Gasdiffusie

Gasdiffusie is het proces waarbij gasmoleculen zich spontaan verspreiden door een medium, van gebieden met hoge naar gebieden met lage concentratie, als gevolg van hun willekeurige beweging. In gassen leidt dit tot menging van gassoorten en tot een uniforme samenstelling op lange termijn.

De mechaniek wordt meestal beschreven met Fick’s wetten. Fick’s eerste wet stelt dat de stofflux van een gas proportional is aan de negatieve concentratiegradiënt: J = -D ∇C, waarbij D de diffusiecoëfficiënt is. Fick’s tweede wet geeft weer hoe de concentratie in de tijd veranderlijk is: ∂C/∂t = D ∇^2 C. In systemen met meerdere gassen wordt vaak gebruikgemaakt van Maxwell-Stefan-relaties; in eenvoudige binair gasmengsels is D afhankelijk van temperatuur, druk en de aard van de moleculen.

De diffusiecoëfficiënt D neemt toe met temperatuur en af met druk. Over het algemeen diffundeert een lichter en kleiner molecuul sneller dan een zwaarder of groter molecuul. In poreuze media kan gasdiffusie bestaan uit moleculaire diffusie of Knudsen-diffusie, afhankelijk van de verhouding tussen poriegrootte en de moleculaire vrije baan. Bij membranen bepaalt de diffusiecoëfficiënt in combinatie met selectiviteit welke componenten sneller diffunderen.

Toepassingen omvatten gasscheiding (bijvoorbeeld zuurstof/stikstof, koolstofdioxide-afvang), ademhaling en longgasuitwisseling in de fysiologie, en industriële processen waarbij scheiding op basis van diffusie gebeurt. Gasdiffusie is daarmee zowel een fundamenteel transportmechanisme als een praktische proceskenner in laboratorium en industrie.