확산 계수·확산 거리 계산 도구

진동수 인자 D0와 활성화 에너지 Q로부터 어떤 온도에서의 확산 계수를 구하고, 가열 시간으로부터 원자가 어느 정도 깊이까지 확산하는지 추정합니다. 기본값은 오스테나이트(γ철) 중 탄소(D0 = 2.3 × 10⁻⁵ m²/s, Q = 148 kJ/mol)를 900 ℃에서 4시간 침탄하는 경우입니다.

입력

결과

절대 온도 T
–
확산 계수 D
–
확산 거리의 기준 √(Dt)
–

표면 농도가 일정할 때(반무한체)

깊이 x에서의 농도비 (Cx − C0)/(Cs − C0)
–

D0와 Q는 재료와 확산하는 원소의 조합으로 정해지는 값입니다. 농도비는 표면 농도 Cs가 일정하게 유지되고, 시료가 충분히 두꺼운(반무한체) 것으로 볼 수 있는 경우의 오차 함수 해로 계산합니다. 기체 상수 R = 8.314 J/(mol·K).

확산 계수의 온도 의존성(아레니우스 식)

고체 속 원자는 공공이나 격자 사이의 틈을 따라 띄엄띄엄 이동합니다. 한 번의 점프에는 활성화 에너지 Q를 넘어야 하므로, 확산 계수는 D = D0·exp(−Q/RT)로 온도에 대해 지수 함수적으로 변합니다. 기본값(γ철 중 탄소, 900 ℃ = 1173.15 K)에서는 D = 2.3 × 10⁻⁵ × exp(−148000/(8.314 × 1173.15)) ≈ 5.91 × 10⁻¹² m²/s입니다. 온도를 100 ℃만 올려도 D는 몇 배가 되므로 열처리의 온도 관리가 중요합니다. 양변에 로그를 취한 ln D = ln D0 − Q/(RT)는 1/T에 대해 직선이 되며, 그 기울기로부터 −Q/R을 구할 수 있습니다.

확산 거리의 기준 √(Dt)

확산으로 원자가 움직이는 거리는 시간에 비례하지 않고 시간의 제곱근에 비례합니다. 기준으로 x ≈ √(Dt)가 자주 사용되며, 기본값인 4시간(14,400 s)에서는 √(5.91 × 10⁻¹² × 14400) ≈ 0.292 mm입니다. 확산 깊이를 2배로 하려면 같은 온도에서는 시간을 4배로 해야 합니다. 식의 계수는 정의에 따라 2√(Dt) 등으로 쓰기도 하므로, 비교할 때는 정의를 통일하십시오.

침탄과 오차 함수 해

강의 표면을 탄소 농도 Cs의 분위기로 유지하여 침탄할 때, 초기 농도 C0인 두꺼운 시료 속의 농도 분포는 픽의 제2법칙의 해 (Cx − C0)/(Cs − C0) = 1 − erf(x/(2√(Dt)))로 나타냅니다. 기본값인 깊이 0.5 mm에서는 x/(2√(Dt)) ≈ 0.857이고, 농도비는 약 22.6 %입니다. 예를 들어 C0 = 0.20 wt%, Cs = 1.00 wt%라면 0.5 mm에서의 탄소 농도는 약 0.38 wt%가 됩니다. erf(z)는 z가 0일 때 0이고, z가 2를 넘으면 거의 1이 되는 함수입니다.

D0와 Q의 대표값

확산의 용이성은 격자 사이를 움직이는 작은 원자일수록 크고, 치환형 원자에서는 작아집니다. γ철 중 탄소(격자간 확산)는 D0 ≈ 2.3 × 10⁻⁵ m²/s, Q ≈ 148 kJ/mol, α철 중 탄소는 D0 ≈ 1.1 × 10⁻⁶ m²/s, Q ≈ 87 kJ/mol로 알려져 있습니다. 한편 철의 자기 확산(γ철 중, 공공 기구)은 Q ≈ 280 kJ/mol 전후로 커서, 같은 온도에서도 몇 자릿수나 느립니다. 값은 문헌에 따라 차이가 있으므로, 계산에 사용할 때는 출처의 값을 그대로 넣으십시오.

결정 결함과 확산 문제 풀기

두께 5.0 mm인 강판의 양면에서 탄소 농도가 각각 1.2 kg/m³와 0.8 kg/m³로 유지되며 정상 상태로 확산하고 있다. 확산 계수를 3.0×10⁻¹¹ m²/s라고 하면 탄소의 확산 플럭스에 가장 가까운 것은 무엇인가? 농도는 판 두께 방향으로 직선적으로 변한다고 한다.

  1. A약 2.4×10⁻¹² kg/(m²·s)
  2. B약 7.2×10⁻⁹ kg/(m²·s)
  3. C약 2.4×10⁻⁹ kg/(m²·s)
정답과 해설 보기

정답: C. 약 2.4×10⁻⁹ kg/(m²·s)

정상 상태에서는 픽의 제1법칙 J = −D(dC/dx)를 사용할 수 있습니다. 농도 기울기는 (0.8 − 1.2)/(5.0×10⁻³ m) = −80 kg/m⁴이므로 J = 3.0×10⁻¹¹ × 80 = 2.4×10⁻⁹ kg/(m²·s)가 되며, 고농도 쪽에서 저농도 쪽으로 흐릅니다. 약 2.4×10⁻¹²는 두께를 mm 그대로 5.0으로 나눈 단위 환산의 오류, 약 7.2×10⁻⁹는 농도 차이 대신 한쪽의 농도 1.2 kg/m³를 사용한 오류입니다. 농도의 차이가 흐름을 만들므로 기울기를 올바르게 취하는 것이 중요합니다. 이 사고방식은 수소 투과 시험이나 기체 분리막의 평가에도 사용됩니다.

γ철 속 탄소의 확산 계수는 D₀ = 2.3×10⁻⁵ m²/s, 활성화 에너지 Q = 148 kJ/mol인 아레니우스형 D = D₀exp(−Q/RT)를 따른다. 927℃에서의 확산 계수에 가장 가까운 것은 무엇인가? 기체 상수는 R = 8.314 J/(mol·K)로 한다.

  1. A약 8.3×10⁻¹² m²/s
  2. B약 1.1×10⁻¹³ m²/s
  3. C약 2.3×10⁻⁵ m²/s
정답과 해설 보기

정답: A. 약 8.3×10⁻¹² m²/s

온도는 절대 온도로 바꾸어 T = 927 + 273 = 1200 K로 합니다. Q/RT = 148000/(8.314 × 1200) ≈ 14.83이므로 D = 2.3×10⁻⁵ × exp(−14.83) ≈ 2.3×10⁻⁵ × 3.6×10⁻⁷ ≈ 8.3×10⁻¹² m²/s입니다. 약 1.1×10⁻¹³은 온도를 ℃ 그대로 927로 대입한 오류입니다. 약 2.3×10⁻⁵는 Q를 kJ 그대로 148로 하여 지수가 거의 0이 된 오류로, D₀와 거의 같은 값이 되어 있습니다. D는 온도에 대해 지수 함수적으로 변하므로, 침탄 온도를 수십 ℃ 올리는 것만으로 처리 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

어떤 원소의 확산 계수가 800 K에서 1.0×10⁻¹⁴ m²/s, 1000 K에서 4.0×10⁻¹³ m²/s였다. 아레니우스형 D = D₀exp(−Q/RT)를 따른다고 하면 활성화 에너지 Q에 가장 가까운 것은 무엇인가? R = 8.314 J/(mol·K)로 한다.

  1. A약 53 kJ/mol
  2. B약 123 kJ/mol
  3. C약 245 kJ/mol
정답과 해설 보기

정답: B. 약 123 kJ/mol

두 온도에서의 식의 비를 취하면 D₀가 소거되어 ln(D₂/D₁) = (Q/R)(1/T₁ − 1/T₂)가 됩니다. D₂/D₁ = 40이고 ln 40 ≈ 3.689, 1/800 − 1/1000 = 2.5×10⁻⁴ K⁻¹이므로 Q = 8.314 × 3.689 / (2.5×10⁻⁴) ≈ 1.23×10⁵ J/mol, 즉 약 123 kJ/mol입니다. 약 53 kJ/mol은 자연로그 대신 상용로그(log₁₀ 40 ≈ 1.602)를 사용한 오류, 약 245 kJ/mol은 exp(−Q/2RT)의 형태와 혼동하여 2배 한 값입니다. 실무에서는 ln D를 1/T에 대해 플롯하고, 직선의 기울기 −Q/R로부터 Q를 구합니다.

자주 묻는 질문

확산 계수의 단위는 무엇입니까?

SI 단위로는 m²/s입니다. 문헌에서는 cm²/s로 쓰인 경우도 많으며, 1 cm²/s = 10⁻⁴ m²/s로 환산합니다. 이 계산기의 D0는 m²/s로 입력하십시오.

확산 거리는 왜 시간의 제곱근에 비례합니까?

원자는 무작위 방향으로 점프를 반복하므로(랜덤 워크), 평균 이동 거리는 점프 횟수의 제곱근에 비례하기 때문입니다. 점프 횟수는 시간에 비례하므로 거리는 √t에 비례합니다.

활성화 에너지의 단위를 eV로 알고 있을 때는 어떻게 합니까?

1 eV/원자는 약 96.49 kJ/mol입니다. 예를 들어 1.5 eV라면 약 145 kJ/mol을 넣습니다. 원자 1개당으로 계산할 때는 기체 상수 R 대신 볼츠만 상수 k = 8.617 × 10⁻⁵ eV/K를 사용하여 D = D0·exp(−Q/kT)로 합니다.

관련 용어

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