Haupttransportprozesse

Haupttransportprozesse bezeichnet in der Thermodynamik, der Fluiddynamik und der Materialwissenschaft die zentralen Mechanismen, durch die Größen wie Stoffmengen, Wärme und Impuls in einem Medium oder über Grenzflächen hindurch übertragen werden. Sie lassen sich grob in drei Klassen gegliedert: Massentransport, Energietransport und Impulstransport. Oft treten Kopplungen zwischen diesen Bereichen auf, beispielsweise bei gleichzeitiger Wärme- und Stoffübertragung in porösen Medien.

Der Massentransport umfasst Diffusion, bedingt durch Konzentrationsunterschiede (Ficksche Gesetze), sowie konvektiven Transport, der durch die Bulk-Bewegung des Mediums entsteht. In Systemen mit geladenen Spezies kann zusätzlich Elektromigration auftreten. Diffusions- und konvektive Prozesse dominieren oft zusammen in Flüssigkeiten oder Gasen.

Der Energietransport umfasst Wärmeleitung (Konduktion) durch den Wärmestrom in Festkörpern oder Flüssigkeiten, Wärmekonvektion durch bewegte Fluide und Strahlung als Transportform elektromagnetischer Energie. Wärmeleitung folgt typischerweise dem Fourier-Gesetz, Konvektion dem Transport durch Fluidbewegung, Strahlung dem Austausch durch elektromagnetische Wellen.

Der Impulstransport beschreibt die Weitergabe von Impuls im Medium, maßgeblich durch viskose Diffusion (Viskosität). Turbulente Strömung stellt einen weiteren, oft dominanten Transportweg von Impuls und Energie dar.

Die Beschreibung erfolgt meist über Erhaltungsgleichungen: Massenerhaltung (Kontinuitätsgleichung), Energieerhaltung (Energiebilanz) und Impulsübertragung (Navier-Stokes-Gleichungen). In Grenzflächen- oder Mehrphasensystemen treten häufig Kopplungen zwischen Mass-, Wärme- und Impulstransport auf, was deren Modellierung komplex macht.

Anwendungen finden sich in der chemischen Verfahrenstechnik, Umwelttechnik, Biophysik und Materialwissenschaft, wo das Verständnis der Haupttransportprozesse zur Optimierung von Trenn-, Reaktions- oder Wärmeübertragungsprozessen dient.