The Chemistry Maths Book, Second Edition

(Grace) #1

332 Chapter 11First-order differential equations


amount of intermediate Bremains small throughout the reaction because Bis rapidly


converted into C. Figure (c), withk


1

2 k


2

1 = 110 , shows the behaviour whenk


1

1 >> 1 k


2

; the


rate-determining step isB 1 → 1 C, and the amount of Bbecomes large because the


processB 1 → 1 Cis slow, and Bdecreases only when the supply of Ahas been exhausted.


0 Exercises 41, 42


11.7 Electric circuits


The modelling of electric circuits is an important application


of linear differential equations. A simple circuit consists of a


source of electric energy, such as a generator or a battery, that


generates an electromotive force (e.m.f.) E, and one or more


elements (Figure 11.4) connected in series; resistors (R),


inductors (L), and capacitors (C). The e.m.f. of the source is


equal to the difference of electric potential between the two


points at which it is attached to the circuit. When the circuit is


closed, a currentIflows and each element of the circuit causes


a drop in voltage (electric potential) in the circuit. The total


drop in voltage is equal to the e.m.f. (Kirchhoff ’s voltage law).


A resistor is a circuit element that offers resistance to the flow of charge in the


circuit. The voltage drop E


R

across a resistor is proportional to the current,


E


R

1 = 1 RI (Ohm’s law) (11.62)


and the constant of proportionality Ris called the resistanceof the resistor (see


Tables 1.1 and 1.2 for the appropriate SI units). An inductor is a coil which builds


up a magnetic field within itself when a current flows. A changing magnetic field


develops an induced voltage across the coil that is proportional to the rate of change


of current and opposes the current flow:


(11.63)
EL

dI


dt


L

=


........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Amount


0


1


a


c


b


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............................

.............................

(a) k
1

=1 ,k
2

=10


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ac


b


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(b) k
1

=k
2

=1


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t


a


c


b


..........................................................................................................................
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(c) k
1

=1 ,k
2

=0. 1


Figure 11.3


R


L


C


............................................................................

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Q -Q


Figure 11.4

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