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물질 이동

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1. 개요

물질 이동은 천체물리학과 화학공학에서 다르게 사용되는 용어이다. 천체물리학에서 물질 이동은 별과 같은 중력 결합된 물체가 로슈 로브를 채우고 백색 왜성, 중성자별, 블랙홀과 같은 소형 물체에 강착되는 현상을 의미하며, 쌍성계에서 흔히 나타난다. 화학공학에서 물질 전달은 화학 퍼텐셜 차이에 의해 물질이 이동하는 현상으로, 반응 공학, 분리 공학 등 다양한 분야에 적용된다. 물질 이동 속도는 질량 전달 계수를 통해 정량화되며, 페클레 수, 레이놀즈 수, 셔우드 수, 슈미트 수 등의 무차원수를 사용하여 표현된다. 또한, 낮은 레이놀즈 수에서는 열, 질량, 운동량 전달 간의 유사성이 나타난다.

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물질 이동
개요
정의한 위치, 상(phase) 등에서 다른 위치나 상으로의 질량의 순 이동
관련 분야
분야화학 공학
물리학
환경 공학
이동 현상
종류열전달
운동량 전달
물질 전달
주요 응용 분야
응용 분야흡수
증류
건조
추출
흡착
막 분리
결정화
침출
액체-액체 추출
이온 교환
생물학적 과정
참고
관련 용어중량 전달 (weight transfer)

2. 천체물리학

천체물리학에서 질량 이동은 한 천체가 자신의 로슈 로브를 채워 다른 천체(주로 백색 왜성, 중성자별, 블랙홀)로 물질이 이동하는 현상이다. 이는 쌍성계에서 흔히 발생하며, 일부 초신성 및 펄서 형성에 중요한 역할을 한다.[1]

2. 1. 쌍성계에서의 질량 이동

천체물리학에서 질량 이동은 일반적으로 별과 같이 중력적으로 묶인 물체가 자신의 로슈 로브를 채우고, 백색 왜성, 중성자별, 블랙홀과 같은 소형 물체에 중력적으로 묶여 결국 그 위에 강착되는 과정이다. 이는 쌍성에서 흔히 나타나는 현상이며, 일부 유형의 초신성과 펄서에서 중요한 역할을 할 수 있다.[1]

3. 화학공학

물질 이동은 화학공학에서 광범위하게 응용된다. 반응 공학, 분리 공학, 열 전달 공학, 전기화학 공학 등 화학 공학의 여러 하위 분야에서 사용된다.[1]

3. 1. 질량 이동의 추진력

질량 전달의 추진력은 일반적으로 화학 퍼텐셜의 차이이다. 그러나 온도, 압력과 같은 다른 열역학적 기울기도 질량의 흐름과 결합하여 질량 전달을 유도할 수 있다. 화학 종은 높은 화학 퍼텐셜 영역에서 낮은 화학 퍼텐셜 영역으로 이동한다. 따라서 주어진 질량 전달의 최대 이론적 범위는 일반적으로 화학 퍼텐셜이 균일해지는 지점에 의해 결정된다. 단일 상 시스템의 경우, 이는 일반적으로 상 전체에 걸쳐 균일한 농도로 해석되며, 다상 시스템의 경우 화학 종은 종종 다른 상보다 한 상을 선호하며, 액체-액체 추출과 같이 대부분의 화학 종이 선호하는 상에 흡수될 때 균일한 화학 퍼텐셜에 도달한다.[1]

3. 2. 질량 이동 속도

열역학적 평형은 주어진 물질 이동 작동의 이론적 범위를 결정하지만, 실제 물질 이동 속도는 시스템 내의 유동 패턴과 각 상에서 종의 확산 계수에 따라 달라진다.[2] 이 속도는 전체 공정에 대한 물질 이동 계수를 계산하고 적용하여 정량화할 수 있다. 이러한 물질 이동 계수는 페클레 수, 레이놀즈 수, 셔우드 수, 슈미트 수 등을 포함하는 무차원수의 측면으로 발표된다.[2][3][4]

3. 3. 질량 전달 계수

질량 전달 계수는 시스템 내의 유동 패턴과 각 상에서 종의 질량 확산을 포함한 추가 요인에 따라 달라지는 실제 질량 전달 속도를 정량화하는 데 사용된다. 이 속도는 전체 공정에 대한 질량 전달 계수를 계산하고 적용하여 정량화할 수 있다. 이러한 질량 전달 계수는 일반적으로 페클레 수, 레이놀즈 수, 셔우드 수, 슈미트 수 등을 포함하는 무차원 수로 나타낸다.[2][3][4]

4. 열, 질량, 운동량 전달의 유사성

운동량, 열, 그리고 물질 전달에 사용되는 일반적인 근사 미분 방정식에는 주목할 만한 유사성이 있다.[2] 낮은 레이놀즈 수(스토크스 흐름)에서 유체 운동량에 대한 뉴턴의 법칙, 열에 대한 푸리에의 법칙, 그리고 질량에 대한 피크의 법칙의 분자 전달 방정식은 매우 유사하다. 이들은 모두 유동장에서 보존되는 양의 수송에 대한 선형 근사이기 때문이다.

더 높은 레이놀즈 수에서는 질량 및 열 전달과 운동량 전달 사이의 유추는 나비에-스토크스 방정식(또는 더 근본적으로는, 일반적인 운동량 보존 방정식)의 비선형성 때문에 덜 유용해지지만, 열 및 질량 전달 사이의 유추는 여전히 유효하다. 이러한 세 가지 수송 과정 간의 유추를 개발하여 다른 과정으로부터 하나를 예측할 수 있도록 하기 위해 많은 노력이 기울여졌다.

참조

[1] 논문 Electrochimica Acta 100 (2013) 78-84 https://doi.org/10.1[...] 2013
[2] 서적 Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer https://books.google[...] Wiley
[3] 서적 Transport Phenomena Wiley
[4] 서적 Multicomponent Mass Transfer Wiley
[5] 서적 Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer https://books.google[...] Wiley
[6] 서적 Transport Phenomena Wiley
[7] 서적 Multicomponent Mass Transfer Wiley



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