diffuusioprosessit

Diffuusioprosessit kuvaavat aineen hiukkasten siirtymää kohti tasapainoa johtuvan pitoisuuseron seurauksena. Diffuusio esiintyy kaasussa, nesteessä ja kiinteissä materiaaleissa sekä biologisissa järjestelmissä, ja se on usein passiivinen kuljetusmuoto, joka seuraa pitoisuusgradienttia. Käytännön ilmiöitä ovat esimerkiksi kaasujen siirtyminen rajapinnoissa, liuosten sekoittuminen sekä solujen aineensiirto.

Perusmallinnus perustuu Fickin lakeihin. Fickin ensimmäinen laki sanoo, että diffuusion virta J on -D ∂c/∂x. Fickin toinen laki, jatkuvuuslaki, on ∂c/∂t = ∂/∂x (D ∂c/∂x); kun D on vakio, se supistuu ∂c/∂t = D ∂^2 c/∂x^2. D kuvaa diffuusiokykyä ja riippuu lämpötilasta, aineesta sekä ympäristön rakenteesta; poroosissa ja anisotrooppisissa materiaaleissa käytetään usein tehokasta D_eff:ia, joka voi riippua suunnasta ja tilan rakenteesta.

Siirtoprosessiin vaikuttavat diffuusiota ja mahdollisesti advektiota aiheuttavat massansiirrot. Ominaisuuksien mittaamiseen ja mallintamiseen sovelletaan tyypillisesti aikaskaalan arviota t ~ L^2 / D. Tämä kuvaa, kuinka nopeasti pitoisuuserot tasoittuvat eri järjestelmissä.

Sovelluksia on laajasti: kaasujen diffuusio ilmassa ja rajapinnoissa, nesteliuosten sekoittuminen, kalvojen ja suodattimien massansiirto sekä kuivuminen ja katalyyttiset prosessit. Biologiassa diffuusio ylläpitää solujen aineensiirtoa ja kudosten ainevaihtoa.

Mittaukset ja mallit yhdistävät kokeelliset tracer-tutkimukset sekä numeeriset ratkaisut, kuten finite difference- ja finite element -menetelmät, sekä analyyttiset ratkaisut. Dimensionless-luvut, kuten Fourier- ja Peclet-luvut, kuvaavat diffuusion ja advektion suhdetta.