정상 상태
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1. 개요
정상 상태는 경제학, 공학, 생화학, 생리학, 유체 역학, 열역학 등 다양한 분야에서 사용되는 용어이다. 일반적으로, 정상 상태는 시스템의 상태 변수가 시간에 따라 일정하게 유지되는 상태를 의미한다. 경제학에서는 투자가 감가상각과 같아져 경제가 균형에 도달하는 상태를, 전기 공학에서는 과도 현상이 사라진 회로의 평형 상태를 의미한다. 화학 공학에서는 모든 상태 변수가 일정하게 유지되는 상황을, 생화학에서는 생화학 경로의 플럭스가 지속적으로 소산되는 상태를, 유체 역학에서는 유동이 시간에 따라 변하지 않는 상태를 가리킨다.
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| 정상 상태 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 정의 | 시스템 변수가 시간에 따라 변하지 않는 상태 |
| 설명 | 시스템의 일부 변수가 시간 경과에 따라 일정하게 유지되는 상태 |
| 특징 | 시스템의 거동을 분석하고 이해하는 데 중요한 개념 |
| 관련 분야 | 물리학, 화학, 공학, 생물학, 경제학, 생태학, 생리학, 약리학 등 다양한 분야에서 사용 |
| 물리화학에서의 정상 상태 | |
| 특징 | 시스템에 출입하는 물질의 양이 같아서 총량이 변하지 않는 상태 |
| 예시 | 화학 반응에서 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 경우 생화학에서 대사 과정이 일정하게 유지되는 경우 |
| 참고 | 반응 속도론에서 중요한 개념 미카엘리스-멘텐 반응식에서 효소 반응 속도를 설명하는 데 사용 |
| 공학에서의 정상 상태 | |
| 특징 | 시스템의 입력과 출력이 균형을 이루어 변수가 일정하게 유지되는 상태 |
| 예시 | 전기 회로에서 전류와 전압이 일정하게 유지되는 경우 제어 시스템에서 제어 변수가 목표값에 도달하여 유지되는 경우 |
| 응용 | 자동 제어, 통신, 에너지 시스템 등 다양한 공학 분야에서 사용 |
| 생리학에서의 정상 상태 | |
| 특징 | 생체 내 여러 변수가 일정한 범위 내에서 유지되는 상태 (항상성) |
| 예시 | 혈압, 체온, 혈당 농도 등이 일정하게 유지되는 경우 호흡, 심박수 등이 안정적인 상태 |
| 중요성 | 생명 유지에 필수적인 상태이며, 질병 발생 시 항상성이 깨짐 |
| 약리학에서의 정상 상태 | |
| 특징 | 약물 투여와 제거 속도가 균형을 이루어 혈중 약물 농도가 일정하게 유지되는 상태 |
| 중요성 | 치료 효과를 안정적으로 유지하고 부작용을 최소화하기 위해 중요 |
| 계산 | 혈중 약물 농도를 예측하고 투여 용량 및 간격을 설정하는 데 사용 |
| 수학에서의 정상 상태 | |
| 정의 | 시스템의 변수가 시간이 지나도 변하지 않고 일정하게 유지되는 상태 미분 방정식이나 차분 방정식에서 해가 시간이 지나도 변하지 않는 상태 |
| 예시 | 마르코프 연쇄에서 확률 분포가 시간에 따라 변하지 않는 경우 (정상 분포) 동적 시스템에서 모든 변화가 멈추고 시스템이 평형에 도달한 상태 |
| 관련 개념 | 평형 고정점 극한 |
| 기타 분야에서의 정상 상태 | |
| 생태학 | 생태계에서 생물 종의 개체수와 자원량이 일정하게 유지되는 상태 |
| 경제학 | 경제 시스템에서 생산, 소비, 투자 등이 일정한 수준을 유지하는 상태 |
| 사회학 | 사회 시스템에서 사회 구조, 문화, 제도 등이 안정적으로 유지되는 상태 |
2. 경제학
경제학에서 정상 상태는 로버트 솔로와 트레버 스완의 경제 성장 모델에서 총 투자가 물적 자본의 감가상각과 같아지고 경제가 경제적 균형에 도달할 때를 말하며, 이는 성장 기간 동안 발생할 수 있다.[1]
2. 1. 거시 경제학
''정상 상태 경제''는 안정적인 인구와 안정적인 소비를 특징으로 하며, 수용력 이하를 유지하는 안정적인 규모의 경제(특히 국가 경제이지만 도시, 지역 또는 세계 경제일 수도 있음)이다. 로버트 솔로와 트레버 스완의 경제 성장 모델에서 정상 상태는 총 투자가 물적 자본의 감가상각과 같아지고 경제가 경제적 균형에 도달할 때 발생하며, 이는 성장 기간 동안 발생할 수 있다.[1]2. 2. 정상 상태 경제
정상 상태 경제는 안정적인 규모의 경제(특히 국가 경제이지만 도시, 지역 또는 세계 경제일 수도 있음)로, 안정적인 인구와 안정적인 소비를 특징으로 하며, 수용력 이하를 유지한다. 로버트 솔로와 트레버 스완의 경제 성장 모델에서 정상 상태는 총 투자가 물적 자본의 감가상각과 같아지고 경제가 경제적 균형에 도달할 때 발생하며, 이는 성장 기간 동안 발생할 수 있다.3. 공학
공학 분야에서 '정상 상태'는 여러 하위 분야에서 조금씩 다른 의미로 사용된다.
전기 공학 및 전자 공학에서는 과도 현상이 끝난 후의 평형 상태를, 화학 공학에서는 시스템 내 모든 상태 변수가 일정하게 유지되는 상황을 의미한다. 기계 공학에서는 주기적인 힘이 가해진 후 일시적인 거동을 거쳐 도달하는 안정적인 상태를 정상 상태라고 한다. 각 분야별 더 자세한 내용은 하위 섹션을 참고할 수 있다.
3. 1. 전기 공학
전기 공학 및 전자 공학에서 '''정상 상태'''는 과도 현상의 영향이 더 이상 중요하지 않을 때 발생하는 회로 또는 네트워크의 평형 상태이다. 정상 상태는 오디오 시스템과 같이 지속적인 과도 신호가 있는 시스템에서 1차 성능의 단순화된 분석을 허용하기 위한 근사치로도 사용된다.정현파 정상 상태 분석은 DC 회로 해석과 동일한 기법을 사용하여 교류 회로를 분석하는 방법이다.[1]
많은 전자 시스템의 설계 사양이 정상 상태 특성으로 주어지기 때문에 정상 상태 결정은 중요한 주제이다. 주기적 정상 상태 해는 소신호 동적 모델링의 전제 조건이기도 하다. 따라서 정상 상태 분석은 설계 과정에서 필수적인 구성 요소이다.
어떤 경우에는 일정한 진폭 진동(움직임이 없어질 때까지 정착되지 않고 일정한 진폭으로 계속 움직이는 진동)을 일종의 정상 상태 조건으로 고려하는 것이 유용하다.
3. 1. 1. 전력 시스템 안정도
전기 기계 또는 전력 시스템이 원래 상태로 돌아갈 수 있는 능력을 정상 상태 안정도라고 한다.[2]시스템의 안정성은 시스템이 교란을 받았을 때 정상 상태로 돌아갈 수 있는 능력을 의미한다. 전력은 시스템의 나머지 부분과 동기적으로 작동하는 동기 발전기로 생성된다. 발전기는 두 발전기가 동일한 주파수, 전압 및 위상 순서를 가질 때 버스와 동기화된다. 따라서 전력 시스템의 안정성을 동기성을 잃지 않고 정상 상태로 돌아갈 수 있는 전력 시스템의 능력으로 정의할 수 있다. 일반적으로 전력 시스템의 안정성은 '''정상 상태, 과도 상태 및 동적 안정성'''으로 분류된다.
정상 상태 안정성 연구는 시스템 작동 조건의 작고 점진적인 변화로 제한된다. 여기서 기본적으로 버스 전압을 공칭값에 가깝게 제한하는 데 집중한다. 또한 두 버스 간의 위상각이 너무 크지 않도록 하고 전력 장비 및 송전선의 과부하를 확인한다. 이러한 검사는 일반적으로 전력 흐름 연구를 사용하여 수행된다.
과도 안정성은 주요 장애 후 전력 시스템의 연구를 포함한다. 동기식 발전기의 큰 장애 후 회전자 샤프트의 갑작스러운 가속으로 인해 기계 전력(부하) 각도가 변한다. 과도 안정성 연구의 목표는 장애 제거 후 부하 각도가 정상값으로 돌아오는지 확인하는 것이다.
지속적인 작은 장애 하에서 안정성을 유지하는 전력 시스템의 능력은 동적 안정성(소신호 안정성이라고도 함)이라는 이름으로 조사된다. 이러한 작은 장애는 부하 및 발전량의 무작위 변동으로 인해 발생한다. 상호 연결된 전력 시스템에서 이러한 무작위 변동은 회전자 각도가 꾸준히 증가하도록 강제할 수 있으므로 치명적인 고장으로 이어질 수 있다.
3. 2. 화학 공학
화학, 열역학 및 기타 화학 공학에서 ''정상 상태''는 모든 상태 변수가 변화를 시키려는 지속적인 과정에도 불구하고 일정하게 유지되는 상황을 말한다. 전체 시스템이 정상 상태에 있으려면, 즉 시스템의 모든 상태 변수가 일정하려면 시스템을 통과하는 흐름이 있어야 한다(질량 수지 비교). 이러한 시스템의 가장 간단한 예 중 하나는 수도꼭지가 열려 있지만 바닥 마개가 없는 욕조의 경우이다. 특정 시간이 지나면 물이 같은 속도로 들어오고 나가므로 수위(상태 변수는 부피임)가 안정되고 시스템은 정상 상태에 도달한다. 물론 욕조 내부에서 안정화되는 부피는 욕조의 크기, 배수구의 지름 및 물의 유입 속도에 따라 달라진다. 욕조가 넘칠 수 있으므로 결국 유입되는 물이 배수구를 통한 물 배출량과 넘치는 물의 양과 같아지는 정상 상태에 도달할 수 있다.정상 상태 흐름 과정에는 시간이 변함에 따라 장치의 모든 지점에서 조건이 일정하게 유지되어야 한다. 관심 기간 동안 질량이나 에너지의 축적이 없어야 한다. 동일한 질량 유량은 시스템의 각 요소를 통과하는 흐름 경로에서 일정하게 유지된다.[3] 열역학적 특성은 지점마다 다를 수 있지만 특정 지점에서는 변하지 않고 유지된다.[4]
3. 3. 기계 공학
주기적인 힘이 기계 시스템에 가해지면 일반적으로 일시적인 거동을 거친 후 정상 상태에 도달한다. 이는 진동 시스템(예: 추시계의 추)에서 자주 관찰되지만, 어떤 종류의 안정적인 또는 준안정적인 동적 시스템에서도 발생할 수 있다. 과도 상태의 길이는 시스템의 초기 조건에 따라 달라진다. 특정 초기 조건이 주어지면 시스템은 처음부터 정상 상태에 있을 수 있다.4. 생화학 및 생리학
생화학에서 정상 상태는 지속적인 진동이나 이중 안정 상태 거동의 경우와 같이 안정적이거나 불안정적일 수 있다는 점에서 항상성과 차이가 있다.[1] 항상성은 시스템이 내부 환경을 조절하고 안정적이고 일정한 상태를 유지하려는 경향이 있는 특성이다.[2]
4. 1. 생화학
생화학에서 생화학 경로의 연구는 중요한 주제이다. 이러한 경로는 종종 화학 종이 변하지 않지만 경로를 통한 플럭스의 지속적인 소산이 있는 정상 상태 거동을 보인다. 많은 생화학 경로가 안정적인 정상 상태로 진화하지만, 모든 경로가 그런 것은 아니다. 결과적으로, 정상 상태는 연구하기 위한 중요한 기준 상태를 나타낸다. 이것은 항상성의 개념과도 관련이 있지만, 생화학에서 정상 상태는 지속적인 진동이나 이중 안정 상태 거동의 경우와 같이 안정적이거나 불안정적일 수 있다.4. 2. 생리학
항상성(ὅμοιοςel, ''hómoios'', "비슷한"과 στάσιςel, ''stásis'', "정지"에서 유래)은 시스템이 내부 환경을 조절하고 안정적이고 일정한 상태를 유지하려는 경향이 있는 특성이다. 일반적으로 생명체를 지칭하는 데 사용되는 이 개념은 클로드 베르나르가 고안하고 1865년에 발표한 내부 환경 개념에서 유래했다. 다양한 동적 평형 조정 및 조절 메커니즘이 항상성을 가능하게 한다.5. 유체 역학 및 기상학
유체역학 및 기상학에서는 관측 대상 유동이 시간에 따라 변하지 않는 상태를 '''정상 상태'''라고 한다.
5. 1. 난류
엄밀히 말하면, 개울 예시는 정상 상태가 아니다. 왜냐하면 개울 표면에 파도가 일어나는 것을 보면 알 수 있듯이, 개울의 흐름은 주변의 영향을 받아 시간에 따라 변화하기 때문이다. 실제 자연계에서 엄밀한 정상 상태의 존재를 확인하는 것은 어려울 것이다. 예를 들어 대기라도 저기압이나 고기압과 같이 정상 상태로부터의 흔들림이 항상 존재한다. 이러한 정상 상태로부터의 흔들림을 '''섭동'''이라고 하며, 섭동이 있는 흐름을 '''난류'''라고 한다.하지만 난류의 이론 해석에서는, 이러한 섭동을 확률 과정으로 간주하는 경우가 있으며, 이때 섭동의 통계량이 시간 변화하지 않는 것을 '''정상적인 난류'''라고 한다.[7]
6. 열역학 및 통계 역학
열역학이나 통계역학에서는 특히, 거시적인 양에 시간 변화가 전혀 없는 열역학적 평형 상태와 구별하여, 시간 변화(흐름)는 있지만 그 속도가 변하지 않는 상태를 '''비평형 정상 상태''' 또는 단순히 '''정상 상태'''라고 한다. 이것은 각 점에 대한 입력과 출력이 서로 같이 균형을 이루고 있다는 것을 의미한다. 고전적인 열역학·통계역학은 평형 상태와 그것에 가까운 상태를 다루고 있으며, 비평형 열역학·통계역학은 가장 단순한 상태로서 정상 상태 근사를 사용하고 있다.
7. 화학 반응 속도론
화학의 반응속도론에서, 각 물질의 농도에 변화가 없는 화학평형 상태와는 다르게, 화학반응에서 반응중간체의 생성 속도와 분해 속도가 같은 상태를 '''정상 상태'''라고 한다(반응속도론 참조). 만약 반응과 역반응이 완전히 같은 속도로 일어나고 있다면 거시적인 변화는 관측되지 않으므로, 평형 상태(동적평형)가 된다. 정상 상태 근사는 효소반응속도론의 기본이 되는 미카엘리스-멘텐 식을 유도하는 데 사용되고 있다.
8. 광섬유
광섬유에서 "정상 상태"는 평형 모드 분포의 동의어이다.[5]
9. 약물 동력학
약물동력학에서 정상 상태는 체내에서 약물 농도가 시간 경과에 따라 일관되게 치료 범위 내에 머무르는 역동적 평형 상태를 말한다.[6]
참조
[1]
웹사이트
AC analysis intro 1 (Video)
https://www.khanacad[...]
[2]
웹사이트
Power System Analysis
http://nptel.iitm.ac[...]
[3]
서적
Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics
https://archive.org/[...]
McGraw-Hill
[4]
서적
Basic Engineering Thermodynamics
https://archive.org/[...]
McGraw-Hill
[5]
웹사이트
https://www.its.bldr[...]
[6]
간행물
Steady State Concentration
http://www.ncbi.nlm.[...]
StatPearls Publishing
2021-06-17
[7]
서적
乱流入門
東海大学出版会
[8]
서적
Markov Chains: From Theory to Implementation and Experimentation
John Wiley & Sons
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