미시적 및 거시적 관점에서 본 분자 확산 (molecular diffusion). 처음에는 장벽의 왼쪽(보라색 선)에 용질 분자가 있고 오른쪽에는 용질 분자가 없다. 장벽이 제거되고 용질 이 확산되어 용기 전체를 채운다. 위 : 단일 분자가 무작위로 움직인다. 중간 : 분자가 많을수록 용질이 용기를 점점 더 균일하게 채우는 분명한 경향이 있다. 하단 : 엄청난 수의 용질 분자로 인해 무작위성이 감지되지 않는다. 용질은 고농도 영역에서 저농도 영역으로 원활하고 체계적으로 이동하는 것으로 보인다. 이 원활한 흐름은 픽의 법칙(Fick's laws)으로 설명된다.
열역학 에서 픽의 확산 법칙 [1] (영어 : Fick’s laws of diffusion , 픽의 퍼짐 법칙, 픽 퍼짐 법칙, 픽 확산 법칙)은 열역학 에서 확산 과정을 나타내는 두 개의 법칙이다.
19세기 독일의 생리학자 아돌프 오이겐 픽 (Adolf Eugen Fick)이 1855년에 발표하였다.
픽의 제1법칙 [ 편집 ]
픽의 제1법칙의 도식화
픽의 제1법칙 은 입자의 확산 유량과 입자의 밀도의 변화량과의 관계를 기술한 법칙이다. 계 의 부피가 일정하다는 조건 아래, 확산 유량 (영어 : diffusion flux )
J
{\displaystyle \mathbf {J} }
는 밀도
n
(
x
)
{\displaystyle n(x)}
의 기울기 와 비례하며, 그 비례 상수
D
{\displaystyle D}
를 확산 상수 (영어 : diffusion coefficient )라고 한다.
J
(
x
)
=
−
D
∇
n
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {J} (x)=-D\nabla n(x)}
확산 상수의 단위는 [길이]2 · [시간]−1 이다.
픽의 제2법칙 [ 편집 ]
픽의 제2법칙 은 픽의 제1법칙과 연속방정식 으로부터 유도되는, 밀도의 시간에 따른 변화를 나타내는 편미분 방정식 이다. 연속방정식 에 따라서
∂
n
∂
t
+
∇
⋅
J
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}+\nabla \cdot \mathbf {J} =0}
이므로, 이를 픽의 제1법칙에 대입하면, 다음과 같은 픽의 제2법칙 을 얻는다.
∂
n
∂
t
(
x
)
=
∇
⋅
(
D
(
x
)
∇
n
(
x
)
)
{\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}(x)=\nabla \cdot (D(x)\nabla n(x))}
만약 확산 상수
D
{\displaystyle D}
가 일정하다면, 이는 다음과 같은 열 방정식 과 같은 꼴이 된다.
∂
n
∂
t
(
x
)
=
D
∇
2
n
(
x
)
{\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}(x)=D\nabla ^{2}n(x)}
예시 해법 및 일반화 [ 편집 ]
같이 보기 [ 편집 ]
외부 링크 [ 편집 ]