火災學

雖然火是人類最早利用的工具之一，但只是在過去50年內才得到相關數學式。為了使讀者了解火災動力學理化複雜行為，本書在第1章及第2章能提供相關基本科學，使讀者具有某種程度知識了解，以便探討後續燃燒動力、區劃空間及非區劃空間之火災發展。

第1節　氧化起火與燃燒（Oxidation, Fire and Combustion）

大多數人認為火和燃燒是可以互換使用的兩個名詞，但與火相關工作人員應理解其差異性。燃燒（Combustion）是一種燃料快速氧化（化學反應）自我維持，並產生熱和光的過程（物理現象），其可能沒有產生火焰，如燃燒在局部或近燃料表面，僅與氧氣接觸產生沒有火焰之燃燒，如燒炭現象；而火（Fire）則是一種燃料反應生成二氧化碳、水蒸汽等很熱的混合物，進行快速氧化反應，也就是燃燒的結果。火是一種劇烈化學反應，而不是物質！火災實際上是一個較大規模燃燒（Combustion）過程中之副產物（Byproduct）。

一、氧化反應

生活中常見的由碳和氫構成的物質被氧化，而大多可燃性固體、液體和氣體有機物，就是以碳和氫為主成分。最常見氧化劑是空氣中的氧，空氣組成大致由1/5氧和4/5氮。氧化性物質如硝酸鈉（NaNO3）和氯酸鉀（KClO3）是一種易於釋出氧的化合物，此種化合物中含有氧，反應時無需外界氧，而能遇熱自行氧化燃燒。

氧化（Oxidation）是一種發熱反應，由於氧化速度不同，或成為燃燒反應，或成為一般氧化反應，如蘋果削好了，過一些時間表面泛黃、報紙時間久了形成泛黃，其氧化速度慢，發熱量小，且很快散失掉，當然也沒有明顯熱及光之物理現象。人類呼吸作用就是氧化葡萄醣，使得葡萄醣中的氫被氧取代，所產生能量發熱至37℃。即氧化是有機化合物與氧分子發生的自由基鏈反應，金屬特別容易自動氧化，如鐵生鏽、鋁陽級氧化（Anodization）產生蝕洞或銀表面喪失光澤。為防生鏽，以油擦拭金屬或擦油漆，使金屬表面隔離空氣中的氧，致其不能氧化反應；又如油性乳液抹在臉部肌膚上產生抗氧化效果，以保青春。

生活中許多有機物易於自動氧化，橡膠與塑膠的老化變質常是緩慢氧化過程的結果，如橡皮筋於一段長時間慢慢氧化（發熱）變黏。假使自動氧化所產生熱量如不散失，就會自行升溫（Self-Heating）致自燃起火。多孔性固體物質如煤更是如此，因空氣能滲入到內部自動氧化，卻因物質多孔的空氣隔熱屬性（空氣為不良熱導體），而能有效蓄熱，常造成煤炭自燃現象。

二、起火

起火（Fire）是溫度與時間的一個函數，其是能自行持續的一種燃燒過程；若沒有外界引燃源而起火係為自燃現象。物質的起火溫度是指某一可燃物質達到起火的最低溫度。通常物質引燃溫度顯著低於其自燃溫度。

因此，可燃物質起火現象，不僅包含複雜化學過程，也含熱物理過程如熱傳導、對流及質傳過程，以及這些過程之相互作用等。一般而言，燃料和氧分子產生化學反應之前，須先激發成活性狀態。

三、燃燒

燃燒（Combustion）是一種可燃物受熱分解或氧化、還原，解離為游離基，游離基具有比普通分子動能更多活化能，易與其他分子進行反應而生成新游離基，或者自行結合成穩定分子。此種化學過程中也伴隨物理之效應。熱量是在化學過程中所釋放出的物理能量。光是一種存儲在煙灰粒子能量之物理結果。燃燒與一般氧化作比較，差異如表1-2所示。

許多自發性反應之速率緩慢，分子化學鍵須被打斷，而打斷化學鍵需要額外輸入能量來啟動，才能自行持續的連鎖反應，這種啟動化學反應的能量為活化能。而燃燒涉及固相、液相或氣相燃料，發熱、自行持續之連鎖反應。固態和液態燃料在燃燒前須氣化；有些固體燃燒可直接是無焰燃燒或悶燒，如香菸、家具蓆塾或木屑等具多孔性，空氣能滲入至內部空間，以固態方式產生無焰燃燒，其主要熱源係來自焦碳之氧化作用。另一方面，氣相燃燒通常伴有可見的火焰，若燃燒過程被封閉在某一範圍內，因氣體分子不停地碰撞壁面而產生壓力，致壓力會迅速上升，形成壓力波現象，則為爆炸。

而燃燒、火災與化學性爆炸在實質上是相同的，主要區別在於物質燃燒速度，後者是極短時間完成之瞬間燃燒，而爆炸是帶有壓力波現象。而顆粒大小直接顯著影響物質燃燒速度，如煤塊燃燒通常是緩慢甚至是悶燒，但磨成煤粉時則產生極快速之粉塵爆炸。

四、爆炸（Explosion）

化學性爆炸是爆炸前，燃料和氧化劑已混合。因燃料和氧化劑不需進行混合時間，故燃燒反應能不延遲而迅速地進行。若預混合的氣體被限制在一定範圍，燃燒使其膨脹，可導致迅速升壓爆炸。火災情況與此相反，燃料和氧化劑混合受燃燒過程本身所控制，火災燃燒速率低得多，不會發生以壓力迅速增加為特徵。

第2節　吸熱與潛熱（Endothermic and Latent Heat）

一、吸熱和放熱化學反應

物質固體受熱融化（熔化，物理變化）為液體（化學變化），液體再受熱蒸發（物理）為氣體（化學）；或固體直接受熱分解註昇華（物理）為氣體（化學），上述過程皆為吸熱反應；反之過程，則為放熱反應；如下圖。

乙炔在化學上分解時是固態碳及氫氣，如果是密閉容器內，分解產生放熱反應使溫度升高，壓力增大致形成爆炸之危險。因此，乙炔常溶於丙酮或酒精等液體儲存，這類似二氧化碳溶於水中形成碳酸水一樣，當打開鋼瓶閥門，壓力下降，氣體就可從溶液中逸出使用；工業上，乙炔配合氧氣形成氧乙炔火焰，能產生高達攝氏3200度的火焰，能進行快速切割作業。

二、潛熱

物質從固態轉成液態，或液態轉成氣態，所吸收的熱量稱為潛熱（Latent Heat）；潛熱可分為熔化熱及汽化熱。與之相反，從氣態至液態或從液態至固態轉變過程中，則會放出熱量。潛熱是物質在液相與氣相之間轉變（蒸發潛熱）或固相與液相之間轉變（溶解潛熱）時吸收的熱量，以單位質量內焦耳數註計量。水在沸點（100℃）下的汽化潛熱為2260 J/g，因水擁有相當汽化潛熱，且水是所有物質中具有最高蒸發潛熱，水每克能吸收539cal熱量，這正是水作為滅火劑之有效主因。

雖然火是人類最早利用的工具之一，但只是在過去50年內才得到相關數學式。為了使讀者了解火災動力學理化複雜行為，本書在第1章及第2章能提供相關基本科學，使讀者具有某種程度知識了解，以便探討後續燃燒動力、區劃空間及非區劃空間之火災發展。

第1節　氧化起火與燃燒（Oxidation, Fire and Combustion）

大多數人認為火和燃燒是可以互換使用的兩個名詞，但與火相關工作人員應理解其差異性。燃燒（Combustion）是一種燃料快速氧化（化學反應）自我維持，並產生熱和光的過程（物理現象），其可能沒有產生火焰，如燃燒在局部或近燃料表面，...

推薦序

火災學為一門綜合應用之多元科學，其內容涵蓋熱傳、理化、電學、材料及建築等，為相關基礎科學之應用與整合，目前亦為本校消防系必修課程，也是消防工作重要之專業學科。許多先進國家相繼以性能法規精神，作為消防相關法規修訂之依據，因此，對火災學專業素養，更顯得格外重要。

基本上，火災為一種可燃物質從微小火源、明火引燃或自燃發火現象，因失去控制而擴大，並造成財物或人命損失之過度燃燒事件。換言之，火災是在時間軸和空間軸上發展所形成的災害；而在眾多災害中，火災卻是發生頻率最多之一種。

火災發展過程是一種非常複雜的理化熱傳動態事件。於室外火災明顯受到風勢、雨量或地形等影響，而室內火災則受到通風開口、空間體積、高度及現有火載量等變數影響。因此，所有不受控制的火災燃燒，會以一種穩態或不穩態發展，延燒擴大過程也取決於許許多多之變數。

作者盧守謙博士在消防領域學有專精，盧博士與消防系陳永隆主任共同執筆完成本書，對於火災學進行深入淺出且有條不紊地加以說明，不僅內容豐富，涵蓋的問題面也相當廣，本人極為樂意將其推薦給有志學習火災學的讀者。

蘇銘宏

吳鳳科技大學　校長

推薦序

火災學為一門綜合應用之多元科學，其內容涵蓋熱傳、理化、電學、材料及建築等，為相關基礎科學之應用與整合，目前亦為本校消防系必修課程，也是消防工作重要之專業學科。許多先進國家相繼以性能法規精神，作為消防相關法規修訂之依據，因此，對火災學專業素養，更顯得格外重要。

基本上，火災為一種可燃物質從微小火源、明火引燃或自燃發火現象，因失去控制而擴大，並造成財物或人命損失之過度燃燒事件。換言之，火災是在時間軸和空間軸上發展所形成的災害；而在眾多災害中，火災卻是發生頻率最多之一種。

火災發展過程是一種非...

火為溫度變化引發速率失控的放熱化學反應，使火焰具有自行傳播特性；火災實際上是一個較大燃燒規模過程中之副產物。當火災發生時，在物理的以及化學的雙方共同影響，求解火災動態過程相當複雜，就像其他複雜領域一樣，以理論基礎上的簡化關係式來解決工程問題，是一種相當有效之工具。

火災對人類和環境影響能否成為社會關注問題，取決於一個國家的意識形態與經濟狀況；而對火災預防與控制投入程度，則取決於一個國家風險意識與價值觀。在消防救災、消防工程或產業安全上，火災學是一門重要理論基礎，從各項消防國考科目上可見一斑。其中消防工程更是因應火災而設，脫離了火災學就失去其存在意義。尤其歐美國家日益倡行性能化設計，消防設計更應了解火災可能動態情境，以達到消防設備在經濟、安全及有效之預期目標。另在火場方面，能預期火勢發展及潛在危險，是關係到第一線搶救行動安全及有效作業與否之指標。

近十幾年來火災研究工作湧現出大量新理論，本書盡可能網羅NFPA, SFPE Handbook, Drysdale's Book等，並納入其內涵、圖表與運算，也加入多元化型態如鐵皮屋、倉儲類、山林田野等本土化常發生火災。在此以30年火場經驗之消防本職博士背景，來進行系統式精心彙編，並儘量插入工學應有之數值運算演練，以整合一門完整之學科。如此無不希望國內火災學教材水平能有更進一步提升，這也是作者孳孳不倦之活力來源。

火為溫度變化引發速率失控的放熱化學反應，使火焰具有自行傳播特性；火災實際上是一個較大燃燒規模過程中之副產物。當火災發生時，在物理的以及化學的雙方共同影響，求解火災動態過程相當複雜，就像其他複雜領域一樣，以理論基礎上的簡化關係式來解決工程問題，是一種相當有效之工具。

火災對人類和環境影響能否成為社會關注問題，取決於一個國家的意識形態與經濟狀況；而對火災預防與控制投入程度，則取決於一個國家風險意識與價值觀。在消防救災、消防工程或產業安全上，火災學是一門重要理論基礎，從各項消防國考科目上可見一斑。其中...

推薦序
自序
第一篇　火災導論
第1章　火災科學
第1節　氧化起火與燃燒
第2節　吸熱與潛熱
第3節　活化能與化學反應
第4節　理想氣體定律
第5節　熱傳與熱慣性
第6節　火災特性
第7節　火災分類與原因
第8節　火災與氣象
第9節　歷屆考題精解
第2章　燃燒科學
第1節　燃燒熱與熱釋放率
第2節　燃燒原理
第3節　燃燒所需空氣量
第4節　燃燒界限
第5節　燃燒機制與形式
第6節　物質燃燒危險性
第7節　燃燒速率
第8節　歷屆考題精解
第3章　防火與滅火科學
第1節　發火源
第2節　防火塗料
第3節　火四面體
第4節　火三角應用
第5節　滅火原理
第6節　惰化防爆機制
第7節　水蒸汽滅火機制
第8節　歷屆考題精解
第4章　固體類火災
第1節　固體理化性
第2節 固體燃燒形態
第3節　固體燃燒速度影響因素
第4節　木材類燃燒
第5節　纖維紡織類燃燒
第6節　塑膠橡膠類燃燒
第7節　金屬類燃燒
第8節　歷屆考題精解
第5章　液體類火災
第1節　液體燃燒屬性
第2節　液體燃燒形態
第3節　液體燃燒速度影響因素
第4節　液體不相容與混合
第5節 液體起火能量
第6節 引火性與高閃火點
第7節　液體火災計算
第8節　液體防火防爆方法
第9節　歷屆考題精解
第6章　氣體類火災
第1節　氣體理化性
第2節　氣體危險性
第3節　氣體燃燒形態
第4節　氣體燃燒速度影響因素
第5節　氣體爆炸特性
第6節　歷屆考題精解
第7章　各類滅火劑
第1節　固體滅火劑
第2節　液體滅火劑
第3節　氣體滅火劑
第4節　金屬滅火劑
第5節　滅火劑考量成效因素
第6節　歷屆考題精解
第二篇　火災特論
第8章　爆炸科學
第1節　爆炸類型
第2節　爆炸影響
第3節　固體類爆炸
第4節　液體類爆炸
第5節　氣體類爆炸
第6節　容器儲槽爆炸徵兆
第7節　低階爆燃與爆轟
第8節　歷屆考題精解
第9章　建築物火災發展
第1節　初期
第2節　成長期
第3節　燃料與通風控制火災
第4節　閃燃與爆燃現象
第5節　最盛期與衰退期
第6節　火災生命週期與對策
第7節　歷屆考題精解
第10章　火災煙與煙控
第1節　火災煙
第2節　建築物煙層流動
第3節　建築物防煙煙控
第4節　建築物排煙煙控
第5節　歷屆考題精解
第三篇　火災各論
第11章　電氣類火災
第1節　電氣系統
第2節　電氣火災原因
第3節　電氣火災判讀
第4節　靜電
第5節　閃電
第6節　歷屆考題精解
第12章　化學類火災
第1節　自燃發火
第2節　危險物品
第3節　化學槽車火災
第4節　油槽類火災
第5節　沸溢與濺溢現象
第6節　歷屆考題精解
第13章　建築物火災
第1節　耐火構造建築
第2節　超高層建築
第3節　地下建築
第4節　鐵皮屋建築
第5節　倉儲類建築
第6節　歷屆考題精解
第14章　非建築物火災
第1節　地鐵捷運火災
第2節　隧道火災
第3節　船舶火災
第4節　飛機火災
第5節　森林火燒
第6節　山林田野類火災
第7節　歷屆考題精解
火災學公式總整理

推薦序
自序
第一篇　火災導論
第1章　火災科學
第1節　氧化起火與燃燒
第2節　吸熱與潛熱
第3節　活化能與化學反應
第4節　理想氣體定律
第5節　熱傳與熱慣性
第6節　火災特性
第7節　火災分類與原因
第8節　火災與氣象
第9節　歷屆考題精解
第2章　燃燒科學
第1節　燃燒熱與熱釋放率
第2節　燃燒原理
第3節　燃燒所需空氣量
第4節　燃燒界限
第5節　燃燒機制與形式
第6節　物質燃燒危險性
第7節　燃燒速率
第8節　歷屆考題精解
第3章　防火與滅火科學
第1節　發火源
第2節　防火塗料
第3節　火四面體
第4節　...