diffusionsströmmen

Diffusionsströmmen beskriver hur många partiklar som passerar genom en yta per tidsenhet som svar på en gradient i koncentration eller kemisk potential. Den uppstår när molekyler rör sig slumpmässigt och sprider sig från områden med högre till lägre koncentration. En vanlig beskrivning är Ficks första lag: J = -D ∇c, där J är diffusionsströmmen (enhet mol/(m²·s) eller kg/(m²·s)), D är difussionskoefficienten (m²/s) och ∇c är koncentrationsgradienten. Den negativa tecken återspeglar att flödet går i riktning mot lägre koncentration. I endimensionell form blir J = -D dc/dx.

Genom masskonservation och Ficks andra lag fås diffusionsekvationen: ∂c/∂t = D ∇²c, som beskriver hur koncentrationen förändras över tid. I flerkomponentsystem används ofta J_A = -D_AB ∇c_A för diffussion av komponent A i en blandning med komponent B, där D_AB är diffusionskoefficienten mellan de två komponenterna. D påverkas av temperatur, medietyp, molekylstorlek och interaktioner; generellt ökar D med temperatur och minskar i tätare eller mer viskösa medier.

Diffusionsströmmen har breda tillämpningar inom kemi, biologi och materialvetenskap, till exempel gas- och vätskeflöden genom membran, spridning av näringsämnen i vävnad, diffusion i porösa material och transport av elektrolyter i batterier. Begränsningar inkluderar antaganden om konstant D och frånvaro av konvektion eller icke-Fickska diffusionseffekter; i många system varierar D med koncentration och rumslig position i komplexa medier.