불의 과학

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불의 과학

아마도 불, 열 및 온도에 대한 상식적인 이해가 있을 것이지만, 이러한 개념을 다소 과학적인 시각에서 고려하는 것이 중요합니다. 불은 다양한 형태로 나타날 수 있지만, 모두 어떤 종류의 연료와 산소 또는 유사한 물질 간의 열을 생성하는 화학 반응을 포함합니다. 무엇이든 연소할 때, 열이 방출되는 속도가 방출될 수 있는 속도보다 빠르게 발생하며, 이에 따라 온도가 상당히 상승합니다.

 

물리적 및 화학적 변화

주변의 세계를 바라보면 보이는 물질들은 물질이라고 합니다. 물질은 우리 우주를 이루는 "물질"로 말합니다. 물질은 공간을 차지하고 질량(무게)을 가지는 모든 것입니다. 물질은 다양한 유형의 물리적 및 화학적 변화를 겪을 수 있습니다.

물리적 변화는 물질이 화학적으로 동일한 상태이지만 크기, 모양 또는 외관이 변하는 경우입니다. 물이 얼거나 (액체에서 고체로) 끓이는 (액체에서 기체로) 것이 물리적 변화의 예입니다. 화학 반응은 물질이 다른 유형의 물질로 변하는 경우입니다. 이러한 화학적 변화는 종종 두 개 이상의 물질이 반응하여 다른 유형의 화합물을 형성하는 것을 포함합니다. 산화는 산소 (또는 유사한 종류의 물질) 다른 물질의 결합을 포함하는 화학 반응입니다. 산화는 철과 산소가 결합하여 녹을 형성하는 것과 같이 느릴 수 있으며, 메탄 (천연가스)의 연소와 같이 빠를 수도 있습니다. 산소는 지구상에서 더 일반적인 원소 중 하나이며 (우리 대기는 산소의 21%로 이루어져 있음), 행성 상에 존재하는 다른 원소들과 반응합니다.

화학 및 물리적 변화는 거의 항상 에너지 교환을 포함합니다. 연료의 잠재 에너지는 연소 중에 방출되고 운동 에너지로 변환됩니다. 발생하는 동안 에너지를 방출하는 반응을 열 방출 (발열)이라고 합니다. 불은 열과 때로는 빛 형태의 에너지를 방출하는 화학 반응인 발열 화학 반응인 연소입니다. 발생하는 동안 에너지를 흡수하는 반응을 열 흡수 (흡열)이라고 합니다. 물을 액체에서 기체 (증기)로 변환하는 것은 에너지의 투입이 필요하며 열 흡수적인 물리적 반응입니다. 불을 통제하고 소화하는 중요한 부분 중 하나는 물을 증기로 변환하는 것입니다.

연소의 상태

연소는 빠르고 자체 지속되는 화학 과정으로 열과 대개 빛을 생성합니다. 불은 연소의 한 형태입니다. 연소의 상태는 반응이 발생하는 위치에 따라 구분됩니다. 불타는 연소에서는 연료가 가스 상태에서 산화됩니다. 이를 위해서 액체 또는 고체 연료를 가스 상태로 변환하거나 증발시키는 것이 필요합니다. 가열되면 액체와 고체 연료 모두 증발하여 산소와 혼합되고 불을 일으켜 화염을 생성합니다. 일부 고체 연료, 특히 다공성이며 승화될 수 있는 연료는 연료 표면에서 산화될 수 있습니다. 

불의 삼각형

오랫동안 소방관들은 불이 발생하려면 세 가지 구성 요소가 필요하다고 가르쳤습니다: 산소, 연료 및 열. 이 관계는 불의 삼각형으로 나타냈습니다. 이 세 가지 중 하나를 제거하면 불이 시작되지 않습니다. 이미 불이 타고 있다면 소화됩니다. 이 간단한 모델은 유용하지만 항상 완전한 그림을 제공하지는 않습니다. 

 

불의 사면체

불타는 연소는 불의 사면체를 사용하여 더 정확하게 설명됩니다. 불의 사면체는 산소, 연료, 열 및 자체 지속되는 화학적 연쇄 반응으로 구성되며, 불타는 연소가 발생하려면 사면체의 각 구성 요소가 제자리에 있어야 합니다. 열, 연료 또는 산소가 불로부터 제거되면 불이 꺼집니다 (불의 삼각형). 불타는 연소가 중단되지 않도록 자체 지속되는 화학적 연쇄 반응이 억제되거나 중단되면 불타는 연소는 중지됩니다 (불의 사면체); 그러나 연료의 특성에 따라 불은 계속해서 숨고 연소할 수 있습니다. 불의 사면체의 각 구성 요소는 이 장의 다음 섹션에서 자세히 설명됩니다.

열

불 행동에 대한 작동 지식을 가지려면 열과 온도를 이해해야 합니다. 대부분의 사람이 열과 온도에 대한 기본적인 이해를 가지고 있지만 이 용어는 종종 교환해서 사용되며 차이가 명확하게 이해되지 않기 때문에 이러한 용어들을 다시 고려하는 것이 중요합니다.

열과 온도

열은 에너지의 한 형태이며, 에너지는 잠재 에너지와 운동 에너지 두 상태로 존재합니다. 잠재 에너지는 나중에 방출될 수 있는 물체가 가진 에너지입니다. 운동 에너지는 움직이는 물체가 가진 에너지입니다. 열은 물질을 구성하는 원자와 분자의 움직임과 관련된 운동 에너지입니다. 불 화재 전에 연료는 잠재 화학 에너지를 가집니다. 그 연료가 연소할 때 화학 에너지는 열과 빛의 형태로 운동 에너지로 변환됩니다. 온도는 운동 에너지의 측정입니다. 열에너지는 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동합니다. 이 이동을 이해하는 것은 불 개발과 소방 제어 전술에서 특히 중요합니다.

에너지는 작업을 수행하는 능력입니다. 작업은 힘이 거리에 가해지거나 물질에서 화학, 생물학 또는 물리적 변형이 이루어질 때 발생합니다.

에너지를 직접 측정할 수는 없지만, 에너지가 하는 일을 측정할 필요가 있습니다. 열의 경우 작업은 물질의 온도를 증가시키는 것을 의미합니다.

열에너지의 측정 단위는 국제단위계 (SI) 또는 메트릭 시스템에서 줄입니다. 1 줄은 1뉴턴의 거리를 가진 것과 동일합니다.

일반적인 시스템에서 열을 측정하는 데 사용되는 단위는 영국 열량(Btu)입니다. 영국 열량은 1파운드의 물 온도를 1도 화씨 올리기 위해 필요한 열량입니다. 과학 및 공학 문헌에서는 사용되지 않지만,  소방 산업에서는 여전히 빈번하게 사용됩니다.

온도를 측정하기 위해 사용되는 여러 가지 다른 척도가 있으며, 가장 흔한 것은 섭씨와 화씨 척도입니다. 섭씨온도 척도는 메트릭 시스템에서 사용되며 화씨 척도는 일반적인 시스템에서 사용됩니다. 물의 얼음과 끓는 점은 이 두 척도를 비교하는 간단한 방법을 제공합니다.

에너지는 다양한 형태로 존재하며 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수 있습니다. 불 행동 연구에서 에너지를 열로 변환하는 것이 특히 중요합니다. 왜냐하면 열은 불의 사면체의 에너지 구성 요소이기 때문입니다. 연료가 가열되면 온도가 증가합니다. 추가 열을 가하면 고체 연료에서 화학적 분해 (열의 작용을 통한 물질의 화학적 분해)와 액체 연료의 기화가 발생하여 불이 분출할 수 있는 증기 또는 가스를 방출합니다. 불꽃이나 다른 외부 원본이 점화에 필요한 에너지를 제공하거나, 연료가 불꽃이나 다른 원본 없이도 점화되도록 가열될 수 있습니다. 한 번 점화되면 과정은 연료 증발 물 또는 가스의 생산 및 점화를 계속하여 연소 반응이 유지됩니다.

점화에는 두 가지 형태가 있습니다: 조종된 점화와 자동 점화. 조종된 점화는 연료와 산소 혼합물이 충분한 열에너지를 가진 외부 열 (점화) 원본을 만나 연소 반응을 시작할 때 발생합니다. 자동전화는 외부 불꽃이나 불꽃 없이 연료 가스나 증기를 점화하기 위한 화염이나 불꽃이 없을 때 발생합니다. 이 경우 연료 표면이 연소 반응이 발생하는 온도까지 화학적으로 가열됩니다. 자동 점화 온도 (AIT) 는 물질 표면이 점화 및 자체 지속적인 연소가 발생할 온도입니다. 물질의 자동 점화 온도는 조종된 점화 온도보다 항상 높습니다. 두 가지 모두 화재 조건에서 발생하지만 조종된 점화가 가장 흔합니다.