Diffuusiomekaniikan

Diffuusiomekaniikan är studiet av massöverföring som uppkommer när koncentrationsskillnader driver diffusion i vätskor, fasta ämnen och gaser. Fältet förenar termodynamik, kinetisk teori och kontinuumsmekanik för att beskriva hur ämnen sprids, hur snabbt det sker och hur mikrostruktur och omgivning påverkar processen.

Grundläggande modeller bygger på Ficks lagar. Den första Ficks lagen anger att diffusionsflödet J är proportionellt mot koncentrationsgradienten: J = -D ∇c. Den andra lagen beskriver tidsutvecklingen av koncentrationen: ∂c/∂t = ∇ · (D ∇c) + S, där D är diffusionkoefficienten och kan vara konstant i isotropa material eller en tensor i anisotropa medier. Vid vätskeflöde eller diffusion under rörlighet införs advektions- och källtermer: ∂c/∂t = ∇ · (D ∇c) - ∇ · (c u) + S.

Diffusionens typiska scenarier varierar mellan ren molekylär diffusion i vätskor och fasta ämnen, diffusion i porösa medier och diffusions‑/koncentrationstransport i gränsskikt vid ytor. Materialmikrostruktur, temperatur, tryck och kemisk interaktion med andra ämnen påverkar D och därmed diffusionshastigheten.

Användningsområden inkluderar metall‑ och materialvetenskap (legeringsdiffusion och fasomvandling), elektrokemi och batteriteknik (transport av joner i elektroder och elektrolyt), biologi och medicin (närings- och läkemedelsupptransport i vävnader) samt miljö‑ och geovetenskap (diffusion av föroreningar i jord och vatten). Beräkningar görs ofta med analytiska lösningar i enkla fall eller numeriska metoder som finita element eller finita differensmetoder.

Historiskt sett står diffusionslagarna i 1800‑talets arbete av Adolf Fick, och diffusionsfenomen kopplas till Brownsk rörelse i modern kinetisk teori.