WikiDer > Diffusion

Schematische Darstellung der Diffusion.

Diffusion ist ein Prozess, der aus der zufällige Bewegung von Partikeln. Die zufällige Bewegung ist auf die kinetische Energie diese Teilchen besitzen. Bei Abweichungen in Konzentration Diffusion führt zu einer Nettobewegung von Partikeln von Bereichen hoher Konzentration zu Bereichen niedriger Konzentration.^[1]

Beschreibung

Faktoren, die die Diffusion beeinflussen

Die Verschiebung, die ein Teilchen pro Zeiteinheit ausführen kann, hängt von mehreren Faktoren ab. Ein höheres Temperatur sorgt dafür, dass ein Teilchen mehr kinetische Energie erhält und somit schneller diffundiert. Auch die Größe eines Partikels ist wichtig: ein kleines Ion diffundiert in einer Lösung viel schneller als a Protein. Außerdem ist die Menge Reibung dass ein Teilchen auf einen wichtigen Faktor trifft: ein höheres Viskosität verringert die Diffusionsgeschwindigkeit.

Wichtig ist auch die Aggregatzustand eines Stoffes: in a Gas Diffusion verläuft viel schneller als in a Flüssigkeit. In einem Kristallgitter die Bewegungsmöglichkeiten eines Teilchens sind begrenzt.

Mittlere quadratische Verschiebung und der Diffusionskoeffizient

Um quantitativ etwas über die Diffusion aussagen zu können, muss eine Größe für die Diffusionsgeschwindigkeit von Teilchen definiert werden. Es macht keinen Sinn, diese Diffusionsrate in m⋅s . zu definieren⁻¹. Denn bei zufälliger Bewegung bewegen sich die Teilchen in alle Richtungen, so dass die durchschnittlich Verschiebung ist (fast) gleich 0. Daher betrachten wir den Mittelwert der Quadrate aller Bewegungen. Dies ergibt eine nützliche Einheit, die der mittlere quadratische Verschiebung (Englisch: mittlere quadratische Verschiebung) wird genannt. Sie nimmt linear mit der Zeit zu: Je mehr Zeit vergeht, desto weiter können sich die Teilchen bewegen. Auf dieser Basis ist eine Konstante, nämlich die Diffusionskoeffizient, sind festgelegt. Dieser Diffusionskoeffizient wird mit D abgekürzt und hat die Einheit m²so⁻¹. Es ist also die mittlere quadratische Verschiebung pro Zeiteinheit.

Konzentrationsgradienten und das Fick-Gesetz

Bei Konzentrationsunterschieden in einem System entsteht aufgrund der Diffusion ein Netz Fluss (Bewegung von Partikeln) in Richtung der niedrigsten Konzentration (wenn keine anderen Kräfte spezifisch auf diese Partikel einwirken). An einer Konzentrationsgradient daher wird der Diffusionskoeffizient in der verwendet Fick.'s Gesetz. Das Fick-Gesetz besagt, dass ein größerer Diffusionskoeffizient und ein schärferer Konzentrationsgradient zu einem größeren Fluss führen. Der Fluss kann als die Nettozahl der Partikel beschrieben werden, die pro Zeiteinheit eine bestimmte Oberfläche passieren.

Verbreitung von Kaliumpermanganat im Wasser.

Beispiele für Diffusion

Diffusion ist ein relativ langsamer Prozess. Diffusion tritt oft in Kombination mit anderen Formen des Stofftransports auf, wie z. B. aktive Vermischung und (turbulente) Konvektion. Nur mit Diffusion (ohne turbulente Vermischung und thermische Konvektion) würdest du theoretisch etwa ein Jahr brauchen, um es zu riechen, wenn du deine Schuhe ausziehst.^[2] In kleinerem Maßstab, wie zum Beispiel auf der Ebene von a Zelle, ist die Verbreitung von viel größerer Bedeutung.

Beispiele für Diffusion sind:

• Ein Tropfen Lebensmittelfarbe in Wasser das breitet sich mit der Zeit aus und macht alles Flüssigkeit hat im Laufe der Zeit die gleiche Farbe (aufgrund unterschiedlicher Dichte Theaterstücke Konvektion normalerweise eine wichtige Rolle dabei)
• Nährstoffe, die vom Darm durch die Darmwand ins Blut gelangen (Resorption).
• Sauerstoff aus der eingeatmeten Luft in den Alveolen geht ins Blut und Kohlendioxid das geht in die andere richtung.
• Uranhexafluorid dass das Licht Isotop von Uran (²³⁵SIE) durchquert ein Hindernis schneller als ein Molekül mit dem schwereren Isotop (²³⁸SIE). In der Vergangenheit war dieses Verfahren (Gasdiffusion) ein weit verbreitetes Verfahren zur Gewinnung von Uran bereichern.

Viele biologische Systeme und technische Anwendungen nutzen die Diffusion.

Diffusion in Kristallgittern

Diffusion tritt auch in Kristallgitterwie Metalle und Salze. Bei der Sublimat von diesen Materialien werden Leerstellen (Leerstellen) in das Kristallgitter eingebaut. Atome die durch Wärmeschwingungen genügend Energie erhalten, um die Energiebarriere zu durchbrechen (Aktivierungsenergie) um eine Stelle an einem nahegelegenen Gitterpunkt zu besetzen, können Positionen springen. Dabei hinterlassen sie eine leere Stelle, zu der dasselbe oder ein anderes Atom springen kann. Auf diese Weise können Atome und Leerstellen durch ein Kristallgitter wandern. Knapp unterhalb des Schmelzpunktes geschieht dies recht schnell, bei niedrigeren Temperaturen jedoch langsam bis sehr langsam. Außer durch ein Kristallgitter kann auch entlang von Fehlern im Kristallgitter eine viel schnellere Diffusion stattfinden (Verrenkungen) und Oberflächen. Bei der sogenannten Selbstdiffusion (Diffusion von Atomen, die mit denen im Kristallgitter identisch sind) kann die Diffusion mit radioaktiven Tracern gemessen werden. Wissen über Diffusion ist wichtig für Materialexperte Eigenschaften wie Flexibilität oder Zerbrechlichkeit.

Eine materialwissenschaftliche Anwendung der Diffusion ist beispielsweise die Diffusionsschweißen.

Andere Bedeutungen von Diffusion

Nicht nur bei Materie wird manchmal von Diffusion gesprochen:

• Verbreitung von Wärme heiß Wärmeleitung;
• Verbreitung von elektrische Ladung ist eine der Ursachen für elektrische Leitung; Diffusion von positiven und negativen Ladungsträgern spielen eine wichtige Rolle bei Halbleitertechnologie;
• Schallausbreitung, siehe Verbreitung (Musik);
• Diffusionismus, wenn Kulturen, Sprachen und Religionen aus ihren Herkunftsgebieten verbreitet werden

Nüsse