Transportprozesses

Transportprozesse beschreiben den Transport von Masse, Energie und Impuls in physikalischen Systemen. Sie entstehen durch Gradienten in Konzentration, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit oder durch äußere Kräfte und werden durch Erhaltungsgesetze sowie geeignete Stoff- und Fließgesetze beschrieben. Transportprozesse sind grundlegend für natürliche Phänomene und technische Anwendungen und treten in Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern und Mehrphasenmedien auf.

Die wichtigsten Mechanismen umfassen Diffusion, Wärmeleitung, Impuls- bzw. Viskosisitätstransport und Konvektion. Diffusion (Massentransport) folgt dem Fick’schen Gesetz, Wärmeleitung folgt dem Fourier’schen Gesetz, der Impuls- bzw. Viskositätstransport wird durch das Newtonsche Gesetz der Viskosität beschrieben, und die Konvektion umfasst natürliche sowie erzwungene Strömung. Zusätzlich kann Strahlung als Energietransportmechanismus auftreten, insbesondere bei hohen Temperaturen.

Die mathematische Beschreibung basiert auf Erhaltungsgleichungen: der Massenbilanz, der Energie- und der Impulsbilanz. Dazu kommen geeignete Stoff- und Fließgesetze (z. B. Fick, Fourier, Newtonsche Viskosität, Navier-Stokes-Gleichungen). In porösen Medien treten oft gekoppelte Transportphänomene (z. B. Darcy-Wassersatz) auf. Häufige Näherungen führen zu Dimensionless-Zahlen wie Reynolds-, Prandtl-, Peclet- und Schmidt-Zahlen, die Transportregime charakterisieren.

Anwendungen finden sich in der chemischen und Verfahrenstechnik, Umwelt- und Geowissenschaften, Wärme- und Strömungstechnik, Elektronik und Biomedizin. Herausforderungen ergeben sich aus nichtlinearem, mehrphasigem oder gekoppeltem Transport sowie aus skalierenden Effekten, die durch numerische Methoden wie CFD und FEM adressiert werden.