Diffusivitäten

Diffusivitäten bezeichnen physikalische Größen, die den Transport von Masse, Wärme oder Impuls durch Diffusion beschreiben. Sie werden in der Regel als Diffusionskoeffizienten D (für Stoffdiffusion) oder als thermische Diffusivität α (für Wärmeleitung) angegeben und haben die Dimension Fläche pro Zeit (SI-Einheit m²/s). In mathematischen Modellen treten sie in Diffusions- oder Wärmegleichungen auf, etwa in der Fick’schen Gleichung ∂c/∂t = D ∇²c bzw. in der Wärmeleitungsgleichung ∂T/∂t = α ∇²T.

Die Größe der Diffusivitäten hängt von Temperatur, Druck, Zusammensetzung des Mediums und von molekularen Eigenschaften wie Teilchengröße und Wechselwirkungen ab. In Fluiden unterscheidet man molekulare Diffusivität und effektive (eddy-)Diffusivität, welche turbulente Mischprozesse beschreibt. In anisotropen oder heterogenen Materialien wird Diffusivität durch Tensoren beschrieben, die richtungsabhängiges Verhalten erlauben.

Zur Charakterisierung werden dimensionslose Zahlen wie die Prandtl-, Schmidt- und Lewis-Zahl verwendet, die Verhältnisse zwischen viskosen, thermischen und massentransportierenden Effekten ausdrücken. Messmethoden umfassen Tracer-Versuche, Taylor-Dispersionsmessungen, NMR-Pulsfeldgradienten und optische Verfahren.

Diffusivitäten sind in zahlreichen Anwendungsfeldern wichtig, etwa in Chemie- und Verfahrenstechnik, Klimaforschung, Geowissenschaften, Materialwissenschaften und Biophysik, da sie maßgeblich das zeitliche und räumliche Verhalten von Konzentrationen, Temperaturen und Stoffaustauschprozessen bestimmen.