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Diffusion

Definition:

Bei der Diffusion (lat. diffundere = ausbreiten) handelt es sich um einen passiv-ablaufenden Prozess, der die Tendenz von Teilchen beschreibt, sich gleichmäßig in einem Raum zu verteilen. Auf diese Weise kommt es nach einer gewissen Zeit immer zur vollständigen Durchmischung zweier unterschiedlicher Stoffe (Konzentrationsausgleich). Das Prinzip der Diffusion gilt sowohl bei der Vermischung von Gasen, als auch bei Flüssigkeiten, weshalb die Redewendung der "Gleichverteilung im Raum" nicht zu eng ausgelegt werden darf. Prinzipiell findet Diffusion überall statt.
Um diesen Vorgang zu veranschaulichen, genügt es schon, Tinte in ein Wasserglas zu geben:

Diffusion  
Die Tinte vermischt sich langsam mit dem Wasser (Abbildung 2-3), bis am Ende nur noch eine homogene Flüssigkeit (Abbildung 4) besteht.

Ursache für die Diffusion ist der sogenannte "Random-Walk" der Teilchen, den man auch mit "Zufallsbewegung" übersetzen könnte. Dazu muss man wissen, dass sich Atome und Moleküle auf molekularer Ebene immer bewegen. Je wärmer die Umgebungstemperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen. In diesem Zusammenhang wird auch von der brownschen Molekularbewegung gesprochen (benannt nach dem Entdecker Robert Brown). Erst bei einer Temperatur von ungefähr -273,15 *C, dem absoluten Nullpunkt, bewegen sich die Teilchen nicht mehr. Den Einfluss der Temperatur auf die Vermischung zweier Stoffe hat sicherlich jeder schon einmal beim Kochen erlebt: In heißem Wasser lässt sich alles leichter auflösen, als in kaltem Wasser.

Diffusion - Bewegung der Teilchen Auf der Abbildung links ist die Vermischung zweier unterschiedlicher Stoffe (gasförmig) im Rahmen der Diffusion dargestellt. Alle Teilchen bewegen sich zufällig und ungerichtet in jede ihnen mögliche Richtung. Untereinander prallen Teilchen mit anderen Teilchen aneinander, wodurch es ständig zu Richtungswechseln kommt.
Langfristig führen diese ungerichteten Bewegungen der Teilchen zu einem Konzentrationsausgleich beider Stoffe, denn unter den Teilchen besteht, abgesehen von den richtungswechselnden Treffern, keine direkte Wechselwirkung. Jedes Teilchen bewegt sich für sich gesehen allein, unabhägig und zufällig im Raum, mit der Folge, dass es im Laufe der Zeit zu einer Vermischung kommt.

Diffusion ist ein stochastischer Prozess und daher mit Wahrscheinlichkeitsrechnung beschreibbar. Mit den entsprechenden Variablen könnte also ausgerechnet werden, wie lange es dauert, bis beide Stoffe sich vollständig durchmischt haben.

Zusammenfassung

  • Diffusion beschreibt das zufällige Verhalten von Teilchen, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen.
  • Diffusion gilt für die Vermischung von Flüssigkeiten und Gasen untereinander. Bei Feststoffen ist Diffusion nur bedingt zu beobachten.
  • Ursache für Diffusion ist der Random-Walk der Teilchen. Alle Teilchen bewegen sich zufällig im Raum, wodurch es auf lange Sicht zum Konzentrationsausgleich beider Stoffe kommt.

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