Transportvorgänge

Transportvorgänge bezeichnen in der Wissenschaft den Austausch von Materie, Energie und Impuls zwischen Systemen oder innerhalb eines Systems. Sie treten in Natur und Technik auf und sind grundlegend für chemische Reaktionen, biologische Prozesse und technologische Anwendungen. Typischerweise lassen sie sich nach der transportierten Größe gliedern: Stofftransport, Wärme- bzw. Energiestransport und Impuls- bzw. Impulsübertragung durch Viskosität.

Stofftransport umfasst die räumliche Verlagerung von Materie. Die wichtigsten Mechanismen sind Diffusion, Konvektion (Advektion) und Osmose bzw. Membrantransport. Diffusion folgt oft dem Konzentrationsgradienten und wird durch das Ficksche Gesetz beschrieben: je stärker der Gradient, desto schneller der Fluss. Konvektion transportiert Stoffe durch strömendes Medium. Bei Membranen spielen einfache Diffusion, erleichterte Diffusion und aktiver Transport eine zentrale Rolle, etwa in Zellen oder industriellen Trennprozessen.

Wärme- bzw. Energiestransport beschreibt die Übertragung von Wärme. Die drei klassischen Mechanismen sind Wärmeleitung (Fourier-Gesetz: q = -k grad T), Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung erfolgt durch materielle Kontakte, Konvektion durch bewegte Fluide, Strahlung durch elektromagnetische Wellen, auch in Abwesenheit eines Mediums.

Impulsübertragung, auch als Viskositätstransport bekannt, beschreibt den Transfer von Impuls zwischen Teilchen oder Schichten eines Fluids. Er führt zu Schubspannungen, z. B. tau = mu * gamma_dot, und beeinflusst Strömungsverhalten, Turbulenz und Geometrie von Kanälen.

In der Praxis werden Transportvorgänge oft durch gekoppelte Gleichungen beschrieben, wie Kontinuitäts-, Navier-Stokes- und Wärmeleitungsgleichungen. Typische Größen sind Diffusionskoeffizient D, Wärmeleitfähigkeit k, Viskosität eta. Anwendungen finden sich in der Umwelttechnik, der Halbleiter- und Lebensmittelforschung, der Biologie und der Medizin.