Diffuusiolaki

Diffuusiolaki on termi, jota käytetään kuvaamaan aineiden diffuusion ilmiöiden matemaattisia periaatteita. Yleisesti sillä viitataan Fickin lakeihin, jotka mallittavat, miten pitoisuuserot saavat aineet liikkumaan ja tasoittumaan. Diffuusiolain sovellukset ulottuvat kemiasta fysiikkaan, biologiaan ja materiaalitutkimukseen.

Fickin ensimmäinen laki kuvaa diffuusiovirran ja pitoisuuseron välistä suhdetta: J = -D ∇c. Tässä J on diffuusiovirta, D on diffuusion vakio ja ∇c on pitoisuusgradientti. D voi riippua aineesta, lämpötilasta ja ympäristöstä.

Fickin toinen laki kuvaa pitoisuuspitoisuuden ajallista muutosta: ∂c/∂t = D ∇^2 c homogeenisessa ja isotrooppisessa mediassa. Tämä diffuusion yhtälö ennustaa, miten pitoisuus muuttuu ajan kuluessa ja miten tasoittuminen etenee.

Usein D ei ole vakio; diffuusio voi olla epäisotropista tai monimutkaisemmissa järjestelmissä tarvitaan laajempia malleja. Diffuusiolakia sovelletaan esimerkiksi kaasujen ja nesteiden diffuusion, biologisten kudosten hapen ja ravinteiden kulkeutumisen sekä materiaalien puhdistamisen ja valmistuksen yhteydessä.

Historia: Fickin lait esittelivät saksalaiset lääkäri Adolf Fick vuonna 1855. Niiden kehittäminen tarjosi perustan monille diffuusion malleille ja on edelleen keskeinen osa transporttiteoriaa.

Katso myös: Fickin lait, diffuusio, Brownin liike, diffuusionvakio.