Transportphänomene

Transportphänomene umfassen die Übertragung von Impuls, Masse und Energie in materiellen Systemen. Sie entstehen durch Gradienten von Geschwindigkeit, Konzentration oder Temperatur und werden durch äußere Felder sowie Materialeigenschaften wie Viskosität, Diffusivität und Wärmeleitfähigkeit beeinflusst. Typisch unterscheidet man Massentransport (Diffusion, Konvektion), Impulsübertragung (Viskosität) und Wärmetransport (Konduktion). Oft treten gekoppelte Prozesse auf, bei denen mehrere Mechanismen gleichzeitig wirken.

Die theoretische Behandlung basiert auf Erhaltungsgesetzen für Masse, Impuls und Energie. Diffusion folgt dem Fickschen Gesetz, Wärmeleitung dem Fourier-Gesetz, Strömungs- bzw. Impulsübertragung oft den Navier-Stokes-Gleichungen. In porösen Medien wird häufig das Darcy-Gesetz verwendet. Die gekoppelte Beschreibung führt zu Advektions-Diffusions- und Energiestrom-Gleichungen, ergänzt durch passende Randbedingungen. Typische Modelle berücksichtigen lineare oder nichtlineare Stoff- und Wärmeflussbeziehungen sowie Temperatur-, Konzentrations- und Trägerfelder.

Dimensionale Zahlen kennzeichnen Transportprozesse, z. B. der Peclet-Zahl (Advektion vs. Diffusion) sowie Reynolds-, Prandtl-, Schmidt- und Lewis-Zahlen. Grenzschichten, Skalenübergänge und Materialhomogenität beeinflussen die Effizienz von Transportprozessen in Fluiden, Rohren, Porenstrukturen oder Membranen. Anwendungen finden sich in der Chemie-, Umwelt- und Biotechnik sowie in der Mikrofluidik.

Methoden umfassen analytische Lösungen für einfache Geometrien, experimentelle Tracer-Tests sowie numerische Simulationen (CFD, FEM) zur Lösung der Transportgleichungen. Das Feld dient der Optimierung von Reaktoren, Trennprozessen und Membranen sowie dem Verständnis von Transport in Böden, Porenmedien und elektrochemischen Systemen.