Diffussiokäsitteellä

Diffuusiokäsitteellä viitataan ilmiöön, jossa aine, lämpötila tai jokin muu suure leviää tilassa korkeammalta pitoisuudelta matalammalle, pyrkien tasapainoon. Diffuusio perustuu hiukkasten satunnaiseen liikkeeseen ja siihen syntyvään pitoisuusgradientin aiheuttamaan nettorajaan.

Fickin ensimmäinen laki kuvaa diffuusiovirran J: J = -D ∇c, jossa c on pitoisuus ja D diffuosiokerroin. Toisen lain avulla pitoisuus muuttuu ajassa: ∂c/∂t = D ∇^2 c. Näillä laeilla voidaan kuvata sekä pysyvää että ajan kuluessa kehittyvää pitoisuuden jakautumista, kunhan määritellään reuna- ja alkuarvot sekä mahdolliset D:n riippuvuudet sijainnista tai pitoisuudesta.

Historia: Diffuusion käsite ja siihen liittyvät lait muotoutuivat 1800-luvun lopulla, erityisesti Adolf Fickin työn kautta (1855). Myöhemmin Einstein osoitti Brownian liikkeen yhteyden diffuusion tilastomallinnukseen (1905), mikä vahvisti diffuusion matemaattisen pohjan.

Laajennukset ja variaatiot: epälineaarinen diffuusio, anomali-diffuusio sekä fraktio-diffuusio käsittelevät poikkeavia etenemismalleja ja muuntavat klassisten lakien soveltuvuutta. Anisotrooppisissa tai monikomponenttisissa järjestelmissä diffuosiokerroin D voi olla suunnasta, pitoisuudesta tai ajasta riippuva.

Sovellukset: diffuusiota käytetään kuvaamaan sekoittumista kemiallisissa reaktioissa, aineiden kulkeutumista ympäristöissä, materiaalitutkimuksesta lääketieteellisiin toimitusjärjestelmiin sekä biologisiin prosesseihin, kuten solukalvon läpäisyyn. Myös yhteiskuntatieteissä voidaan puhua diffuosion kaltaisista leviämisprosesseista, kuten innovaatioiden leviämisestä.

Yhteenveto: diffuusion käsite on keskeinen osa transporttien mallintamista ja tarjoaa perustan sekä teoreettiselle että soveltavalle tutkimukselle, kuvaamalla miten aineet ja tiedot leviävät tilassa.