Diffusiviteettia

Diffusiviteetti (diffusivity) kuvaa, miten nopeasti aine leviää tilassa koncentraatiogradientin aiheuttamana. Yleisimmin tarkoitetaan massadiffusiviteettiä D, joka kertoo, kuinka nopeasti aine diffundoituu. Massadiffusiviteettiä käytetään massaliikkeen kuvaamiseen nesteissä, kaasuissa ja kiinteissä aineissa. Sitä voidaan tarkastella isotrooppina (samansuuntainen kaikissa suunnissa) tai anisotropisena (suuntakohtainen). Yksiköt: m^2/s. Lähes sama käsite esiintyy termodynaaminen lämpödiffusiviteetti alpha, joka kuvaa lämpötilan jakautumisen nopeutta ja liittyy lämmönjohtavuuteen sekä tiheyteen ja ominaislämpökapasiteettiin: alpha = k/(rho cp).

Peruslaki Fickin lainsäädännön mukaisesti: diffuusiovirta J = -D grad C, ja Fickin toinen laki ∂C/∂t = div(D grad C). Kun D on vakio, ∂C/∂t = D ∇^2 C. D voi riippua lämpötilasta, paineesta, nesteen koostumuksesta ja molekyyleiden vuorovaikutuksista; se on yleensä suurempi kaasuissa ja nesteissä kuin kiinteissä aineissa. Monissa sovelluksissa käytetään käsitettä D_eff kuvaamaan todellista diffuutiota huokoisissa tai monikerroksisissa rakenteissa, joissa porositeetti ja tortuositeetti hidastavat kulkua.

Mittausmenetelmät kuten tracer-tutkimukset, FRAP ja PFG-NMR antavat arvoja D. Diffusiviteetilla on lukuisia sovelluksia: kemiassa teollisuudessa, geologiassa, biologiassa ja materiaalitieteessä, esimerkiksi hapen ja lääkeaineiden diffuusio kudoksissa sekä diffuusion rooli polymeerien ja huokoisten rakenteiden suunnittelussa. Diffusiviteetti on keskeinen parametri monien prosessien mallintamisessa.