개념 한 쪽
연소의 정의 및 요소 문제는 폭발의 성립 조건과 팽창력의 원인을 묻는 문제와 폭발성 물질의 민감도·위력 관계를 확인하는 문제, 분진폭발 대상 물질과 혼합가스 폭발하한계 계산으로 나온다.
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출제기준 단원 「연소의 정의 및 요소」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 폭발 성질 판별 | 1 | 폭발 민감도와 위력의 관계 옳은 것 고르기 |
| 분진 대상 판별 | 1 | 분진폭발이 일어나지 않는 물질 고르기 |
| 팽창 원인 확인 | 1 | 폭발의 팽창력 원인이 되는 것 고르기 |
폭발은 연소의 한 형태로 이해한다. 연소 속도가 매우 빠른 급격한 연소 현상이 폭발이며, 성립하려면 가연물과 산화제, 점화원에 더해 농도가 폭발 범위 안에 들어와야 한다. 폭발이 파괴력을 갖는 까닭은 급속한 화학반응으로 다량의 가스와 열이 순간적으로 만들어지는 데 있으므로, 팽창력의 원인을 묻으면 이 반응 자체를 답한다. 충격파나 파괴는 폭발의 결과이고 농도는 조건일 뿐 원인이 아니다.
연소 속도로 폭발을 다시 나눈다. 연소가 음속을 넘어 초음속으로 전파되며 충격파를 동반하는 극히 빠른 현상은 폭굉이고, 보통 폭발로 부르는 현상은 음속 미만으로 전파되는 연소에 해당한다. 폭발 범위 안 농도에서 연소 속도가 폭발보다 빠른 것을 고르는 문제는 폭굉을 찾는 문제이다.
폭발성 물질은 민감도와 위력의 관계로 성질을 파악한다. 폭발 민감도와 위력은 반비례하여 폭발이 일어나기 쉬운 물질일수록 급격한 기체 팽창이 제한되어 위력이 작고, 폭발이 어려운 물질은 에너지 방출량이 많아 위력이 크다. 화학량론적으로 산소균형이 0인 부근에서 위력이 최대가 된다.
분진폭발은 물질의 상태와 가연성으로 판정한다. 가연성 고체 분진이 공기 중에 부유한 상태에서 점화되면 분진폭발이 일어나므로 마그네슘이나 소맥분, 스텔라이트가 대상이 되지만, 질석가루는 불연성 광물이라 분진폭발이 일어나지 않는다. 기체는 고체 분진이 아니므로 분진폭발과 구분된다. 분진의 발화 경로도 있다. 난방용 스팀파이프 같은 고온 표면에 쌓인 분진이 열분해하며 열을 축적해 점화 온도에 이르면 자연발화로 이어진다.
폭발 위험은 범위와 농도로 잰다. 폭발범위는 가연성 물질이 공기 중에서 폭발할 수 있는 농도 구간으로 폭발 위험성을 직접 보여 주는 척도이고, 증기압이나 발화온도, 분해온도는 각각 다른 성질의 지표일 뿐이다. 화재의 등급도 함께 구분하는데, 인화성 액체에 의한 화재가 B급이고 일반 가연물은 A급, 전기는 C급, 금속은 D급이다.
혼합가스의 폭발하한계는 르 샤틀리에 식으로 구한다. 각 성분의 부피분율을 그 성분의 폭발하한계로 나눈 값을 모두 더해 그 합의 역수를 취하는 식이다. 아세틸렌이 50퍼센트(폭발하한계 2.5), 수소가 20퍼센트(4.0), 이황화탄소가 30퍼센트(1.2)인 혼합가스라면 나눈 값은 20과 5, 25로 합이 50이 되므로 폭발하한계는 50분의 1, 곧 2.0퍼센트이다. 위험도는 위쪽 한계에서 아래 한계를 빼고 아래 한계로 나눈 값으로, 수소는 62에서 4.1을 빼고 4.1로 나누어 약 14.12가 된다.
열발화 이론에 관한 설명 중 옳지 않은 것은?
정답 ① · 연소공학에서 화재 및 폭발의 발생 메커니즘을 설명하는 열발화 이론의 기본 가정과 특성을 묻는 문제이다. 세메노프나 프랑크-카메네츠키의 열발화 이론은 외부와 물질 교환이 없는 밀폐된 용기, 즉 닫힌계에 존재하는 가연성 혼합기체의 반응열 생성과 방열의 열적 불균형을 기초로 한다.
열발화 이론은 닫힌계(밀폐계)의 가연성 혼합기체를 다루며, 열린계가 아니다.
공기 50%, 수소 20%, 아세틸렌 30%로 혼합되어 있는 혼합 가스가 있다. 이 혼합가스의 폭발하한계는 얼마인가? (단, 수소와 아세틸렌의 폭발하한값은 4%, 2.5% 이다. )
정답 ② · 가연성 가스와 공기가 혼합된 혼합 가스의 폭발하한계를 르 샤틀리에 공식으로 산출하는 문제이다. 불연성 기체인 공기를 제외하고 가연성 가스만을 기준으로 성분 비율을 재환산하면 수소는 20/50으로 40%가 되고 아세틸렌은 30/50으로 60%가 된다.
혼합 가스의 폭발하한계는 각 성분의 분율과 하한값 역수의 곱합의 역수로 계산한다.
폭발범위에 있는 가연성 가스 혼합물에 전압을 변화시키며 전기 불꽃을 주었더니 1,000V 가 되는 순간 폭발이 일어났다. 이때 사용한 전기불꽃의 콘덴서 용량은 0.1μF 를 사용하였다면 이 가스에 최소발화에너지는 얼마인가?
정답 ③ · 콘덴서에 저장된 에너지를 계산하는 공식은 입니다. 주어진 값 , 를 대입하면 가 됩니다.
콘덴서 저장 에너지 공식 E=1/2CV²에 전압 1000V, 정전용량 0.1μF를 대입하여 줄(J) 단위로 계산한 후 밀리줄(mJ)로 변환하면 정답이 됩니다.
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