개념 한 쪽
연소는 가연물이 열을 받아 산소와 결합하는 현상이며, 화재는 여기서 멈추지 않고 대류·복사·비화를 통해 주변으로 확산되고 성장한다. 그래서 연소를 볼 때는 불이 붙는 조건과 함께 불이 퍼지는 방향을 같이 본다. 위험성은 연소하한계·인화점·연소범위 같은 지표의 방향으로 판단하고, 혼합가스나 공기처럼 여러 성분이 섞인 대상은 성분 비율을 넣어 계산한다.
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출제기준 단원 「연소의 원리와 성상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연소 확대 면적 계산 | 1 | 원형으로 번지는 불의 면적을 시간으로 추정하기 |
| 발화점 용어 | 1 | 점화원을 치워도 계속 타는 최저 온도의 이름 확인 |
| 연소현상 서술 판별 | 1 | 화재 때의 연소 양상 설명에서 빗나간 것 고르기 |
화재는 고정된 것이 아니다. 뜨거운 공기는 위로 올라가고(대류), 열은 복사로 주변에 전달되며, 불꽃과 연기, 비화 현상으로 다른 곳으로 옮겨 간다. 따라서 기상 조건이나 가연물 상태와 관계없이 화재가 한자리에 머문다는 설명은 성립하지 않는다. 연소의 정의, 공기의 산소 공급, 연소 요인을 설명한 내용은 옳지만, 확산과 성장을 부정하는 설명은 틀리다.
자기연소는 분자 안에 산소를 품은 물질에서 일어난다. 이황화탄소·톨루엔·크실렌처럼 외부 산소가 있어야 타는 물질과 달리, 디니트로톨루엔은 니트로기(-NO2)에 산소를 포함해 가열되면 분자 내부의 산소를 방출하며 공기 중 산소 없이도 탄다. 니트로기·니트레이트기·과산화물처럼 산소를 포함한 관능기를 가진 물질을 찾는 것이 이 유형의 판단 기준이다.
위험성 지표는 방향을 외운다. 연소하한계가 낮을수록 낮은 농도에서도 타므로 위험하고, 온도가 높을수록 기화가 쉬워져 위험하며, 연소범위가 넓을수록 다양한 농도에서 불이 붙는다. 인화점은 가연물이 불에 타기 시작하는 최저 온도이므로 인화점이 낮을수록 위험하다. 인화점이 높을수록 위험하다는 설명은 방향이 반대다.
인화점과 연소점은 점화원을 떼어 낸 뒤의 거동으로 가른다. 인화점에서는 점화원을 제거하면 불이 꺼지고, 연소점은 점화원을 제거해도 계속 연소되는 최저 온도다. 연소점이 인화점보다 높다.
혼합가스의 연소하한계는 르 샤틀리에 공식 L = 1/Σ(Vi/Li)로 구한다. 성분의 부피분율을 각 성분의 하한계로 나눈 값을 더한 뒤 역수를 취한다. 가스 A가 40vol%, B가 60vol%이고 하한계가 각각 4.9vol%, 4.15vol%라면 0.4/4.9 + 0.6/4.15를 더해 역수를 취하여 약 4.42vol%가 된다. 연소범위도 경계가 중요하다. 에테르의 연소범위가 1.9~48vol%라면 이 범위를 벗어나면 타지 않으며, 상한 48vol%를 넘으면 가스가 너무 진해 산소가 부족하므로 연소하지 않는다.
성분을 계산하는 문제도 함께 나온다. 공기의 평균분자량은 질소 28에 0.792를, 산소 32에 0.208을 곱해 더한 28.83이다. 부탄(C4H10)의 완전연소 반응식은 C4H10 + 6.5O2 → 4CO2 + 5H2O이므로 산소 6.5mol이 필요하다. 목재 화재가 분당 0.75~1m씩 원형으로 번지면 5분 뒤 반지름은 3.75~5m이고, 면적은 πr²로 계산해 약 44~78.5m²가 된다.
연소 형태는 물질의 상태로 나눈다. 목단·코크스·금속분처럼 고체 표면에서 산소와 직접 반응하며 타는 것은 표면연소다. 액체가 기화해 타는 증발연소, 고체가 분해해 가스를 내며 타는 분해연소와 구분한다.
학습목표: 가연물이 되기 위한 조건들(산소친화성, 발열량·비표면적, 열전도도 등)을 열거하고 설명할 수 있다.
가연물의 구비조건 (가) 산소와의 친화력이 클 것: 화학적 활성도가 클 것
NCS 학습모듈 0502010403 소방안전관리 감독 · 1-1. 위험요소의 이해와 분석
판단은 지표의 방향과 경계에서 갈린다. 화재가 확산·성장한다는 설명은 옳고, 한자리에 고정된다는 설명은 틀리다. 자기연소 물질은 분자 안에 산소를 품은 디니트로톨루엔이고, 탄화수소는 외부 산소가 필요하다. 인화점은 낮을수록, 연소하한계는 낮을수록, 연소범위는 넓을수록 위험하다. 점화원을 제거한 뒤에도 타면 연소점, 꺼지면 인화점이다. 혼합가스 하한계는 0.4/4.9 + 0.6/4.15의 역수인 약 4.42vol%로 계산하고, 연소범위 상한을 넘으면 산소 부족으로 타지 않는다. 공기 평균분자량은 28×0.792 + 32×0.208 = 28.83, 부탄 완전연소에는 산소 6.5mol이 든다. 목단·코크스·금속분은 고체 표면에서 직접 타는 표면연소다.
목재 화재시 초기의 연소속도가 매분 평균 0.75m∼1m씩 원형으로 확대한다면 발화 5분 후 연소된 면적은 약 몇m²정도 되는가?
정답 ④ · 목재 화재 시 발화 5분 후의 연소 면적을 계산하는 문제이다. 연소속도가 매분 반지름 방향으로 0.75m~1m씩 원형으로 확대되므로, 5분 후의 반지름은 0.75x5=3.75m에서 1x5=5m가 된다.
목재 화재 시 연소 반지름이 분당 0.75~1m 증가하므로 5분 후 반지름은 3.75~5m, 면적은 πr² 공식을 적용하여 계산한다.
가연성 액체에 점화원을 가져와서 인화된 후에 점화원을 제거하여도 가연물이 계속 연소되는 최저온도를 무엇이라 하는가?
정답 ③ · 가연성 액체에서 점화원 제거 후에도 연소가 지속되는 최저온도를 묻는 용어 문제이다. 점화원에 의해 인화된 뒤 점화원을 제거해도 스스로 증기가 공급되어 계속 타는 최저온도를 연소점이라 하며, 연소점은 인화점보다 높은 값이다.
점화원 제거 후에도 계속 연소되는 최저 온도를 연소점이라고 하며, 인화점은 점화원 제거 시 소멸하는 온도이다.
화재시의 연소현상에 관한 설명으로 적당하지 못한 것은?
정답 ③ · 화재 시 연소현상에 대한 설명 중 적당하지 못한 것을 고르는 문제이다. 화재는 접염, 대류, 복사, 비화 등에 의해 열이 주변으로 전달되면서 주변 가연물로 확산되고 성장하는 동적 현상이다.
화재는 열과 가연물, 산소가 결합하여 대류와 복사를 통해 주변으로 확산되며 성장하고 이동한다.
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