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< 연소생성물 > 연소생성물 : 1. 연소가스 2. 불꽃 ( 화염 ) 3. 열 4. 연기 <1. 연소가스 > 일산화탄소 (CO) - 가연물이불완전연소시발생 - 공기보다가벼운무색, 무취, 무미의유독성기체 - 화재시흡입된일산화탄소는화학적작용에의해인체내의헤모글로빈 (Hb) 과결합하여인체내산소결핍으로질식사망초래가능. - 산소와의결합력이극히강하여인체의질식작용에의한독성발현 - 허용농도 : 50ppm 이산화탄소 (CO 2 ) - 가연물의완전연소시발생하는무색, 무취, 무독성기체 - 비가연성물질로서연소가스중가장많은양을가지고있으며자체독성은없으나다량존재시질식효과로호흡속도가증가하며사망초래. - 공기보다약 1.5배무겁다. - 허용농도 : 5,000ppm < 이산화탄소와인체의반응 > 아크롤레인 (CH 2 CHCHO) - 석유제품과기름성분인유지류등이탈때발생되는맹독성가스 - 일반적인화재에서발생되는경우는극히드물고치사량은 10ppm - 허용농도 : 0.1ppm 포스겐 (COCl 2 ) - PVC, 수지류등이탈때발생되는생성물로발생량은극히적다. - 염소가들어있는화합물이화염에접촉시발생되는맹독성가스로서 2차대전당시유태인의대량학살용도로독일군이사용한가스 - 허용농도 : 0.1ppm 이산화질소 (NO 2 ) - 질산셀룰로오즈, 폴리우레탄등이불완전연소시발생되는적갈색유독성가스 - 2 -
불화수소 (HF) - 불소계수지가탈때생성되는무색의기체. 모래, 유리를부식시키는성질보유 염화수소 (HCl) - PVC와같이염소가함유된물질과수지류가탈때, 건축물내의전선의절연재및배관재료등이탈때생성되는무색기체 - 금속에대해강한부식성 황화수소 (H 2 S) - 털, 고무, 나무, 가죽소파등이탈때발생하는무색가스. - 황 (S) 이함유된물질의불완전연소시발생. - 달걀썩은냄새. 아황산가스 (SO 2, 이산화황 ) - 털, 고무, 나무등이탈때발생하는무색가스로서황이함유된물질의완전연소시발생. - 눈, 호흡기계통에자극이크다. - 산성비등의원인이됨. 시안화수소 (HCN) - 청산가스라고도하며대량흡입되면전신경련, 호흡정지, 심박동정지로헤모글로빈과결합하지않고도사망초래가능 - 동물털의불완전연소시또는인조견등의직물류, 목재, 종이특히폴리우레탄등이탈때발생 암모니아 (NH 3 ) - 질소함유물인수지류, 나무등이탈때악취나는무색기체로서눈, 코, 폐에자극성 - 냉동공장등에서온도낮추는가스즉, 냉동시설의냉매로사용. < 독성가스허용농도 > < 산소농도와인체반응 > - 3 -
< 압력과수두 > - 대기압 (atmospheric pressure) http://www.youtube.com/watch?v=bso9fstjcee&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=9hcmycm21-e&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=0_z9twzcuqo http://www.youtube.com/watch?v=nsp0tg2191g 지구를둘러싸고있는공기에의한압력 ( 단위면적당작용력 ) 표준대기압 : 1atm 수은주 ( 水銀柱 ) : 760mm 수주 ( 水主 ) : 10.332m 공학단위 : 절대단위 : 101.325KPa(=1013.25hPa) = 단위중량 유체깊이 cm2 표준대기압 (1 기압 ): 760mmHg =1.0332kg f/cm 2 (10,332kg f/m 2 )=10.332mH 2O=101.325kPa - 4 -
h w =10.3m h m =76cm (a) 물 (b) 수은 증기비중 - 증기비중 : 어떤온도와압력에서같은부피의공기무게와비교한값 - 증기비중이 1보다크면공기보다무겁고 1보다작으면공기보다가벼움 - 증기비중 = 증기분자량공기분자량 = 증기분자량 29 원자량 예 :H( 수소 ):1, C( 탄소 ):12, N( 질소 ):14, O( 산소 ):16 분자량구하는방법 : 모든기체는분자로존재 http://www.ptable.com/?lang=ko 예 : CO 2 :12+16+16=44 CO :12+16=28 H 2 O:1+1+16=18 CH 4 :12+1+1+1+1=16 C 3 H 8 ( 프로판 )=(12 3)+8=44 C 4 H 10 ( 부탄 )=(12 4)+10=58 공기의분자량 : 공기중에는 79% 의질소와 21% 의산소등이혼합 (79% N 2 )+(21% O 2 ) 29 증기-공기밀도 - 증기-공기밀도 : 증기와공기가혼합되어있을때의비중증기압 증기밀도공기 - 증기밀도 ( 비중 ) = 전체압력 ( 대기압 ) + = P v d P + P - P v P 전체압력 - 증기압전체압력 ( 대기압 )) - 5 -
기체의법칙 http://www.youtube.com/watch?v=j_i8y-i4axc, 1 보일의법칙 (Boyle' law): 온도 (T) 가일정할때기체의부피 (V) 는압력 (P) 에반비례한다. P 1 V 1 = P 2 V 2 P 1, V 1 P 2, V 2 P: 절대압력 V : 부피 2 샤를의법칙 (Charles Law): 압력이일정할때기체의부피는절대온도에비례 V 1 T 1 = V 2 T 2 P 1, V 1, T 1(ex, 0 ) P 1, V 2, T 2 (ex,273 ) V : 부피 T: 절대온도 ( K) http://www.youtube.com/watch?v=ikrikgn3i0k 3 보일 샤를의법칙 (Boyle-Charles Law): 기체부피는절대온도 (T K) 에비례하고, 압력 (P) 에반비례. EX 처음실내온도가 21 에서화재시온도가 650 가되었다면팽창된공기의부피는처음의몇배인가?( 단, 대기압은일정하다 ) 해설 ) 문제에서대기압이일정하면샤를의법칙을써서체적을구한다. V 1 T 1 = V 2 T 2 V 2 T 1 = V 1 T 2 V 2 = T 2 T 1 V 1 = 273 + 650 273 + 21 V 1 3 배 이상기체상태방정식 - 기체의종류, 기체량 ( 분자량 ) 에따른부피, 온도, 압력의관계식 - 기체부피, 압력, 온도, 기체량관계 : 표준상태 (0, 1atm) 에서 1mol 기체의부피는 22.4L( 무게는원소에따라다르지만부피는일정 ) 수소 : 1mole(2g) 22.4L 1mole(2g) 1mole(2g) 2mole(4g) 0, 1atm 273, 1atm 0, 0.5atm 0, 1atm 메탄 : 1mole(16g) 22.4L 1mole(16g) 1mole(16g) 2mole(32g) 0, 1atm 273, 1atm 0, 0.5atm 0, 1atm - 6 -
, W: 기체의양 (g) M: 기체분자량 T: 절대온도 (273+ ) K R : 기체상수 (0.082) P: 대기압 (1atm) V : 부피 ( l ), n = W M : 몰수 - 표준상태 (0, 1atm) 에서기체의몰 (mole) 수가동일하면동일한부피를가짐 - 표준상태 (0, 1atm) 에서기체의 1 몰의부피는기체의종류에불문하고 22.4L <2. 불꽃 ( 화염 )> 불꽃 ( 화염 ) - 화염 : 연소생성물로서의불꽃 - 화염은산화반응하나인중간상태인냉염을거쳐최종상태인열염으로발광발열 화재확대주요원인 : 도시건물화재확대의주요원인 접촉 : 화염의접촉, 접염 ( 接炎 ) 이라고하며불꽃의직접접촉을의미 복사열 : 접염없이열이중간매질을통하지않고전자파형태의공간이동현상 비화 : 불티가되어날아가인접건물등에발화하는것 화염의전파속도 ( 화염속도 ) - 가연성혼합기체의발화로화재가주위넓게퍼지는폭연의속도로서약 0.1 10m/sec - 화염속도에서미연소가스의이동속도가더해진값으로화염속도가가속되면폭굉이될수있음. 화염속도 = 연소속도 + 미연소가스의이동속도 폭굉 : 음속보다빠른초음속 폭연 : 음속보다느린아음속 (* 음속 : 340m/sec) - 7 -
화재풍 (Fire Wind) - 대기중의산소를소비하며격렬하게연소하는화재로말미암아일어나는바람 풀룸 (Plume) http://www.esrl.noaa.gov/csd/tropchem/2010gulf/photos/gulf.php?num=14 - 화재위로오르는열 가스 불꽃및연기의기둥 - 화재풀룸이천장하단부에위치할때흐름은평평한천장면에서는모든방향으로동일해질수있으며풀룸지대와천장분출지대로구분 <3. 열 > 열의정의 - 1cal : 1g의물의온도를섭씨 1 까지높이는데필요한열의양. - 1[Btu] 1lb(=453g) 의물을 1 (=5/9 ) 높이는데필요한열량 British thermal units 의준말로서영국의열량단위 1Btu=252cal에해당. 1cal=0.004Btu ( lb=libra British) 비열 ( 比熱, Specific heat) - 단위질량의물체 1g을 1 올리는데필요한열량물질의비열 > 종류 비열 (kcal/kg ) 종류 비열 (kcal/kg ) 물 1 알루미늄 0.217 금 0.031 공기 0.240 구리 0.091 나무 0.420 철 0.113 윤활유 0.510 유리 0.161 아세톤 0.528 목탄 0.165 부탄 0.549 사염화탄소 0.201 파라핀왁스 0.700 화씨온도 ( ) : 표준대기압상태에서물의빙점을 32, 비등점을 212 로정하고그사이를 180 등분을하여한눈금을 1 로한온도단위 (Fahrenheit's temperature scale) 화씨계산 ( )= 섭씨온도 + 섭씨계산 ( )= 화씨온도 - 절대온도 (K) : -273.15 를절대온도 0 K 로하고, 물의비등점을 373.15 로하는온도체계절대온도 ( K)= 섭씨온도 ( )+273.15(absolute temperature / Kelvin temperature) 현열 ( 顯熱 ) : - 가해진열이온도변화의현상으로나타나는열 - 물질에가해진열이상 ( 相 ) 의변화가없는경우보유하고있는열량. 잠열 ( 熸熱, Latent Heat) - 숨은열로서열의출입이기화및액화처럼상 ( 相 ) 변화로일어나는열. 숨은열이라고도함. - 8 -
고체 승화 기체 기화 응축 ( 액화 ) 응고 융해 액체 얼음의융해열 : 얼음 0 에서물 0 로변화되는데필요한잠열 (80kcal/kg) 물증발열 : 물 100 에서수증기 100 로변화되는데필요한잠열 (539kcal/kg). 열용량 - 열용량=잠열용량 + 현열용량 = 상변화잠열 질량 + 비열 온도차 질량 - 상변화잠열 물의액화잠열 : 80[cal/g] 물의기화잠열 : 539[cal/g] 예제 500, 100g 철덩이와, 20 물 100g을혼합했을때의온도는? 철이잃은열량 =100g(500-t) 0.113cal/g, 물이얻은열량 =100g (t-20) 1cal/g 100g(500-t) 0.113cal/g=100g (t-20) 1cal/g, t=68.73 열의전달 ( 열의이동 ) - 전도, 대류, 복사의형태로이동 (http://www.roasterproject.com/wp-content/uploads/2010/01/heat-transmittance-means1.jpg ) - 전도 ( 傳導, conduction) 하나의물체가다른물체와직접접촉되어있을때전달되는열의현상 열이물체를통하여직접이동하는것 한물체의내부에온도차가있을때고온측 ( 화염으로데워진쪽 ) 에서저온측으로의이동현상 화재시가열된공기는금속관, 전선, 금속덕트등열을잘전도시키는물질을통하여이동 금속이비금속에비하여열전도율이큰것은금속의도체안에서자유로이움직이며전기나열의전도역할을하는자유전자흐름이있기때문. 예 : 뜨거운커피잔속에스푼을넣고저을때열이스푼으로전달되는형태 - 9 -
- 대류 ( 對流, convection) 기체또는액체의온도가다를때그물질순환운동에따라열이이동하는현상 공기, 액체의분자운동에의해열이이동되는현상 화재발생시가열된공기는팽창하여부력에의해상승하며창문, 덕트댐퍼등개구부를통해이동 예 : 실내에서난로를피우면따뜻한공기는상승하고찬공기는내려와순환되는현상 - 복사 ( 輻射, radiation) 열이중간매질을통하지않고공간을날아서전자파형태로이동하는현상 화재시가열된물체의표면에서발생하는열에너지가다른물질에전파되어흡수되면열로변하는현상 복사열이가연물에흡수되어표면온도가발화점에도달하면연소시작. 전도나대류현상에비하여화염의전파에가장크게작용 예 : 태양열이지상의물체를따뜻하게하는현상, 유류탱크화재시인접된화재확산등 스테판 - 볼츠만의법칙 : 복사체에서발산되는복사열은복사체의절대온도의 4제곱에비례 복사에너지 = - : 스테판볼츠만상수 (4.88 10-8 kcal/ m2.hr.k 4 ) : 면적 ( m2 ) : 시각인자 : 높은온도 ( K) : 낮은온도 ( K) 복사열의통과 복사파장 : 고온에서단파장, 저온에서장파장 복사파장통과방해기체 ( 흡수용이기체 ) : 다원자분자 (CO, CO 2, NH 3, SO 2, H 2 O) 복사파장의통과기체 : 단원자분자 (H 2, O 2, N 2 ) 온실효과 : 태양 ( 고온 ) 의가시광선은통과, 지구의복사열 ( 저온 ) 파장은차단으로발생 열역학법칙 - 열역학제1법칙 : 에너지보존법칙 어떤형태의에너지가다른형태의에너지로바꿀수는있으나스스로생성되거나소멸되지않는다 기체에공급된열에너지는기체내부에너지증가와기체외부에한일과같다. 에너지는그형태가바뀌거나한물체에서다른물체로에너지가옮겨갈때에도항상전체의에너지총량은변하지않는다는에너지보존의법칙을열현상에확장한표현 - 열역학제2법칙 열은스스로저온에서고온으로이동하지않으며열은비가역 ( 非可逆 ) 현상이며열을완전히일로바꿀수있는열기관을만들수없다는주장을나타내는법칙 - 열역학제3법칙 절대영도에서의엔트로피에관한법칙 순수한물질이 1atm에서결정상태이면엔트로피는 0 K에서 0이된다. 즉, 어떠한방법으로든절대온도에도달할수없다. 절대 0도에있어서는모든순수한고체또는액체의엔트로피와정압비열의증가량은 0이다. - 열역학제0법칙 물체간또는물체의각부분간에열평형상태가성립되는현상을말한다. 고온물체와저온물체를접촉시키면열이전달되어일정시간후상호열적평형을이룬다 - 10 -