות בגודלו של הנפח המייצג, כבדוגמאות המסומנות ב-V2, V1 ו- V3.

נקבוביות היא תכונה שמתקבלת ממיצוע בתוך נפח מייצג , שכן ללא מיצוע מתקבלים ערכים שאינם מייצגים את המצע הנקבובי. למשל, הנקבוביות בנקודה שממוקמת בתוך נקבוב תהיה שווה ל-1 ואילו בנקודה בתוך הפאזה המוצקה, הנקבוביות התאורטית תהיה שווה ל-0.

גודלו של הנפח המייצג צריך להיות מספיק גדול כדי ששינויים קלים בגודלו לא ישפיעו על תוצאת המיצוע אך גם מספיק קטן כדי שניתן יהיה לתאר את השינויים של הנקבוביות במרחב.

סוגים שונים של נקבוביות

נקבוביות אפקטיבית

זרימה במצע נקבובי מתרחשת בתוך רצף של חללים המחוברים זה לזה. קיימים מצבים בהם חלק מהנקבובים מנותקים מהרצף ולכן אינם חלק מהחלל דרכו מתרחשת הזרימה. נקבוביות אפקטיבית מייצגת את החללים בהם מתרחשת זרימת מים בתנאי רוויה והשימוש בה מאפשר טיפול נפרד ברצף הנקבובים שמשתתף בזרימה. נהוג להשתמש במושג נקבוביות אפקטיבית לתיאור זרימה בקרקע המכילה אזורים של מוליכות הידרולית נמוכה, כמו אגרגטים ועדשות חרסית קטנות, אשר כמעט ולא מאפשרים למים לזרום דרכם.

נקבוביות כפולה

שם זה מתייחס לרעיון תאורטי המציע להתייחס למצע הנקבובי כמורכב משתי פרקציות נקבוביות בעלות אינטראקציה הדדית. למשל, בסלעים סדוקים ניתן להגדיר שתי פרקציות; פרקציה של מטריצת הסלע הרציפה ופרקציית סדקים כאשר לכל אחת מהפרקציות מוגדרת נקבוביות שונה. רישום של משוואות הזרימה ומשוואות ההסעה עבור כל אחת מהפרקציות ותיאור של תופעות המעבר בין הפרקציות משפר במקרים רבים את ההתאמה בין חישובים ומדידות של תהליכים המתרחשים בסביבות מורכבות.

מקרו-נקבוביות ומיקרו-נקבוביות

מקובל להתייחס לגודל החללים כדי לאפיין את השפעתם על תהליכי המעבר של מומסים. בעוד במצע בעל חללים קטנים התנועה של המומסים תתרחש בעיקר על ידי דיפוזיה מולקולרית, במצע בעל חללים גדולים התנועה תתרחש בעיקר על ידי הסעה.

ראו גם

גאומכניקה

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא נקבוביות בוויקישיתוף