확산
1. 개요
한자:擴散
영어:diffusion
물질이 고농도에서 저농도로 또는 고밀도에서 저밀도로 에너지를 소모하지 않고 스스로 퍼져 나가는 현상이다. 용매(물)가 아닌 용질이 이동하는 것이다. 용매가 이동하는 현상은 삼투. 용매 내에서 용질이 확산 될 경우 계 내부의 엔트로피가 증가하는 방향으로 이루어지기 때문에 확산은 자발적으로 일어난다. 그레이엄의 확산 법칙에 의하면 같은 온도와 압력에서 기체의 확산 속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다.
1.1. Fick의 제 1법칙
$$J = -D\frac{dC}{dx} $$
Fick의 확산 법칙에 따르면, 단위 면적, 단위 시간당 이동하는 입자의 양 J는 $$ -D*\frac{dC}{dx} $$라 할 수 있다. C은 부피당 입자의 수, 즉 농도라 볼 수 있고, x는 차원축이다. $$ \frac{dC}{dx} $$를 특별히 1차원 농도 구배(1-D concentration gradient)라 한다.
Fick의 제 1법칙은 확산을 각 입자의 서로 독립적인 임의적인 걸음에 의해 일어나는 현상으로 가정하고 얻어낸 식이므로 이런 결과가 얻어지지만, 근본적인 식은 아니다. 농도차에 역행하는 확산은 존재하며 스피노달 분해가 대표적인 현상이다. 보다 근본적인 확산의 구동력은 '''농도차가 아니라 자유에너지의 감소이다.''' 다만 입자간 영향력을 무시하여 서로 독립적인 입자로 고려할 수 있다면 농도차에 의한 픽의 제1법칙이 성립한다.
1.2. Fick의 제 2법칙
$$\frac{dC}{dt} = D\frac{d^2C}{dx^2} $$
Fick의 제 1법칙에는 시간항이 없기 때문에 실제로 시간변화에 따라 어떻게 확산되는지는 예측할 수 없다. Fick의 제 2법칙은 시간 변화에 따른 농도변화를 나타낸다.
2. 예시
- 물 속에 떨어진 잉크가 스스로 퍼져 나가는 현상.
- 공기 중에 기체가 퍼지는 현상.
- 호흡 시 폐에서의 산소, 이산화탄소 교환.
- 세포막을 통한 물질 출입 [1]
3. 참조
[1] 세포막을 통한 물질 출입에는 확산뿐만 아니라 다른 방법도 있다.