연소의 3(4)요소 및 소화의 원리

연소는 물질이 산소와 급격한 화학반응을 일으켜 열과 빛을 내는 강력한 산화반응 현상이며 연료(가연물), 산소(공기), 점화원(발화원) 등 세 가지 요소가 동시에 있어야만 연소가 이루어질 수 있어 이를 ‘연소의 3요소’라고 한다.
불이 연속적으로 타오를 수 있는 요소로서 지속적인 점화와 연소를 연결시켜주는 ‘연쇄반응’을 추가하면 이때에는 ‘연소의 4요소’ 또는 ‘연소 사면체’라고 부른다.

 

 

 

연소의 3(4) 요소 및 소화의 원리

연소/화재/폭발 개념

연소, 화재, 폭발(연소 폭발) 폭발(연소 폭발)은 모두 산화반응이다. 산화반응이란 산소가 아닌 분자가 산소와 화학적으로 결합하는 것을 말한다. 예를 들어 철이 녹이 나는 것, 또는 종이가 누렇게 변색이 되는 것 등도 산화반응의 일종인데 이들은 산화반응이 천천히 일어나는 것이고 연소는 본질적으로 산화라는 측면은 같지만 빠른 속도로 진행되어 빛과 열을 발생한다는 점이 다르다.

즉 연소라는 것은 “에너지 방출속도가 느린 빛과 열을 수반하는 급격한 산화반응”으로 정의된다.

이것보다 더 반응이 빨라지면 빛과 열뿐만 아니라 압력까지 발생하는데 이를 폭발이라고 부른다. 예를 들어 누출된 가스가 연소범위 내로 적절히 혼합되어 있을 때 점화원이 주어진다면 이러한 연소 폭발이 일어난다.

즉 폭발이라는 것은 “에너지 방출속도가 빠른 압력을 수반하는 급격한 연소반응”으로 정의할 수 있다.

철이 녹스는 것은 고체 표면의 산화반응이고 연소반응에 의해 눈으로 관찰되는 불꽃과 화염은 기체의 산화반응이기 때문에 나타나는 모습은 전혀 다르다. 즉 이러한 차이는 산화되는 물질의 상(phase)이 다르기 때문에 나타나는 모습이다.

이와 연관되어 '가스(기체)와 분진(고체)은 있는데, 액체에 해당하는 방폭은 왜 없을까?'라는 이해가 필요하다. 액체는 액체 그 자체가 아닌 주로 증기(Vapour)의 형태로 가스와 함께 다룬다. 이때에 사용되는 것이 바로 인화점(flash point)이라는 개념이고, 액체는 온도가 올라감에 따라 기체로 증발되는 부분이 있고 이를 증기라고 한다. 가연성 액체에 화염을 접근시켰을 경우에 연소가 일어나기 위해서는 충분한 만큼의 증기가 있어야 하는데, 그 필요한 만큼의 증기를 발생시킬 수 있는 최저온도를 인화점이라고 한다. 방폭에서 기준이 되는 인화점은 37.8 도로, 인화점이 37.8℃보다 낮다면 가연성 액체(Flammable Liquid)라고 하고, 37.8℃ 보다 높으면 인화성 액체(Combustible Liquid)라고 한다.

 

 

다음의 연소 형태에 대한 개념도를 참조하기 바란다.

 

<그림 1> 연소 형태에 대한 개념도

 

반면에 “화재”란 사람의 의도에 반하거나 고의에 의해 발생하는 연소현상으로서 소화시설 등을 사용하여 소화할 필요가 있는 현상을 말한다. 또한 미국 USFA, National Fire Incident Reporting System 실무서에서는 파괴적이고 통제되지 않는(destructive and uncontrolled) 가연성 고체·액체·기체의 연소(burning)를 말하며 폭발을 포함한다.

 

 

연소 3(4) 요소 및 소화 원리

연소는 물질이 산소와 급격한 화학반응을 일으켜 열과 빛을 내는 강력한 산화반응 현상이며 연료(가연물), 산소(공기), 점화원(발화원) 등 세 가지 요소가 동시에 있어야만 연소가 이루어질 수 있어 이를 ‘연소의 3요소’라고 한다.

연소현상은 상징적으로 삼각형을 그려 표현하기도 한다. 즉 세 변(요소) 중(요소) 한 변(요소)이라도 없으면 삼각형(연소)이 만들어지지 않는다.

물질에 따라서는 산소가 없어도 연소가 일어나는데 이때에는 가연물 자체에 산소가 포함되어 있기 때문이다.

연소의 3요소는 연소가 되기 위한 기본적인 조건이며, 연소가 지속되기 위해서는 계속하여 충분한 열과 가연물이 공급되어야 한다. 즉, 외부로부터 에너지를 가하지 않아도 자체적으로 반복하여 열과 가연물을 공급하는 연쇄반응이 필요하다. 불이 연속적으로 타오를 수 있는 요소로서 지속적인 점화와 연소를 연결시켜주는 ‘연쇄반응’을 추가하면 이때에는 ‘연소의 4요소’ 또는 ‘연소 사면체’‘연소 사면체’라고 부른다.

즉 ‘연소의 4요소’는 불이 날 수 있는 조건과 불을 끄기 위한 원리를 제시하고 있다.

소화 원리는 연소의 반대 개념으로 연소의 4요소를 적정하게 통제 또는 차단함으로써 이루어진다. 실제 상황에서는 다음에 열거하는 소화 원리가 하나 또는 둘 이상이 일어나서 소화작업이 이루어진다.

 

 

다음의 Fire Triangle 그림을 참조하여 이해에 도움을 받기 바란다.

 

<그림 2> 연소 3요소(Fire triangle)