Diffuusiossa

Diffuusio on aineiden pienliikkuva siirtyminen suuremman pitoisuuseron suunnassa kohti tasaisuutta. Molekyylit liikkuvat satunnaisesti ja pyrkivät tasoittamaan pitoisuuseroja, mikä voi tapahtua kaasussa, nesteessä ja kiinteässä aineessa. Diffuusio on keskeinen prosessi sekä biologisissa että teknisissä sovelluksissa, kuten kaasujen sekoittumisessa, liuosten tasoittumisessa ja materiaalien valmistuksessa.

Fysikaaliset peruslait kuvaavat diffuusion matemaattisesti. Fickin ensimmäinen laki määrittelee diffuusiovirran J suunnassa J = -D ∇c, missä D on diffuusiokerroin ja c pitoisuus. Fickin toinen laki kertoo pitoisuuden muutoksen: ∂c/∂t = D ∇^2 c. D riippuu lämpötilasta, nesteen viskositeetista ja molekyylin koosta; suuremmat molekyylit ja jäykemmät liuokset pienentävät D. Brownin liike on diffuusion fysikaalinen perusta, ja Einsteinin suhteet yhdistävät D:n lämpötilaan ja viskositeettiin.

Käytännössä diffuusion nopeuteen vaikuttavat tekijät kuten lämpötila, pitoisuusero, väliaineen viskositeetti sekä molekyylin koko; konvektio voi nopeuttaa sekoittumista, mutta diffuusio toimii perusmekanismina, kun makrotason virtausta ei ole.

Esimerkkejä ovat kaasujen diffuusio ilmassa, aineiden diffuusio veteen liuenneena kudoksissa sekä kaasujen vaihtuminen keuhkoissa. Kiinteissä aineissa diffuusio on tyypillisesti hyvin hidasta ja esiintyy esimerkiksi metallien seosaineiden liukenemisessä sekä lämpötilavaihtelujen vaikutuksesta. Diffuusio on tärkeä käsite kemiassa, biologiassa ja materiaalitieteessä.

Historia: Fickin lait julkaistiin 1800-luvulla (Adolf Fick, 1855). Brownin liike ja Einsteinin tulkinnat tarjosivat mikroskooppisen ymmärryksen diffuosion syistä ja sen yhteydestä termodynamiikkaan.