화염의 과학과 물리학 - 물질과 연소의 기초지식 -

화염의 과학과 물리학 - 물질과 연소의 기초지식 -

 

불이란 무엇인가?

불, 연기, 재

불은 현상

물질과 산소가 결합하는 것을 산화라고 합니다.
이 산화반응이 일정한 조건에서 일어날 때 열과 빛을 냅니다.
이때 우리가 느끼는 빛과 열의 정체는 불, 불꽃입니다. 불은 물이나 철과 같은 고정된 질량을 가진 물질이 아니라 가연성 물질과 산소가 반응하여 열과 빛을 내는 '현상'입니다.

고속의 발열반응을 연소라고 하며, 보통 빛의 발생을 동반합니다. 또한 일반적으로 연소현상 중 연소에 의한 압력상승과 그에 기인한 구조물의 파괴를 일으키는 현상을 (연소에서의) 폭발이라고 부릅니다.
산화반응에서도 철이 녹슬 때와 같이 저온에서 천천히 일어나는 산화는 연소라고 부르지 않습니다.

 

불의 3요소

'불'이라는 현상을 지속하려면 산화 속도를 유지해야 합니다. 그러기 위해서는 산화에 필요한 고온 상태를 유지해야 합니다. 불이 타는 동안 산화 반응으로 생긴 열이 다음 산화 반응을 촉진하는... 이러한 사이클을 반복합니다. 효율적이고 신속하게 가연물을 산화시켜 열을 발생시키는 것이 중요합니다.
결국 가연물이 없어지고, 필요한 산소가 부족해지고, 산화 연쇄에 필요한 열이 빼앗기는 등의 원인으로 불은 기세가 꺾입니다.

불이라는 현상에 필요한 것은

• 산화 반응을 촉진하는 '열'(불이 시작되면 그 자체로 계속 공급할 수 있지만, 강제로 불을 피우려면 보통은 점화원이 필요합니다)
• 산소와 결합하는 '가연물'
• 산화 반응을 일으키는 '산소'

의 세 가지라고 생각할 수 있습니다.

점화원이라는 외부적 요인이 없어도 반응열이 서서히 축적되어 자연 발화(→ 축열과 연소의 관계)가 일어날 가능성도 있습니다.
또한 반대로 생각하면 불의 3요소 중 하나라도 제어(빼앗음)할 수 있다면 이미 발생한 불을 제어(소화)할 수 있게 될 것입니다.

火の3要素: 불의 3요소 熱: 열 可燃物: 가연물 酸素: 산소

 

피어오르는 연기의 정체는?

나무나 종이 등을 태우면 연기가 나옵니다. 도대체 이 연기의 입자의 정체는 무엇일까요?

나무나 종이, 천 등의 유기물은 탄소를 많이 함유하고 있어 가열하면 타기 쉬운 가연성 가스(가연성 기체)가 되어 기화합니다.
가연성 가스는 산소와 결합하여 연소하면서 열과 빛을 냅니다. 이때 산소와 결합하지 않고 기체 상태로 떨어져 나가는 가연성 가스 중에는 차가워지면 액체나 고체의 작은 알갱이가 되는 것이 있어, 이것들이 우리의 눈에 연기로 포착됩니다.
또한 가연성 가스에 포함된 성분에 따라 연기의 색깔도 변화합니다.
한편, 양초를 태울 때 나오는 그을음은 열을 가했을 때 가연성 가스 속에서 생긴 알갱이가 식어서 생긴 연기로, 주로 탄소로 구성되어 있어 검게 보입니다.

화재 시에 나오는 연기는 여러 가지 가연성 물질에서 발생한 유독가스를 포함하고 있어 매우 위험합니다.

남은 재는 무엇일까?

유기물의 연소 후 타다 남은 재, 숯 등은 밖으로 나갈 수 없게 남아버린 물질의 집합체입니다.

종이를 태울 때 생기는 흰 재는 유기물에 포함되어 있거나 열에 의해 새로 생긴 타기 어려운 물질입니다.

 

'촛불'에 직접 불이 붙을까요?

불의 3요소를 고려하여 촛불이 타는 모습을 관찰해 봅시다.

고체 왁스

촛불에서 심지를 뺀 것에 성냥불을 가까이 대도 불이 붙지 않습니다.
촛불은 가연성 물질을 포함하고 있으며 공기 중에는 산소가 많이 있습니다.
성냥불로 열을 가해도 마찬가지입니다. 그렇다면 왜 불이 붙지 않을까요?

→점화원의 성냥의 열이 고체로 빠져나가 일부가 액체로 변하지만, 왁스의 온도가 올라가지 않아 왁스의 증기를 충분히 발생시킬 수 없어 점화에 이르지 못합니다.

 

액체 왁스

열을 가해 미리 액체로 만든 왁스는 어떨까요?
액체 왁스에 성냥불을 가까이 대도 금방 불이 붙지 않습니다.
왜 금방 불이 붙지 않을까요?

→ 고체일 때와 마찬가지로 성냥불의 열이 액체 왁스로 빠져나가 충분한 증기를 발생시킬 수 없기 때문에 불이 붙지 않습니다.

기체 왁스

기체 왁스는 어떨까요? 왁스에 열을 가해 기화시켜 불이 붙는지 실험해 봅니다.

1. 플라스크에 왁스를 넣고 유리관을 통과시킨 고무마개를 닫고 플라스크의 바닥을 버너로 가열한다.
2. 열에 의해 액체가 된 왁스가 더 가열되어 기화(일부는 식어 왁스 연기 입자가 되어 떠다닌다)
3. 기체가 되어 부피가 증가했기 때문에 압력이 높아진 플라스크 내부에서 유리관을 통해 밖으로 계속 밀려나온다.
4. 유리관 입구에서 나온 기체에 가열되어 빨갛게 된 니크롬선을 가까이 대면

그러면 기체는 불꽃을 일으키며 힘차게 타오릅니다.

이로부터 초가 타기 위해서는 고체>액체>기체로의 상태 변화가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 다음으로 초에 불이 붙는 원리를 구체적으로 살펴봅시다.

초에 불이 붙는 원리-기상 연소-

초 심지는 모세관 현상에 의해 가열되어 액체가 된 밀랍을 조금씩 빨아들입니다.

고체나 액체 왁스와 달리 흡입된 왁스의 양이 적기 때문에 점화원(성냥)의 열로 왁스 증기를 발생시킬 수 있어 불이 켜집니다.

흡입된 액체 왁스는 심지에 붙은 불꽃에 의해 더 많은 열이 가해져 기화됩니다.

기화된 왁스는 불꽃의 열에 의해 차례로 산소와 결합하여 산화됩니다. 이것이 기상 연소입니다.
그리고 열과 빛을 만들어 냅니다.
이때 완전히 산화되지 않은 부분은 그을음으로 밖으로 흘러나갑니다.

 

• 気化した炭化水素が燃えて発生した二酸化炭素
  → 기화된 탄화수소가 연소하여 발생한 이산화탄소
• 気化したリキッドが冷やされてできた液
  → 기화된 액체가 냉각되어 생성된 액체
• リキッド（固体→液体）
  → 액체 (고체 → 액체)

이 이미지는 증류나 연소 과정을 설명하는 실험 장치로 보이며, 연료 또는 화학 물질의 증발과 연소, 냉각 과정이 어떻게 이루어지는지를 시각적으로 나타낸 것입니다.

 

위험! 고열로 가열된 물질이 불씨로!

축열과 연소의 관계

“불의 3요소"가 갖추어지면 불씨가 없어도 연소가 일어날 수 있다는, 발화의 친밀한 예를 들어 보겠습니다.

음식점에서 쓰레기통에 버려진 튀김 찌꺼기나 기름을 흡수시킨 탈지면 등이 원인으로 화재를 일으킬 수 있습니다. 축열에 의한 발화가 원인으로 생각됩니다.

사례: 심야에 타오르는 쓰레기통의 괴담

튀김 기름을 이용하는 음식점에서 폐점 후 점원이 조리에 사용한 후 튀김 기름을 흡수시킨 천을 쓰레기통에 버리고 청소를 마친 후 귀가합니다.

 

• 油の酸化 → 기름의 산화
• 発熱 → 발열
• 蓄熱 → 열 축적
• 発火 → 발화

이 이미지는 기름이 산화되면서 자연적으로 발화하는 과정을 설명하는 것으로 보입니다. 특히 폐기된 기름걸레나 음식물 쓰레기 속 기름이 산화되면서 열이 발생하고, 일정 온도가 넘으면 자발적으로 불이 붙는 현상(자연 발화, spontaneous combustion)을 경고하는 내용으로 해석됩니다.

 

기름의 자연 발화 과정

1. 산화의 가속화
   • 보통 사용 전의 기름은 병에 담겨 있으며, 공기와 접촉하는 부분은 표면뿐이라 산화가 느리게 진행됨.
   • 하지만 기름이 신문지 등에 흡수되어 버려지면 공기와 접촉 면적이 커져 산화가 빠르게 진행됨.
   • 게다가 쓰레기통 내부는 통기성이 나빠서, 산화로 발생한 열이 쉽게 방출되지 않음.
2. 발화 과정
   • 아직 식지 않은 기름이 내부에서 열을 발생시키고, 라드(돼지기름)나 대두유에 포함된 불포화지방산이 쉽게 산화됨.
   • 산화가 진행될수록 더 많은 열이 발생하며, 산화 속도가 가속됨.
   • 발생한 열이 방출되는 양보다 많아지면 내부 온도가 점점 상승.
   • 결국 몇 시간 후 발화점에 도달하여 불이 붙음.
3. 화재로 발전
   • 열 + 가연물(기름) + 산소 → 불이 나기 위한 **'화재의 3요소'**가 충족됨.
   • 한 번 불이 붙으면 고온을 유지하며 빠르게 큰 불로 번짐.
   • 사람이 없는 심야에 쓰레기통에서 화재가 발생할 가능성이 높음.

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예방 방법

• 기름이 묻은 쓰레기는 밀폐 용기에 보관하여 공기와의 접촉을 차단.
• 쓰레기통에 버리기 전에 완전히 식힌 후 처리.
• 수분이 포함된 환경에서 산화 속도가 더 빨라질 수 있으므로, 기름 걸레나 신문지는 개방된 공간에서 충분히 말려야 함.
• 쓰레기통은 통기성이 좋은 곳에 두고, 정기적으로 비우는 것이 중요.

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결론

기름이 자연 발화할 수 있다는 점을 인식하고, 특히 기름걸레·폐식용유를 안전하게 처리하는 습관이 필요함. 사용 후 남은 기름을 그냥 버리면 몇 시간 뒤에 화재로 이어질 수도 있으므로, 반드시 밀폐 용기에 넣거나 충분히 식힌 후 버려야 함.

 

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