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생물공정공학

동차 평형(Dynamic differential balance)의 의미

by 뮤뮤15 2023. 5. 11.

생물학적 시스템에 대한 많은 모델은 미분 방정식 집합으로 표현되는데, 이는 주로 생물공정의 시간 의존적 특성으로 인해 발생합니다. 

 

물이 일정한 속도 F(m3/s)로 흐르는 탱크가 있습니다.

임의의 시간 t에서 탱크에 있는 물의 부피는 V(m3)이고 물의 밀도는 𝜌(kg/m3)입니다.

 

시간 간격 Δt(s) 동안 물의 질량 𝜌 FΔt(kg)가 탱크로 흘러 들어갑니다. 

탱크에서 물이 빠져나가지 않는 한 탱크에 있는 물의 질량은 다음과 같이 증가합니다.

즉, 𝜌 FΔt만큼 증가하여 𝜌 FΔt인  ΔV가 증가합니다.

 

탱크에 축적된 질량을 탱크에 유입된 질량과 동일시합니다. 

시간 간격 Δt 동안 탱크에 유입된 질량과 동일시하면 다음과 같습니다.

 

𝜌ΔV = 𝜌 FΔt 

 

만약 𝜌가 상수라면, (탱크에 유입되는 물 혹은 액체의 밀도를 아는 경우)

이를 매우 작은 미분 시간 간격(Δt → dt)에 적용하고 Δ 부호를 미분 연산자 "d"로 대체하면 다음과 같은 간단한 1차 미분 방정식이 생성됩니다.

이 방정식의 해는 다음 질문에 대한 답을 제시하고 있습니다.

- 시간이 지남에 따라 부피는 어떻게 변하는가? 즉, 독립변수 t에 대해 종속변수 V는 어떻게 변화하는가?

또는 상수 F의 경우, (탱크에 유입되는 물의 속도를 아는 경우)

부피의 총 변화량은 탱크에 추가된 물의 총 부피와 같습니다.

적분 상수는 탱크에 있는 물의 초기부피로 t=0일 때, V0입니다.

t에 대한 V의 변화 기울기인 dV/dt는 상수입니다. 

미분 방정식에서 기울기가 F와 같다는 것을 알 수 있습니다.

위의 식은 아래 그림처럼 나타낼 수 있습니다.

 

종속 변수는 초기 조건인 V0에서 시작하며 기울기는 항상 F입니다.

F가 0이 되어 이 값으로 유지되면 V와 t를 나타내는 곡선의 기울기 또한 0이 됩니다. 

즉, 탱크의 부피는 일정하게 유지되며 F의 값이 0으로 유지되는 한 변하지 않습니다.

 

 

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