Diffusiesnelheid

Diffusiesnelheid is de snelheid waarmee deeltjes zich verplaatsen van een gebied met hogere concentratie naar een gebied met lagere concentratie, aangedreven door een concentratiegradiënt. Diffusie is een vorm van moleculair transport die vooral plaatsvindt door willekeurige beweging van moleculen en die doorgaans zonder bulkbeweging van de stof plaatsvindt, in tegenstelling tot convectie.

De wiskundige beschrijving gebruikt vaak de wetten van Fick. De eerste wet zegt dat de diffusive flux J gelijk is aan -D dC/dx, waarbij J de hoeveelheid stof per oppervlakte-eenheid per tijd is, D de diffusiecoëfficiënt en dC/dx de concentratiegradiënt. De tweede wet, voor constante D, luidt ∂C/∂t = D ∂^2C/∂x^2 en beschrijft hoe de concentratie zich in de tijd verspreidt. In een één-dimensionale ruimte gaat een concentratieprofiel bij diffusie uit een puntbron uitwaaieren als een Gaussiaanse pluim met spreiding proportional aan sqrt(2Dt).

De diffusiecoëfficiënt D is een eigenschap van het systeem en hangt af van temperatuur, medium en molecuulgrootte. Voor gassen is D relatief groot en neemt het toe met temperatuur; voor vloeistoffen ligt D typisch tussen 10^-10 en 10^-9 m^2/s, en in vaste stoffen is D nog kleiner. D volgt vaak een Arrhenius-verband D = D0 exp(-Ea/RT). Diffusie kan anisotroop zijn in richtingafhankelijke media en bij meerdere componenten wordt vaak een diffusietensor gebruikt.

Toepassingen bevinden zich in chemische technologie, membranen, geneesmiddelenafgifte, voedseltechnologie en materiaalkunde. Metingen van diffusiesnelheid gebeuren met tracerdiffusie-experimenten (bijv. radiotracers, NMR, pulsed-field gradient technieken) of via analyse van concentratieprofielen met bijbehorende modellen. Diffusie werkt meestal samen met convectie en interacties tussen moleculen, waardoor in praktijksystemen ook niet-Fickse diffusie kan optreden.