物質移動

物質移動とは、ある場所（通常は流れ、相、画分、または成分）から別の場所への物質の正味の移動です。物質移動は、吸収、蒸発、乾燥、沈殿、膜ろ過、蒸留など、多くのプロセスで発生します。物質移動は、さまざまな科学分野でさまざまなプロセスやメカニズムに使用されます。このフレーズは、物理システム内での化学種の拡散および対流輸送を含む物理プロセスに対して、エンジニアリングでよく使用されます。

物質移動プロセスの一般的な例としては、池から大気への水の蒸発、腎臓と肝臓での血液の浄化、アルコールの蒸留などがあります。工業プロセスでは、物質移動操作には、蒸留塔での化学成分の分離、スクラバーやストリッピングなどの吸収装置、活性炭床などの吸着装置、液液抽出が含まれます。物質移動は、多くの場合、追加の輸送プロセスと連動しており、たとえば工業用冷却塔ではそのように機能します。これらの塔では、熱湯を空気と接触させて流すことで、熱伝達と物質移動を連動させています。水は、その内容物の一部を水蒸気の形で放出することで冷却されます。

天体物理学において、質量移動とは、重力によってある物体（通常は恒星）に束縛されている物質 が、そのロッシュ・ローブを満たし、次に重力によって別の物体（通常はコンパクトな天体（白色矮星、中性子星、ブラックホール））に束縛され、最終的にその物体に降着する過程である。これは連星系では一般的な現象であり、ある種の超新星やパルサーでは重要な役割を果たす可能性がある。

物質移動は化学工学の問題に幅広く応用されています。反応工学、分離工学、伝熱工学、電気化学工学などの化学工学の多くの分野で使用されています。^[1]

物質移動の原動力は、通常、化学ポテンシャルの差（定義できる場合）ですが、他の熱力学的勾配が物質の流れと結合して、同様に物質移動を駆動することもあります。化学種は、化学ポテンシャルの高い領域から低い領域に移動します。したがって、特定の物質移動の理論上の最大範囲は、通常、化学ポテンシャルが均一になる点によって決まります。単相システムの場合、これは通常、相全体で均一な濃度に変換されますが、多相システムの場合、化学種は他の相よりも1つの相を好むことが多く、液液抽出の場合のように、化学種のほとんどが優先相に吸収された場合にのみ均一な化学ポテンシャルに達します。

熱力学的平衡は、与えられた物質移動操作の理論的な範囲を決定しますが、実際の物質移動速度は、システム内の流れパターンや各相における種の拡散率などの追加要因に依存します。この速度は、プロセス全体の物質移動係数を計算して適用することで定量化できます。これらの物質移動係数は通常、無次元数で公開されており、ペクレ数、レイノルズ数、シャーウッド数、シュミット数などが含まれることがよくあります。^{[2] [3] [4]}

運動量、熱、および質量移動について一般的に使用される近似微分方程式には、顕著な類似点があります。^[2]低レイノルズ数での流体運動量に関するニュートンの法則（ストークス流れ）、熱に関するフーリエの法則、および質量に関するフィックの法則の分子移動方程式は、流れ場における保存量の移動に対する線形近似であるため、非常に似ています。レイノルズ数が高くなると、ナビエ-ストークス方程式（またはより根本的には、一般運動量保存方程式）の非線形性により、質量と熱の移動と運動量移動の類似性はそれほど有用ではなくなりますが、熱と質量の移動の類似性は依然として良好です。これら3つの輸送プロセス間の類似性を開発し、他のいずれからも1つを予測できるようにするために、多大な努力が払われてきました。

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