화재의 진행단계

구획실 화재를 화재가 진행될 때, 발생하는 현상 및 단계를 발화기 (Incipient)→성장기 (Growth)→플래시오버 (Flashover)→최성기 (Fully developed)→쇠퇴기(Decay)로 구분합니다. 이번 시간은 위 내용을 자세히 설명하여 화재가 어떻게 진행되는지 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 발화기

발화기는 화재의 4요소들이 서로 결합하여 연소가 시작될 때로 불꽃이 생기고 연기가 발생하지만 화재가 완전히 확산하지 않은 상태입니다. 발화의 물리적 현상은 스파크나 불꽃에 의해 유도되거나 자연발화처럼 마그네슘과 같은 금속 물질이 자체의 열에 의해 발화점에 도달하기도 합니다. 발화 시점에서 화재는 범위가 제한적이고, 연기와 열은 미미하지만, 빠르게 증가할 수 있습니다.

 

2. 성장기

발화가 일어난 직후로써 화재가 본격적으로 확산하기 위해 시작하며, 화재의 세기가 급격히 커지고 연소하는 가연물 위로 열과 연기가 강하게 발생하기 위해 시작합니다.

최초 발화된 가연물의 화재가 커질 때, 성장기의 초기는 개방된 곳에서 발생한 화재와 유사한 면이 있지만, 개방된 곳에서 화재와 달리 구획실 화재는 밀폐된 공간을 구성하는 벽, 천장, 장식품 및 공기의 양 등에 의해 화재의 진행 속도에 영향을 미칩니다. 따라서 다음은 실내 화재에 영향을 미치는 요인에 대해 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

첫 번째 영향은 화염 속으로 끌어드리는 공기의 양입니다. 화염이 커짐에 따라 대류현상으로 인해 뜨거운 공기는 밀도가 낮아져 위로 상승하고, 그 빈 곳을 채우기 위해 더 많은 차가운 산소가 아래쪽에서 끌어들이기 위해 시작합니다. 공기는 화재에 의해 생성된 뜨거운 가스보다 차갑기 때문에 화염이 갖고 있는 온도에 대해 냉각 효과를 가집니다.

다음으로 구획실의 벽, 장식물 등과 관련된 가연물들의 위치입니다. 실내의 가연물들 위치는 흡입되는 공기의 양과 차가운 공기에 의한 냉각 효과의 정도를 결정합니다. 벽 근처에 있는 가연물들은 비교적 적은 공기를 흡수하고, 보다 높은 화염온도를 지닌다. 구석에 있는 가연물들은 더 적은 공기를 흡수하고, 화염온도가 더 높아집니다. 이러한 가연물의 위치에 따른 흡입되는 공기의 양과 화염의 온도는 화염 위에 생성되는 뜨거운 가스층의 온도에 영향을 미칩니다. 뜨거운 가스가 상승하면서 천장에 부딪히게 되고, 점차 가스는 구획실의 벽에 진행이 막힐 때까지 계속 퍼집니다. 벽에 도달한 후에는 가스층이 아래로 두꺼워지기 위해 시작합니다. 화재가 성장하면서 천장 부분에 있는 가스층의 두께가 두꺼워지고 온도가 높아짐에 따라 구획실 내의 전반적인 온도는 상승합니다.

이 시기의 구획실 온도는 가스가 구획실 천장과 벽을 통과하면서 생성된 열의 양과 최초 가연물의 위치 및 공기 유입량 등에 의해 결정됩니다. 즉, 화염의 중심으로부터 거리가 멀어지면 가스의 온도가 내려가게 됩니다. 그리고 가연물과 산소가 충분하다면 성장기는 지속될 것이고, 이러한 구획실 화재는 가연물에 따라 화재의 성상이 결정되므로 가연물에 의해 통제된 상황입니다.

 

3. 플래시오버 (Flashover)

플래시오버는 성장기와 최성기로 변화하는 시기에 발생하며 발화와 같은 현상이 아니라, 구획실 내의 처음 발화된 물질의 연소가 지배적인 상태에서 열이 축적과 복사열 증가로 이어집니다. 다시 말해 벽, 천장, 가연물들이 열을 흡수하여 온도가 높아집니다. 그리고 복사열이 주변 가연물에 전달된 후, 내부의 모든 가연물이 거의 동시에 폭발적으로 발화하는 현상입니다. 즉, 구획실의 바닥, 벽, 천장에 있는 가연물들이 한꺼번에 높은 온도에 도달하여 갑자기 불이 붙어 구획실 내부의 상태가 매우 빠른 속도로 변화하는 시기입니다. 이러한 현상이 일어나는 이유는 방 안의 온도와 복사열이 일정 수준 이상으로 올라가면 가연물들이 거의 동시에 발화할 수 있는 임계점에 도달하기 때문입니다. 이에 따라 화재가 급격히 확산되어 진압이 매우 어려워지고 위험성이 높아지는 최성기에 도달하게 됩니다.

 

4. 최성기

최성기는 구획실 내의 모든 가연성 물질이 화재의 영향을 받아 구획실 내에서 연소하는 가연성 물질들은 이용할 수 있는 가연물들이 화염과 열을 최고조로 발산하고, 가연성 가스 또한 많이 발생합니다. 발산되는 연소 생성 가스의 양과 뜨거운 열은 구획실의 배연구 또는 환기구의 수와 크기에 따라 공기의 유입량이 달라집니다. 구획실 연소에서는 산소공급이 잘되지 않으므로 많은 양의 연소하지 않은 가스가 생성되고, 연소하지 않은 뜨거운 연소 생성 가스는 발원지에서 인접한 공간이나 구획실로 흘러 들어가게 됩니다. 이후 구획실 내부에 풍부한 양의 산소가 유입되면 발화가 일어나게 됩니다.

 

5. 쇠퇴기

화재가 구획실에 있는 이용 가능한 가연물을 소모하게 됨에 따라, 화재가 점차 약화되고, 연소가 멈추거나 줄어드는 단계입니다. 이 시기에는 화염이 작아지고, 온도와 연소 생성물의 양이 감소하며, 화재가 진정되는 모습이 나타납니다. 더 이상의 구획실의 가연물이 추가 유입되지 않는다면 화재는 멈추거나 점차 약화되어 구획실 내 온도는 내려가게 됩니다. 타다 남은 잔화물은 일정 시간 동안 구획실의 온도를 어느 정도 높일 수 있고, 아직 불이 붙어 있으므로 적은 열로 재발화할 수 있습니다. 소화 후 남아있는 가연물을 철저히 제거하거나 냉각시켜 재발화 가능성을 낮춥니다. 전기 설비가 있는 곳이라면 전기 누전이나 스파크 등 점화원 제거 또는 차단이 필요합니다. 화재를 진압한 소방대원들은 모두 철수하는 것이 아니라, 화재 진압 후에도 일정 기간 감시를 계속하여 재발화를 방지해야 합니다.

 

연소와 소화가 일어나는 과정에서 가연물의 질량이 줄어들기 때문에 줄어든 질량은 지구상에서 사라질까요? 그리고 화재가 진압되면서 꺼진 불이라는 에너지는 영원히 사라지게 되는 것일까요? 위 질문에 대한 답을 질량-에너지 보존의 법칙을 통해 알아보도록 하겠습니다.

 

질량-에너지 보존의 법칙

불은 가연물을 소비하므로 가연물의 질량은 감소하게 되지만 질량 및 에너지는 한 상태에서 다른 상태로 변화될 수 있으나, 전체적인 총량은 일정하게 유지됩니다. 반대로 에너지의 형태의 운동 에너지, 위치 에너지, 열에너지, 빛 에너지 등 다양한 형태로 존재하며, 이들 또한 질량으로 변환이 가능합니다. 즉, 질량 및 에너지는 별개로 존재하는 것이 아니라 서로 상호 변환할 수 있으며, 생성되지도 파괴되지도 않습니다. 이 법칙은 소방학뿐만 아니라 모든 과학 분야에 있어서 기초가 됩니다.

 

(화재 현장에서 활동하는 소방대원들은 최초상황판단이나 전술을 수립하기 위해 화재의 진행 단계라는 개념을 더욱 유의해야 합니다. 화재 현장에 연소할 가연물이 많으면 많을수록 더 많은 양의 에너지가 화염과 열의 형태로 발산하여 위험에 노출될 가능성이 더 커지게 되며, 화재를 진압하기 위해서 더 많은 물, 화학포 등의 소화약제가 필요합니다.)