화재의 성상 2

1. 화학적 반응
물질이 한 상태에서 다른 상태로 변하거나 새로운 물체가 생성될 때, 이러한 변화로 인해 물질이 상변화가 일어나 물리적 변화가 발생합니다. 즉, 액체인 물이 얼어서 발생하는 상변화는 물의 특성이 변한 것이 아니므로 화학적 구성의 변화 없이 물리적 변화만 일으킨 것입니다.
반면, 물체가 상이한 물리적·화학적 특성을 가진 새로운 물체로 변형될 때는 물리적 변화보다 복잡한 반응들이 발생하는데 이러한 변화를 화학적 변화라 합니다. 예를 들어 수소(2H⁺)와 산소(O²⁻)가 결합하여 새로운 화학적 특성을 가진 물(H₂O)을 형성할 때 발생하는 변화는 화학적 변화라 합니다. 
화학적 변화 및 물리적 변화는 에너지 교환을 포함합니다. 물질이 변환될 때는 에너지를 발산하는 반응을 발열반응이라 하며, 에너지를 흡수하는 반응을 흡열반응이라 합니다. 가연물이 공기 중에 연소하게 되면 가연성가스는 공기 중에서 화학적으로 산소와 반응하게 되고, 열에너지 및 빛 에너지가 발열반응이라 하고, 액체에서 수증기인 기체 상태로 상변화하는 물은 에너지가 필요하므로 흡열반응이 일어납니다.

다음으로 설명할 화학적 반응은 산화입니다. 산소가 풍부한 지구상에서 비교적 보편적인 일어나는 화학현상은 산화입니다. 산화는 지상에서 발견되는 많은 요소와 산소의 화학적 결합으로 이루어집니다. 대기 중 21%가 산소로 구성되어 있는 산소는 지구상에서 가장 보편적인 요소 중의 하나이며, 산화는 발열반응을 하므로 에너지를 발산합니다. 산화반응의 예시는 음식의 부패 및 발효, 배터리의 작동, 철이 녹스는 것 등이 있습니다. 여러 예시 중 산소와 철이 결합하게 되면 녹이라고 불리는 붉은 화합물을 생성하게 되고, 발열 과정에서 열을 생성합니다. 일반적인 과정에서 발생하는 녹은 매우 느리고, 발산하는 열은 녹이 발견되기 전에 축적되지 않고 사라집니다. 만약 한정된 공간에서 인위적으로 빠르게 녹이 생성되게 하여 열이 소멸하지 않는다면, 이때 산화과정은 한정된 공간 내의 온도를 증가시키게 됩니다.
퀴즈를 하나 내보도록 하겠습니다. 철에 녹이 생성되는 것은 무조건 좋지 않은 것일까요? 정답은 아닙니다. 일부 공정에서는 녹이 생기기 전에 표면을 처리하거나, 녹이 생기기 시작하는 단계에서 적절한 방청 처리를 통해 더 강한 보호층을 형성할 수 있습니다.

2. 열전달(전도, 대류, 복사)
열전달은 열이 한 물체에서 다른 한 물체로 전달되고, 그 두 물체는 서로 다른 온도로 존재해야 따뜻한 물체에서 상대적으로 차가운 물체로 열의 이동이 발생합니다. 즉, 열이 전달되는 비율은 물체 간의 온도의 차이와 밀접한 연관성이 있고, 물체 간에 온도의 격차가 크면 클수록 열 전달율 또한 더욱 커지게 됩니다.
한 지점의 물체에서 발생한 불이 다른 지점이나 물체로 열 전달되는 과정은 처음 불이 붙은 가연물에서 화재 발생지역 내 또는 그 밖의 다른 구역의 가연물로 열전달하여 화재의 성장에 영향을 미칩니다. 이러한 화재의 열전달 현상을 관측하여 화재의 크기와 불길의 이동방향, 최초발화지점 등을 측정하고 효율적인 화재진압을 하기 위하여 열 전달과정에 관한 지식이 필요합니다. 다음으로는 열전달에 필요한 지식인 전도, 대류, 복사에 관해 배워보도록 하겠습니다.
 
-전도(Conduction)
어떤 금속 막대기의 끝이 화염에 의해 가열되면 열은 막대기 전체로 전달됩니다. 이러한 에너지의 전달은 물체 내의 원자의 활동성이 증가하기 때문입니다. 열이 막대의 한 끝에 전달되면 그 끝부분에 있는 원자들은 주변에 있는 원자들보다 더 빠르게 움직이기 시작합니다. 이러한 움직임은 원자들 간에 충돌을 증가시키는 원인이 되고, 에너지는 충돌 시 부딪치는 원자로 전달되어 에너지는 열의 형태로 막대기 전체로 전달됩니다. 일반적으로 모든 화재의 초기 단계에 있어서 열의 전달은 거의 전적으로 전도에 의해 발생합니다. 이후 화재가 성장하면서 뜨거운 가스는 발화원에서 떨어져 있는 가연성 대상물체로 이동하게 되고, 전도는 다시 열을 전달하는 요인이 됩니다. 건물을 구성하는 가연성 건축자재 또는 기타 가연물들과 직접적으로 접촉하는 가스의 열은 전도를 통해 대상물체로 열전달이 일어납니다. 

-대류(Convection)
화재가 성장하기 시작할 때, 그 주변의 공기는 전도에 의해 가열되어 그 공기와 연소 물질은 뜨거워지고, 손을 화염 위에 올려놓게 되면 손이 불에 직접적으로 닿지 않더라도 뜨거운 열을 느낄 수 있습니다. 화염에 직접 닿지 않았는데 어떻게 뜨거움을 느낄 수 있을까요? 그 이유는 열이 대류에 의해 손으로 전달되게 됩니다. 즉, 대류는 가열된 액체나 기체가 움직이며 열에너지로 전달됩니다. 열이 대류에 의해 전달될 때, 유동성을 갖는 액체나 기체는 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 열이 움직이거나 순환합니다.
환풍기와 같은 외부 힘을 이용해 뜨거운 가연성 가스를 외부로 배출하여 화재진압에 이용할 수 있지만, 공기를 주입하여 강제 대류현상이 일어나게 하면 유동성을 가진 액체나 기체의 인위적인 움직임으로 인하여 열을 전달이 잘 일어나게 하여 화재의 성상을 더 크게 만들 수 있습니다.

-복사(Radiation) 
복사는 중간 매개체의 도움 없이 발생하는 전자파(광파, 전파, 엑스레이 등)에 의한 에너지의 전달을 뜻합니다. 복사는 전자파의 움직임이므로 그 에너지는 빛의 속도로 직선으로 이동하고, 모든 따뜻한 물체는 열을 발산합니다. 복사에 의한 열전달의 대표적인 예로는 태양열이 있습니다. 태양열 에너지는 빛의 속도로 태양에서 공간을 통과하여 지표면을 따뜻하게 합니다. 복사는 대부분의 노출 화재의 원인이 되고, 화재가 더 커지게 되면 열의 형태로 점점 더 많은 에너지를 발산하게 됩니다. (노출 화재: 화재가 발생한 건물이나 가연물들로부터 떨어져 있는 건물이나 가연물들에 점화되는 화재)
대형 화재가 발생하게 되면 어느 정도 떨어져 있는 주변의 건물이나 가연물들이 복사열에 의해 발화되는 것이 가능하게 되며, 화재진압을 위해 배치한 소방차들 또한 복사열에 의해 손상이 발생하므로 자체를 보호하기 위해 차량 주변에 분무하는 행위인 차량 보호용 분무가 필요합니다. 또한 복사에 의해 전달되는 열에너지는 일반적으로 전도나 대류를 방해하는 대기나 진공상태를 통과하여 이동하고, 복사에너지를 반사하는 물질들은 열의 전달을 방해합니다.