Gasdiffusion

Bei der Gasdiffusion verteilen sich Gasmoleküle selbsttätig aufgrund ihrer thermischen Bewegung. Dabei wandern die Teilchen von Bereichen höherer Konzentration in Bereiche niedrigerer Konzentration, bis sich ein Konzentrationsausgleich eingestellt hat. Dieser Vorgang benötigt keine äußere Strömung, sondern beruht allein auf der stetigen, zufälligen Bewegung der Gasteilchen.

In Gasgemischen führt Diffusion dazu, dass sich die verschiedenen Gase miteinander vermischen, auch wenn keine makroskopische Konvektion vorhanden ist. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist in Gasen deutlich höher als in Flüssigkeiten, da die Teilchenabstände größer und die mittleren Teilchengeschwindigkeiten höher sind. Neben Konzentrationsgradienten können auch Temperatur- und Druckgradienten Diffusionsvorgänge beeinflussen.

Technisch spielt Gasdiffusion in vielen Bereichen eine Rolle, beispielsweise beim Gasaustausch in der Lunge, beim Durchgang von Gasen durch poröse Medien, bei der Trocknung, in Membranprozessen oder bei speziellen Trennverfahren wie dem Gasdiffusionsverfahren zur Isotopentrennung. In der Verfahrenstechnik wird die Diffusion in Gasen häufig mit den allgemeinen Diffusionsgesetzen beschrieben, in Mehrkomponentengemischen kommen hingegen Modelle wie die Maxwell-Stefan-Diffusion zum Einsatz.

Bei der Gasdiffusion handelt es sich um einen Stofftransport, der durch ein Konzentrationsgefälle verursacht wird. Dabei kommt es zu keiner makroskopischen Strömung. Die treibende Kraft ist der Konzentrationsgradient. Die Stoffflussdichte ist proportional zum Gradienten. Das Minuszeichen in der Formel kennzeichnet den Transport in Richtung sinkender Konzentration. Das Fick’sche Gesetz (stationär) lautet:

J = - D · (dc/dx)

• J = Stoffflussdichte
• D = Diffusionskoeffizient
• c = Stoffkonzentration
• x = Ortskoordinate