Diffusion

Als Diffusion bezeichnet man den auf der Brownschen Molekularbewegung beruhenden Prozess der Verteilung von Teilchen mehrerer Stoffe ineinander, der letztlich zu deren vollständiger Durchmischung führt.

Diffusion wird meist als "gerichtete Diffusion", bzw. als der daraus resultierende Stofftransport entlang eines Konzentrationsgradienten verstanden.
In diesen Fällen besteht zu Beginn ein Konzentrationsgradient innerhalb der Phase, in der die Diffusion des betrachteten Stoffes abläuft.
Die prinzipiell ungerichtete Brownsche Molekularbewegung führt hier statistisch dazu, dass mehr Teilchen des betrachteten Stoffes in Richtung der niedrigeren Konzentration des Stoffes wandern, als in Richtung der höheren.
Dadurch entsteht eine gerichtete Bewegung, die letztlich dazu führt, dass die Konzentration in allen Bereichen der betrachteten Phase gleich ist, womit dann der Netto-Transport zum Erliegen kommt.
Die Diffusionszeit ist proportional zum Quadrat des Diffusionsweges. Zum Überwinden einer doppelt so langen Diffusionsstrecke, ist also die vierfache Zeit erforderlich.
Für Harnstoff wurde dieser theoretische Zusammenhang gut experimentell bestätigt. In der nachfolgenden Tabelle sind die Zeiten angegeben, innerhalb der sich in der jeweiligen Entfernung vom Ausgangspunkt 99 % des Verteilungsgleichgewichts eingestellt haben.

Diffusionsstrecke Diffusionszeit (Harnstoff in Wasser, 20 °C)

1 µm 0,0005 sec

10 µm 0,05 sec

100 µm 4,6 sec

1 mm 7,6 min

10 mm 12,7 h

Auf sehr kurze Entfernungen ist somit die Verteilung eines Stoffes durch Diffusion recht effektiv. Auf längere Distanzen sind jedoch andere Durchmischungsprozesse, wie der Transport durch Konvektion (Strömung) effektiver.
Physikalisch betrachtet ist die Diffusion ein passiver Vorgang, da sie auch ohne äußere Energiezufuhr abläuft.
Der Stofftransport per Diffusion entlang eines Konzentrationsgradienten führt thermodynamisch betrachtet zu einer erhöhten Entropie im Gesamtsystem. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist es somit ein freiwillig ablaufender Prozess, der sich nicht ohne Einsatz von von außen zugeführter Energie umkehren lässt.
In der Biologie und Physiologie spielen Diffusionsprozesse eine große Rolle. Physiologisch insbesondere als Diffusion über Membranen hinweg. Hier unterscheidet man zudem die einfache Diffusion von der erleichterten Diffusion.