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Lexikon der Geowissenschaften: Diffusionskoeffizient

Diffusionskoeffizient, Kenngröße für den Materialstrom durch molekulare Diffusion (daher auch molekularer Diffusionskoeffizient) in gasförmigen, flüssigen und festen Phasen aufgrund von Konzentrationsunterschieden. Die Einheit ist Fläche pro Zeit. Die statistische, mikroskopische Wärmebewegung ist der Grund für den Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Der Selbstdiffusionskoeffizient beschreibt die Bewegung der Teilchen einer Sorte in einer Umgebung gleichartiger Teilchen. Der Interdiffusionskoeffizient oder chemische Diffusionskoeffizient beschreibt den Strom einer Teilchensorte in der Mischung mit mehreren Teilchen in der Umgebung. Entsprechend dem ersten Fickschen Gesetz ist der Teilchenstrom proportional dem Konzentrationsgradienten. Die Proportionalitätskonstante ist der Diffusionskoeffizient.

Typische Werte für den Diffusionskoeffizienten sind bei Gasen 5·10-6 bis 10-5 m2/s, bei Flüssigkeiten 10-10 bis 10-9 m2/s und bei Festkörpern 10-14 bis 10-10 m2/s.

Der Wert des Diffusionskoeffizienten hängt u.a. ab von den Eigenschaften des Stoffes selbst und denen des Transportmediums sowie von der Temperatur, vom Druck sowie den Wechselwirkungen mit anderen Stoffen.

Für poröse Medien wird in der Angewandten Geologie der effektive Diffusionskoeffizient D* definiert, der die Geometrie des Bodens berücksichtigt. Er ist das Produkt aus dem Diffusionskoeffizienten in freier Lösung D0 und dem Tortuositätsfaktor τ, einer rein geometrischen Größe. Es gilt:

D* = D0τ.

In Materialien, in denen es zu Sorptionsvorgängen kommen kann (z.B. Tongesteine), wird die Sorption mit Hilfe des apparenten Diffusionskoeffizienten Da berücksichtigt. Dieser ergibt sich aus dem Verhältnis des Diffusionskoeffizienten und des Retardationsfaktors R (Retardation):



Besonders in der Klimatologie und Ozeanographie häufig verwendet wird der turbulente Diffusionskoeffizient, ein Proportionalitätsfaktor im Gradientansatz für turbulente Flüsse. Er ist im Gegensatz zum molekularen Diffusionskoeffizienten keine Materialkonstante, sondern hängt von den Eigenschaften der turbulenten Strömung (z.B. Scherung, Schichtung) selbst ab.

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