소방설비기사(기계) 연소생성물과 특성 — 기체의 양과 폭발의 갈래

기체의 양은 몰과 부피로 맞춘다. 표준상태(0℃, 1기압)에서 이상기체 1몰의 부피는 22.4L이므로, 11.2L는 0.5몰이다. 이 기체의 질량이 22g이면 분자량은 22 ÷ 0.5 = 44가 된다. 같은 원리로 기체의 밀도는 분자량에 비례하므로, 증기비중은 분자량을 공기의 평균분자량 29로 나누어 구한다.

온도가 바뀌면 부피가 함께 바뀐다. 압력이 일정할 때 기체의 부피는 절대온도에 비례하므로 섭씨온도에 273을 더해 켈빈으로 바꾼 뒤 비율을 잡는다. 실내온도가 20℃에서 600℃로 오르면 293K에서 873K가 되어 부피는 873 ÷ 293 ≈ 2.98배, 약 3배로 팽창한다. 섭씨온도를 그대로 나누면 답이 어긋난다.

연소 열량의 단위도 외운다. 1Btu는 물 1파운드를 화씨 1도 올리는 열량으로, 약 252cal에 해당한다. 298·315·460은 이 변환값이 아니다.

폭발은 원인으로 나눈다. 분해폭발·가스폭발·분진폭발처럼 물질의 화학 반응이 수반되면 화학적 폭발이고, 수증기폭발은 물이 급격히 증발해 부피가 팽창하는 상태 변화이므로 물리적 폭발이다. 화학적 성질의 변화 없이 압력만 급증한다는 점이 갈림길이다.

생성물과 원료의 성질은 연소 형태로도 이어진다. 니트로기를 가진 TNT·니트로셀룰로오스 같은 제5류 위험물은 분해할 때 자체 산소를 공급하므로 자기연소한다. 금속분말에 물을 뿌릴 때 수소가 발생하는지도 활성도로 갈린다. 나트륨·칼륨·리튬은 활성이 커 물과 격렬히 반응해 수소를 내지만, 코발트는 수소보다 활성이 낮아 물과 반응하지 않는다.

가연성 혼합가스의 폭발하한계는 성분 비율로 계산한다. 프로판 50%, 부탄 40%, 프로필렌 10%이고 각 하한계가 2.2%, 1.9%, 2.4%라면 0.5/2.2 + 0.4/1.9 + 0.1/2.4 ≈ 0.48이고, 그 역수는 약 2.09%다. 성분별 몫을 더한 뒤 역수를 취하는 순서를 지킨다.

메탄(CH4)은 탄소 1개로 이루어진 가장 간단한 탄화수소이며 도시가스의 주성분이다. 에탄·프로판·부탄은 탄소 사슬이 길어 구조가 더 복잡하고 LPG 쪽에 주로 들어간다.