Diffusionsphänomene

Diffusionsphänomene beschreiben die spontane Verteilung von Teilchen durch zufällige Bewegung, die zu einer Vermischung von Stoffen führt. Typisch geht es um den Ausgleich von Konzentrationen von Gasen, Flüssigkeiten oder in biologischen Geweben. Diffusion ist eine zentrale Prozessgröße in Chemie, Physik, Umweltwissenschaften und Biologie.

Der grundlegende Mechanismus ist die Brownische Bewegung der Teilchen. In einem homogenen Medium gilt die Ficksche Diffusion: Der Diffusionsstrom J ist proportional zum negativen Konzentrationsgradienten, J = -D ∇c. Die Konstante D heißt Diffusionskoeffizient und hängt von Temperatur, Medium, Molekülgröße und Viskosität ab. In zeitlicher Hinsicht beschreibt das zweite Ficksche Gesetz die Änderung der Konzentration: ∂c/∂t = D ∇^2 c. In nicht gleichgewichts- oder porösen Systemen wird oft ein effektiver Diffusionskoeffizient verwendet, der Tortuosität und Heterogenität berücksichtigt.

Weiterhin können Diffusionsprozesse durch Hindernisse, Strömung (Advektion) oder Membranen beeinflusst werden. Temperaturerhöhung erhöht typischerweise D, während größere Moleküle langsamer diffundieren. Diffusion ist oft der erste Schritt in Mischprozessen, Reaktionen oder Transport in biologischen Systemen, zum Beispiel beim Sauerstofftransport in Lungenbläschen oder der Nährstoffaufnahme in Zellen.

Typische Anwendungen reichen von Gas- und Flüssigdiffusion in Industrieprozessen, durchlässigen Membranen, Filtration, Gewebe- und Knochenforschung bis hin zur Modellierung der Ausbreitung von Schadstoffen in Böden und Gewässern. Messmethoden umfassen Tracer-Verfahren, zeitaufgelöste Spektroskopie oder Analytik von Konzentrationskarten in Geweben.