Diffusion ist ein physikalisches Phänomen, das den Prozess der spontanen Ausbreitung von Teilchen oder Molekülen von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration beschreibt. Es tritt aufgrund der zufälligen Bewegung der Teilchen aufgrund ihrer kinetischen Energie auf.
In einem System mit einer Konzentrationsdifferenz versuchen die Teilchen aufgrund ihrer zufälligen thermischen Bewegung, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen. Dieser Ausgleich erfolgt durch die Diffusion, bei der die Teilchen von einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration wandern.
Der Diffusionsprozess kann in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern auftreten, wobei die Geschwindigkeit der Diffusion von verschiedenen Faktoren abhängt, wie beispielsweise der Temperatur, der Konzentrationsdifferenz, der Viskosität des Mediums und der Größe und Form der Teilchen.
In Gasen erfolgt die Diffusion durch die Bewegung der Gasteilchen in alle Richtungen, wobei sie sich entlang ihres Konzentrationsgradienten bewegen. In Flüssigkeiten erfolgt die Diffusion durch die zufällige Brown’sche Bewegung der Moleküle. In Festkörpern kann die Diffusion langsamer sein, da die Teilchen durch das Kristallgitter bewegt werden müssen.
Diffusion spielt eine wichtige Rolle in vielen natürlichen und technologischen Prozessen. Beispiele für Diffusion sind die Ausbreitung von Geruchsmolekülen in der Luft, die Vermischung von Farbstoffen in einer Flüssigkeit, die Verbreitung von gelösten Substanzen in einer Zelle, die Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid in den Lungen oder die Diffusion von Ionen in einer elektrochemischen Reaktion.
Die Mathematik, die die Diffusion beschreibt, basiert auf dem Fick’schen Gesetz, das die Beziehung zwischen dem Diffusionsfluss (der Menge der diffundierenden Teilchen pro Fläche und Zeiteinheit) und dem Konzentrationsgradienten angibt. Diffusion kann auch durch Differentialgleichungen wie die Diffusionsgleichung modelliert werden, die den zeitlichen und räumlichen Verlauf der Diffusion beschreibt.
Insgesamt ist die Diffusion ein fundamentales physikalisches Phänomen, das die Verteilung von Teilchen in Systemen mit einer Konzentrationsdifferenz erklärt und in vielen Bereichen der Naturwissenschaften, Chemie, Biologie, Materialwissenschaften und Ingenieurwesen von großer Bedeutung ist.