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！

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火的起源

「Fire」一詞可以被翻譯成「火」、「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

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)

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 + H˙
• 傳播步驟：H˙ + 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

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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和固體爆炸。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

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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)和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

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或氧氣不足而熄滅，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

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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

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

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！

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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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