Chapter 13

비정상 상태 분자 확산

시간에 따라 농도 분포가 변하는 비정상 상태 확산은 Fick의 제2법칙으로 기술된다. 반무한 매체에서의 해는 오차 함수(error function)로 표현되며, 침투 깊이는 $\sqrt{D_{AB}t}$에 비례한다. 이 해석이 Higbie의 침투 이론(penetration theory)의 기초가 된다.

Fick's 2nd Law Error Function Penetration Depth Fourier Mass Number Higbie's Theory

Fick의 제2법칙과 비정상 확산

Fick의 제2법칙은 종 연속 방정식에서 대류를 무시하고 반응이 없는 1차원 확산에 대한 편미분 방정식이다. 초기 조건과 경계 조건에 따라 다양한 해를 갖는다. 가장 기본적인 경우인 반무한 매체(semi-infinite medium)에서, 표면 농도가 갑자기 $C_s$로 바뀌면 오차 함수 해를 얻는다.

$$ \frac{\partial C_A}{\partial t} = D_{AB}\frac{\partial^2 C_A}{\partial x^2} \quad \text{(Fick's 2nd law)} $$
$$ \frac{C_A(x,t) - C_{A,s}}{C_{A,0} - C_{A,s}} = \text{erf}\!\left(\frac{x}{2\sqrt{D_{AB}t}}\right) $$
$$ \text{erf}(\eta) = \frac{2}{\sqrt{\pi}}\int_0^{\eta} e^{-u^2}\,du $$
Q1. 비정상 확산에서, 확산 시간을 4배로 늘리면 침투 깊이(concentration front)는 약 몇 배 깊어지는가?
상사 변수 $\eta = x/(2\sqrt{D_{AB}t})$에서 같은 $\eta$ 값(같은 농도 도달)을 위한 깊이 $x \propto \sqrt{t}$이다. 따라서 시간을 4배로 하면 침투 깊이는 $\sqrt{4} = 2$배이다. 이는 확산이 시간의 제곱근으로만 진행됨을 보여준다 -- 확산은 본질적으로 느린 과정이다.

침투 이론 (Penetration Theory)

Higbie의 침투 이론은 비정상 확산 해석을 대류 물질 전달에 적용한 것이다. 유체 요소가 계면에 접촉 시간 $t_c$ 동안 머물면서 표면으로부터 확산을 받는다고 모델링한다. 시간 평균 플럭스로부터 물질 전달 계수를 유도하면 $k_c = 2\sqrt{D_{AB}/(\pi t_c)}$를 얻는다. 확산 계수의 1/2승에 비례한다는 것이 정체막 이론($k_c \propto D_{AB}$)과의 핵심 차이이다.

$$ k_c = 2\sqrt{\frac{D_{AB}}{\pi t_c}} \quad \text{(penetration theory)} $$
$$ \text{Fo}_m = \frac{D_{AB}\,t}{L^2} \quad \text{(Fourier mass number)} $$

비정상 확산 시각화

아래 그림은 반무한 매체에서의 비정상 확산을 보여준다. Fourier 질량 수 $\text{Fo}_m = D_{AB}t/L^2$를 변경하면 시간이 지남에 따라 농도 프로파일이 매체 깊숙이 침투하는 과정을 관찰할 수 있다. 표면($x=0$)에서 $C_A = C_s$이고, 깊은 곳에서는 초기 농도 $C_0$를 유지한다.

Interactive Figure 13.1 반무한 매체에서의 비정상 확산 -- C(x,t)
Fom = DABt/L² 0.10
Fom --
침투 깊이 --
표면 플럭스 --
(CA - Cs)/(C0 - Cs) = erf(η)
침투 깊이 δp
Q2. 탄소강의 침탄(carburizing) 공정에서, 표면 탄소 농도가 일정하게 유지될 때 1mm 깊이에 원하는 탄소 농도를 달성하는 데 4시간이 걸렸다. 2mm 깊이에 같은 농도를 달성하려면 약 몇 시간이 필요한가?
같은 농도 비($\theta = \text{erf}(\eta)$가 같음)를 위해서는 $\eta = x/(2\sqrt{D_{AB}t})$가 일정해야 한다. $x_2/x_1 = 2$이면 $\sqrt{t_2/t_1} = 2$, 즉 $t_2 = 4 t_1 = 16$시간. 확산에 의한 침투 깊이가 $\sqrt{t}$에 비례하므로, 두 배 깊이를 달성하려면 네 배의 시간이 필요하다.