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火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)

最後更新日期: 2022-01-09

火 對於我們的生活可說是非常重要,它能帶給我們光明、溫暖、熟食等好處,但也會因為縱火、使用不慎而造成火災、爆炸等損失,因此我們對於火可說是又愛又恨。不過我們也不能因噎廢食,覺得火很可怕就不用它,反而我們應該更瞭解它,讓它變成我們得力的助手,因此今天我們就來深入聊一下火的一生

這篇文章的內容除了引用陳弘毅火災學的書籍內容外,也參考美國消防協會(National Fire Protection Association, NFPA )、美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST )、美國職業安全與健康管理局(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)的網路公開資料,我會直接把國外資料翻譯成中文的內容,有興趣的話也可以直接點連結查看原文喔!

延伸閱讀:
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三等特考消防化學怎麼讀?從這 4 個方向準備能讓你得到更高分

火的起源

Fire」一詞可以被翻譯成「」、「火災」、「燃燒」等。它的定義有很多種,我們以NFPA 921的定義來看

NFPA 921:A rapid oxidation process, which is a chemical reaction resulting in the evolution of light and heat in varying intensities

一個快速的氧化過程,是一種化學反應,會產生不同程度的光和熱

在國中的時候我們就學過所謂的氧化反應,最簡單易懂的解釋方式是,物質與氧氣結合產生反應並放出熱,例如鐵放在空氣中會慢慢生鏽,這就是一種氧化反應。燃燒其實就是一種反應快速的氧化反應,爆炸則是比燃燒反應更快速的氧化反應

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燃燒四面體(Fire Tetrahedron)

早期大家認為燃燒必須包含三個要素:可燃物(Fuel)、助燃物(Oxygen)、能量(Energy),也就是燃燒三角形(Fire Triangle)。經過後來的研究,大家才發現要維持燃燒持續進行,還必須包含重要的第四個要素連鎖反應(Chain Reaction),也就是燃燒四面體(Fire Tetrahedron)

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連鎖反應的機制比較複雜,因此一般如果要簡化說明或對民眾宣導,就會採用燃燒三角形的說法,在深入討論燃燒機制的研究文章中,則會以燃燒四面體來深入討論

可燃物指的是能與氧氣(助燃物)結合進行放熱化學反應的物質。火災學給出一個更精準的定義,「可燃物必須能與氧化合,當其氧化之際,需具有100 Kcal/mole以上之發熱量,且熱傳導度約在0.001 Kcal/cm˙sec˙°C」。物質是否可燃除了燃燒熱外,也跟熱傳導度有關,熱傳導度愈小愈易燃。氣體熱傳導度最小、最易燃,液體、非金屬固體次之,金屬熱傳導度最大、最難燃

燃燒在一般狀況下,助燃物通常是氧氣。氧氣本身不可燃只能助燃,空氣中氧氣的體積濃度約是21%、重量濃度是23.5%,如果空氣中氧氣的體積濃度低於15%會導致火勢熄滅。除了氧氣以外其他氣體也可以當作助燃物,例如氫氣在氯氣中燃燒,此時可燃物是氫氣、助燃物是氯氣。為了方便解說,以下統一用「氧氣」來代表助燃物

同樣是國中就學過的觀念,我們知道一個化學反應要能進行,必須先提供一個活化能(Energy of Activation),要提供這個能量的方法有很多,通常都是提供熱能(火焰加熱、靜電火花、斷熱壓縮、自然發火等)。當提供可燃物一定的活化能後,會短暫形成一個活化錯合物(Activated Complex),之後高能量的粒子互相碰撞產生反應、放出熱量,這就是燃燒所謂的「放熱的化學反應

連鎖反應是一連串的化學反應,會經過起始步驟(Initiation Step)、傳播步驟(Propagation Step)、終止步驟(Termination Step)。當反應經過起始步驟後,不需要再另外提供能量,就可以重複進行傳播步驟、完成整體反應,這是燃燒能夠持續的主要關鍵。而燃燒過程中產生的氫自由基(H˙)、氫氧自由基(OH˙)就是促進連鎖反應的因素,下面是一個最簡單的連鎖反應:

  • 起始步驟:Cl2 + hv(能量) → 2 Cl˙
  • 傳播步驟:H2 + Cl˙ → HCl +
  • 傳播步驟 + Cl2 → HCl+ Cl˙
  • 終止步驟:H˙ + Cl˙→ HCl
  • 終止步驟:H˙ + H˙→ H2
  • 終止步驟:Cl˙ + Cl˙→ Cl2

起始步驟中產生的 Cl·可以和 H2 反應生成 H·,而 H·又可與 Cl2 反應生成Cl·,傳播步驟會不斷循環,使反應能持續進行,直到2個Cl·結合成Cl2、2個H·結合成H2,或Cl·與H·結合成HCl,才會使反應終止

延伸閱讀:2022 最新!你要的火災學重點都在這裡(再不看就晚了)

燃燒的真面目

雖然可燃物的種類非常多,固體、液體、氣體都有,例如木材、油類、氫氣、金屬等,但真正在燃燒的其實大部分都是可燃性氣體

大部分的固體(木頭、紙張、塑膠等)遇熱都會分解出許多可燃性氣體,例如氫氣一氧化碳甲烷丙烷氨氣等。這些被分解出來的可燃性氣體與空氣中的氧氣混合,濃度達到燃燒範圍後,提供一定的熱能就會發生燃燒,這種狀況被稱為分解燃燒

大部分的液體(酒精、油類等)表面受熱後也會蒸發出這些可燃性氣體,事實上是這些可燃性氣體在燃燒,而不是液體本身在燒,這種狀況被稱為蒸發燃燒。另外,有些固體受熱後不會直接分解出可燃性氣體,而是先熔化成液體後再氣化成氣體燃燒,例如硫、磷等。有些固體則會直接昇華成氣體燃燒,例如奈丸、樟腦

不過當然也是有固體本身燃燒,例如木炭、鐵、銅等可燃性固體,受熱後不會分解出可燃性氣體,氧氣會直接在這些固體表面結合燃燒,這種狀況被稱為表面燃燒,也被稱為無焰燃燒,因為氣體燃燒才會有火焰,表面燃燒不會有火焰

固體還有2種特殊燃燒型式自己燃燒固體爆炸。硝化棉、賽璐珞、硝化甘油等硝酸酯類,其成分中本身就帶有氧氣分子,不需要依賴外界的氧氣就能自己燃燒,燃燒速度快,一般多以爆炸型態呈現

有些第五類公共危險物品(自反應物質及有機過氧化物)一遇到熱或撞擊,就會產生激烈的反應、發生爆炸,即所謂的固體爆炸。另一種固體爆炸的特殊形式則是粉塵爆炸,有關粉塵爆炸的解說可以參考我的另外一篇文章。我將所有燃燒的形式整理成下面這張圖,大家可以清楚地看出燃燒的真面目

延伸閱讀:粉塵爆炸是什麼?看完這篇文章你就懂了

火的發展

有關火災發展階段、成長曲線的說明,CTIF(The International Association of Fire & Rescue Services)UL FSRI (Firefighter Safety Research Institute)這兩個單位有給予更詳細的解說

傳統火災成長曲線(Fire Development Curve)

以往都認為火災的發展分為四個階段:初期成長期全盛期衰退期。熱釋率(Hear Release Rate, HRR)的發展過程如下圖,並且認為閃燃會發生在成長期,是成長期到全盛期之間的過渡

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這張圖描述的火災成長過程並沒有錯,但必須有一個很大的前題氧氣充足。一場火災最容易因為可燃物不足氧氣不足而熄滅,例如在室外發生火災時氧氣充足,火勢只會因為愈來愈多的可燃物被引燃而擴大,也會因為愈來愈多可燃物燃燒殆盡而熄滅,這時控制火勢大小的因素是燃料,這種狀況被稱為燃料控制燃燒(Fuel Control, FC)。傳統的火災成長曲線就是針對燃料控制燃燒的火災所得出的結果

延伸閱讀:火場鑑識怎麼進行?教你用氣相層析質譜儀(GC-MS)鑑識火場殘跡

建築物火災成長曲線

如果火災發生在建築物內,通風不良、氧氣不充足,再加上現在的傢俱燃燒速度很快、耗氧量大,火災成長的過程中如果把建築物內的氧氣耗盡,火勢會逐漸變小,等到有額外的空氣再進來時才會繼續燃燒。這時控制火勢大小的因素就變成氧氣,也就是通風,這種狀況就被稱為通風控制燃燒(Ventilation Control, VC),火災成長曲線變成下面這張圖

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在建築物內發生火災時,初期燃料逐漸被引燃、火勢逐漸成長,這時是燃料控制燃燒。當火災成長到一定程度後,建築物內的氧氣被消耗殆盡,缺氧環境下使得火災無法繼續成長、熱釋率下降,這時是通風控制燃燒。火災後期則因為原本在燒的物體已經燃燒殆盡,沒有更多的燃料被引燃、火勢逐漸熄滅,這時又變回燃料控制燃燒

在通風控制燃燒階段如果有開口產生,通風會使氧氣進到建築物內,這時又滿足燃燒四面體,火勢會再度擴大燃燒。因此修正後的建築物火災成長曲線應該畫成下面這樣

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在通風控制燃燒時期會製造開口的原因,例如消防員為了進入室內搶救而破窗破門,建築物窗戶燒破、建築物天花板燒塌等。由此可知,消防員搶救的作為可能反而使火勢更加擴大,因此在執行破窗、破門任務前一定要先確認火勢的燃燒狀況,避免破門後進入室內突然遇到火勢擴大燃燒

上面這部影片可以看到,0:10秒處1名消防員發現有火舌竄出,0:17處開始他決定將火舌左邊的窗戶全部打破,可能是要創造開口讓建築物內部的煙排出。0:35秒處他將全部的窗戶都打破,建築物內部的煙確實也因此大量排出

但你可以注意0:26秒處,在一半的窗戶被打破以後,原本只有從下面開口竄出的火舌開始從上面的開口也竄出,這代表火勢已經有擴大的趨勢。最後在0:47秒處可以看到建築物內部的火勢瞬間擴大燃燒,從被打破的窗戶竄出,如果這些窗戶沒有被打破或許就不會讓火勢擴大燃燒

許多文獻指出,通風後的火勢擴大燃燒有可能會導致閃燃發生,這種狀況被稱為通風誘發閃燃(Ventilation Induced Flashover)

上面這段影片就是通風誘發閃燃的狀況。1:05秒處可以看到消防人員依序進入室內,進入後竄出的煙愈來愈多、竄出速度也愈來愈快,2:12秒處1名消防員拿了一台正壓排煙機到門口,2:20秒處他將正壓排煙機啟動,啟動後將大量的空氣送進建築物,火煙被擾動而大量竄出,最後在2:30秒處發生閃燃

建築物內氧氣耗盡、火勢逐漸衰退,這時製造開口讓氧氣進入,使火勢再度成長。這個過程你有沒有覺得很熟悉?沒錯,這就是爆燃(Backdraft)的發生過程。爆燃的發生會伴隨一個強烈的衝擊波,熱釋率也會瞬間提升許多,因此火災成長曲線會變成下面這樣

同樣都是製造開口讓氧氣進入、火勢再度擴大燃燒,但到底什麼狀況會發生通風誘導閃燃?什麼時候會發生爆燃?在Fire Development and Fire Behavior Indicators這份資料中有提到,在通風控制燃燒時期,可燃性氣體的溫度如果低於引火溫度(Ignition Temperature),當氧氣進入時有可能會發生通風誘導閃燃。而當可燃性氣體的溫度高於引火溫度,且燃燒速率非常快時,則可能會發生爆燃(原文在資料P11)

其實這樣解釋也很難分辨兩者發生的條件,但其實也不用擔心,因為所有文獻也都表示火勢擴大的當下,很難分辨兩者的差異。如果我們把兩者的火災成長曲線重疊比較,會發現有一個灰色區域(Gray Area),如果火勢擴大後的熱釋率落在灰色區域,根本無法分辨到底是通風誘導閃燃還是爆燃

文獻裡有提到,曾經觀察到看似閃燃但卻伴隨著一點點衝擊波的現象,也有觀察到火球產生但卻沒有壓力的現象。其實我們也不用太深究這兩者發生的條件,只要知道這兩種狀況都是有可能發生,且對於消防員來說都是危險的就好,如果要破門進入搶救,一定要伴隨水線防護

延伸閱讀:
閃燃是什麼?閃燃和跟爆燃有什麼不同?別再傻傻分不清楚
正壓排煙會造成閃燃還是避免閃燃?這兩種理論你覺得哪個比較有道理

火的熄滅

前面提到燃燒四面體是火必須具備的重要元素,只要缺少一個火勢就會熄滅。因此火的熄滅方法就是將這四個要素排除一個就行了,方法就有四種:移除法窒息法冷卻法抑制法

移除法

移除法消滅的是可燃物。將還沒燃燒的可燃物移除,離火勢一段距離、阻止持續延燒,或者也可以將可燃物淋濕,讓可燃物變得比較難燃燒起來

移除法最常使用的是在山林火警,山林火警因為燃燒範圍大,無法直接將火勢撲滅,因此通常會將附近的林木移除、開闢防火巷,讓火勢在一定範圍內燃燒殆盡、避免持續擴大燃燒

窒息法

窒息法消滅的是氧氣。空氣中氧氣的體積濃度如果低於15%火勢就會熄滅,因此如果在一個密閉空間,添加不燃氣體(氮氣、二氧化碳等)或惰性氣體(氦氣、氖氣、氬氣等),降低空間中的氧氣濃度,就能達到滅火的效果

窒息法的限制是必須在密閉空間,戶外空間很難將氧氣濃度降低,因此這種滅火方法大多使用在發電機室高科技廠房資料庫等,這些地方儲存的物品都很貴重,或者碰到水就會損壞,所以才會改成設置二氧化碳滅火設備來滅火。唯一要注意的是,利用窒息法來滅火時要確定不能有人,否則人員也會因為缺氧而昏迷甚至死亡

泡沫的滅火原理也是利用窒息法,通常使用在油類火災。將泡沫覆蓋於油類表面,會將油類與氧氣阻隔開來,排除氧氣後火勢就會窒息熄滅

可惜的是,在救災現場中許多人都會誤以為泡沫就是「比較強的水」,尤其工廠火警時,如果射水無法馬上撲滅,就會有很多人想要改成射泡沫。射泡沫的結果,往往看到的不是火熄滅,而是泡沫不斷又流出來,這是因為射泡沫時沒有適當地將泡沫覆蓋在可燃物上阻隔氧氣,甚至可能根本沒有成泡,只是把泡沫水當成一般的水不斷往前射而已,這樣就沒有辦法達到泡沫窒息滅火的效果

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冷卻法

冷卻法消滅的是熱能。將燃燒的物體冷卻、降低熱能,使火勢熄滅,這是最常見也是最簡單的滅火方式,不論是消防人員射水滅火,或是水系統滅火設備的滅火原理,都是屬於冷卻法

值得一提的是,液態水受熱後氣化成水蒸氣,體積會膨脹約1700倍,在密閉空間中射水滅火,除了冷卻以外還可以製造大量的水蒸氣,水蒸氣也是不燃氣體,因此可以降低室內的氧氣濃度,達到窒息的效果。因此水之所以被認為是最好的滅火工具,除了因為最廉價、容易取得外,也因為水可以同時利用冷卻法、窒息法和移除法來滅火

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抑制法

抑制法消滅的是連鎖反應。連鎖反應最重要的就是氫自由基和氫氧自由基,因此在燃燒的過程中如果可以用某些物質消除這些自由基,就能達到滅火的效果。最早以前會使用含有氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)等鹵素元素的海龍滅火藥劑,這些元素會跟自由基結合,使可燃物沒有辦法持續進行傳播步驟,因此火勢熄滅

但因為海龍滅火藥劑的成份會破壞臭氧層,因此被世界各國禁用,取而代之的是一些海龍替代品,例如比較常見的FM-200(七氟丙烷)、FE-13(三氟甲烷)等

我們熟知的乾粉,其實就是一種固體滅火劑,乾粉的種類有很多種,包含碳酸氫鈉(小蘇打)、碳酸氫鉀磷酸二氫銨等。這些乾粉最主要的滅火原理是抑制法,不過這些化學物品受熱後也會產生水蒸氣和二氧化碳,包含了冷卻法、窒息法的滅火原理,因此乾粉才會是一般最普遍見到的滅火工具

總結

火 是我們最常用的工具,卻也是身為消防員的我們要面臨的最大敵人,尤其消防員面臨的不只是火,而是大型的火災現場,狀況千變萬化,因此我們必須好好瞭解火的燃燒原理、發展階段,以及正確的滅火方法,才能避免救火不成反而面臨更大的危險喔!

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9 thoughts on “火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)”

  1. 請問:可燃物必須能與氧化合,當其氧化之際,需具有100 Kcal/mole以上之發熱量,且熱傳導度約在0.01 Kcal/cm˙sec˙°C
    關於熱傳導度聖經課本是寫0.001 Kcal/cm˙sec˙°C
    這部分可能打錯了

    1. 是的,我打錯了,已經重新修正了

      謝謝你幫我找到錯誤的地方,也非常感謝你那麼認真地看完我的文章

  2. 整個網站都是很棒的內容,小弟會多多推廣出去,謝謝W建立這個網站!

    1. 很高興我的文章對你有幫助,也謝謝你幫我推廣,你的支持是我繼續寫下去的動力

      如果有任何問題或其他想瞭解的內容,歡迎都直接跟我說喔

      非常謝謝你

  3. 最後一段乾粉成分的磷酸二氫”氨”,應該是”銨”

    在兩個月就要考試了,發現這個網站,真的是受益良多,非常感謝你的分享

    1. 非常感謝你幫我找到錯字,已經修改好囉~

      很高興能幫到你的忙,祝你準備考試順利,如果有任何問題,歡迎留言、email跟我一起討論喔~

  4. 您好,想請問關於水蒸氣為不可燃氣體的窒息效果,我的理化…不是很好,但是水蒸氣在高溫下不會裂解嗎?還是通常加冷水會使溫度降到不至於裂解水蒸氣,所以不影響?那如果是活性極高或是…熱釋率會瞬間飆至極高的情況下(有可能嗎?大量易燃化學藥劑的…同時引燃?剛剛在查電器火災(C型的)有看到D型的金屬或電池瞬間引燃,D型滅火器內含的是乾粉…若是鎂的話,作用釋出的二氧化碳不會助燃嗎?),水是不是就不是一個滅火的好選擇了?若是,應使用哪類型的呢?乾粉?喔,之所以電氣類火災不適合使用水作為撲滅的介質,是單純因為會有觸電疑慮,還是…使用水可能會大量電解出氫氣與氧氣?(還是是有可能但是通常不用等到大量釋出可燃性氣體或自由基,就會先被電暈?xDD?)
    阿,還有乾粉類滅火器為何可達到降溫?一樣是氣化帶走熱嗎?但乾粉與自由基反應或多或少不會產熱嗎?還是因為帶走的比產生的多,所以淨額是降溫?

    問了很多奇怪的問題,但覺得你的資料來源各方面論點都整理得好齊全,對我這個三類人來說真的是很大的救星,而且也不會讓人覺得難懂或無趣,會想認真地思考有甚麼地方是關鍵(像是正壓排氣那篇好有趣!),感覺以您的專業應該能夠協助我解惑,能在準備的初期看到你的網站真的很開心(我要考明年的~

    1. 水本身就是一個很好的滅火劑,可以降低溫度,蒸發成水蒸氣也可以稀釋氧氣濃度。水沒有那麼容易裂解,在電氣火災中不適用主要是因為怕觸電

      乾粉最主要的滅火效果是利用抑制法,有些乾粉受熱後會分解產生水,也能冷卻但效果有限,主要還是抑制自由基、阻礙連鎖反應來滅火

    2. 很高興我的文章有幫助到你,如果有其他問題也可以直接email給我一起討論喔~

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