Pitoisuusvirta

Pitoisuusvirta, usein tilattu pitoisuusvirraksi, kuvaa määrän ainetta, joka siirtyy tietyn pinta-alan läpi yhdellä aikayksiköllä. Yleisesti sillä tarkoitetaan molien tai muu yksikön siirtymistä pinta-alaa kohti per sekunti. Pitoisuusvirran suunta ja suuruus määräytyvät pitoisuuseron ja aineen liikkumisvoiman mukaan.

Fickin lait ovat keskeisiä pitoisuusvirran kuvaamisessa. Fickin ensimmäinen laki sanoo, että pitoisuusvirta J on verrannollinen pitoisuusk gradienttiin: J = -D ∇C. Tässä D on diffuusiokerroin (liikkeen kykyä määrittelevä ominaisuus) ja ∇C on pitoisuusk gradientti. Yksinkertaisessa yhdensuuntaisessa suunnassa J = -D dC/dx. Fickin toinen laki kuvaa aikaisen muutoksen ja diffuution yhteyttä: ∂C/∂t = D ∇^2 C, tai yleisemmin ∂C/∂t = -∇·J + R, missä R kuvaa lähteitä tai kuluttuja.

Pitoisuusvirta voi esiintyä pelkän diffuusion lisäksi myös advektion, eli liikkuvan fluidin mukana tapahtuvan kuljettamisen kanssa. Tällöin kokonaisvirta on J = -D ∇C + C v, missä v on fluidin velocity. Tällöin massan kulku noudattaa advektio-diffuutiomallia, joka johtaa yhtälöön ∂C/∂t + ∇·(C v) = ∇·(D ∇C) + R.

Pitoisuusvirran käsite on keskeinen kemian, fysiikan, biokemian ja ympäristötieteiden sovelluksissa, kuten diffuusion mallinnuksessa, suodattamisessa, biofysiikassa ja materiaalitutkimuksessa. Se mittaa, kuinka nopeasti aine hajaantuu tai siirtyy tilassa pitoisuuss heterogeenisyyden vuoksi.