圖解火災學

1-1 氧化與起火

氧化反應

由碳和氫構成的物質才能被氧化，而大多可燃性固體有機物、液體和氣體，就是以碳和氫為主成分。最常見氧化劑是空氣中的氧，空氣約由1/5氧和4/5氮組成。氧化性物質如硝酸鈉（NaNO3）和氯酸鉀（KClO3）是一種易於釋出氧，此種分子中含有氧，反應時無需外界氧，遇熱能自行氧化燃燒。

氧化（Auto-Oxidation）是一種發熱反應，由於氧化速度不同，如蘋果削好一些時間表面泛黃，或報紙久置數年形成泛黃，此種氧化速度慢，發熱量小，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，氧化發熱至37℃。基本上，氧化是一種有機化合物與氧分子發生的自由基鏈反應，於金屬物質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氧，致其不能氧化反應；又如油性乳液枺在臉部肌膚上產生抗氧化效果，以保青春，其理在此。

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）變粘。假使船艙中貨物自動氧化所產生熱量，如不散失就會自行升溫（Self-Heating），甚致自燃。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，致常形成煤炭自燃現象。

起火

起火（Ignition）是溫度與時間的一個函數，能自行持續的一種燃燒過程；若沒有外界引燃源而本身起火係為自燃現象。物質的起火溫度是指某一可燃物質達到起火的最低溫度，通常物質遭到熱源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，需先在一定溫度以上激發成活性狀態。

1-2 吸熱與潛熱

吸熱和放熱化學反應

物質固體受熱熔化（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昇華（物理）為氣體（化學），上述化學過程皆為吸熱反應（Endothermic）；反之過程，則為放熱化學反應。

以乙炔而言，是一種吸熱化合物，在組成乙炔時需吸收大量熱，一旦乙炔分解時，就放出其在生成時所吸收熱：

C2H2 → 2C + H2 + 226.4

乙炔在化學上分解時有固態碳及氫氣，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，乙炔在物理上常溶於丙酮或酒精等液體儲存，這類似二氧化碳溶於水中，形成碳酸氣泡水一樣。當打開鋼瓶閥門，壓力下降，蒸發（液體至氣體）潛熱吸收大量熱。工業上，乙炔配合氧氣，使其更完全燃燒，形成氧乙炔火焰，能高達攝氏3200度，以進行快速切割金屬作業。

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氣化熱。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計量。水在沸點（100℃）下的氣化潛熱為2260 J/g（539 cal/g），使水是所有物質中具有最高蒸發潛熱，這正是水能快速冷卻，作為有效滅火劑之主因；使水在火焰中高溫氣化時吸走燃燒中大量熱量。以現今一般消防車是裝水，假如未來有比水更經濟有效物質，屆時消防車就有可能不裝水，改裝如此物質。

1-3 熱傳導（一）

熱傳遞

火災是一種熱量傳遞之結果，對熱量或能量轉移之熱傳理解，是瞭解火行為和火災過程之關鍵。從火三角的概念可知熱能是燃燒必要條件之一，燃燒一旦開始，重要的是了解火如何藉熱能傳遞而持續進行。熱傳之基本條件是存在溫度差異，根據熱力學第二定律，熱傳之方向必往溫度較低移動，溫度差就是構成熱傳之推動力。

在區劃空間如船艙能夠透過熱傳4種方式中的一個或多個進行傳輸：即傳導、對流、輻射和火焰直接接觸（Impingement）。事實上，熱傳對一物質而言，是一種熱損失。於固體的傳熱方式主要是傳導；熱從高溫的物體傳到低溫的物體，即固體溫度梯度內部傳遞的過程。基本上，在固體或靜止流體（液體或氣體）中，熱傳導是由於物體內分子、原子、電子之無規則運動所造成，其是一分子向另一分子傳遞振動能的結果。各種材料熱傳導性能不同，傳導性能佳如金屬，其電子自由移動，熱傳速度快，能做熱交換器材料；傳導性能不良如石棉，能做熱絕緣材料。以物質三態熱傳導性，為固體 > 液體 > 氣體。依傅立葉定律（Fourier's Law）指出，在熱傳導中，單位時間內通過一定截面積的熱量，正比於溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

傳導問題

以下思考一下！把1張A4紙完全貼在牆壁上，以打火機進行引燃A4紙，卻無法使其點燃，為什麼？又引燃1張拿在手上A4紙時，從邊緣或中央位置何者較易點燃？為什麼？如果你可正確回答此問題，表示你已具某種專業知識。貼在牆壁紙張受打火機之熱量，接收到熱量一直被牆壁大面積熱傳導擴展出去，無法使熱量累積至紙張能點燃或是自行延燒程度。又紙張從中央位置起燃，其熱量透過四面八方擴散出去，但以邊緣位置熱傳面積有限（空氣為熱不良傳導體），而易以點燃。

熱傳導與火災

在建築物火災中熱傳導之熱量相當有限，主要是以火災之起火期階段為主，電線設備、煙蒂、線香、火星等熱源，接觸可燃物進行熱傳導，導致起火。在台灣建築物係屬鋼筋混凝土結構，且牆壁厚度相對厚，依傅立葉定律（Fourier's Law），固體物質厚度與熱傳量成反比難以熱傳導；但在船舶結構如同鐵皮屋火災一樣，金屬牆壁薄，比熱容小，易以熱傳，這也導致鐵皮屋或船舶火災鋼製邊界層扮演熱傳重要因素，尤其是上面屋頂（艙頂）面會有溫度最大傳導熱量。

又依傅立葉定律（Fourier's Law），熱量傳導與距離成反比，所以火災蔓延常以相鄰空間，火勢擴大規模是有限的。

以防火塗料而言，使用熱傳導係數（k）低之無機材質，噴灑在鋼結構之厚度愈厚，保護效果愈佳，即增加上述公式之L（厚度）使Q（熱量）減小；有些防火塗料利用在高溫下生成一層比原塗層厚十倍難燃炭層，且其熱傳導係數（k）低，也是同樣增加L，減小k，以隔絕火焰對底材加熱，達到防火之目的。

1-1 氧化與起火

氧化反應

由碳和氫構成的物質才能被氧化，而大多可燃性固體有機物、液體和氣體，就是以碳和氫為主成分。最常見氧化劑是空氣中的氧，空氣約由1/5氧和4/5氮組成。氧化性物質如硝酸鈉（NaNO3）和氯酸鉀（KClO3）是一種易於釋出氧，此種分子中含有氧，反應時無需外界氧，遇熱能自行氧化燃燒。

氧化（Auto-Oxidation）是一種發熱反應，由於氧化速度不同，如蘋果削好一些時間表面泛黃，或報紙久置數年形成泛黃，此種氧化速度慢，發熱量小，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，...

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，燃燒通常是由發火源（微小火源、明火等）使局部燃料和氧化劑之混合物引燃，或燃料自燃，在固體自燃可以是300℃低溫下不發焰之悶燒或是超過1000℃有焰燃燒；而火災為上述現象，因成長失去控制而擴大，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。

為培育出防火安全專業人力，本校於2002年首創消防系（所）（除警察大學外），建置了火災虛擬實驗室、火災鑑識實驗室、低氧實驗室、水系統消防實驗室、電系統消防實驗室、氣體消防實驗室、消防設備器材展示室及消防檢修實驗室等軟硬體設備，也設置了氣體燃料導管配管、工業配管等兩間乙級技術士考場；也擁有全方位師資團隊，跨消防、機械、化工、電機、電子、土木及理化等完整博士群組成，每年消防系設日間部四技3班、進修部四技1班、進修學院二技1班、碩士在職專班1班，目前也申請博士在職專班，為未來消防人力注入所需的充分能量。

作者盧守謙博士在消防領域學有專精，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，燃燒通常是由發火源（微小火源、明火等）使局部燃料和氧化劑之混合物引燃，或燃料自燃，在固體自燃可以是300℃低溫下不發焰之悶燒或是超過1000℃有焰燃燒；而火災為上述現象，因成長失去控制而擴大，並造成財物或人命損失之過度燃燒事件。換言...

火焰是一種氣相燃燒而能夠產生至少1500K高溫的化學反應，於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，消防設計更應瞭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。

在過去500年，科學已經從早期的一般數學近似，利用一套能量守恆定理來解決大量問題，並加速發展。雖然火是人類最早利用工具之一，但只是在過去50年才得到相關數學表達式，因火確實是過於複雜，於近十幾年來火災研究工作卻有相當加速發展，湧現出大量的新理論。在本書也儘可能網羅NFPA, SFPE Handbook, Drysdale𠏋 Book等，納入其內涵、圖表與運算，也加入多元化型態如鐵皮屋、倉儲類等本土化常發生火災。在此以30年火場實務經驗之消防本職博士專業背景，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。

觀之國內坊間火災學書籍繁多，關於建築物火災發展過程中，閃燃現象是一種非常態，以國內居多之耐火建築物，發生閃燃需滿足火三要素環境，始有可能發生。對於引火、發火點、閃火點或著火，這些專業名詞之間常混為使用，令很多讀者感到困惑，而許多適用木造建築物之實驗曲線或關係式如開口因子、燃料控制燃燒或通風控制燃燒等，這些公式用於鋼筋混凝土內纖維／塑膠燃料或鐵皮屋建築，是必須依燃燒物不同而作修正的。因此，對於火災專業用語及觀念，沒有統一及整合，令年輕學子在學習火災學時，可能在某種程度上是一知半解的。

本書之編輯重心，回歸於火災動力為主，一些消防搶救、避難等版面儘量移除，在一些如沸溢或濺溢等專有名詞，再考究更多原文資料，予以明確化。另為方便讀者為準備三（四）等消防特考或消防設備師（士）等考試，內容儘量濃縮重點，並以名詞間差異進行比較研究，以利有效閱讀及記取，並大幅增加圖表及其精進化，以符讀者群之反應及高度期待。作為一位消防教育工作者，無不希望國內消防教材之專業水平能提升，這也是作者孳孳不倦之動力根源。

火焰是一種氣相燃燒而能夠產生至少1500K高溫的化學反應，於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，消防設計更應瞭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...

推薦序
自序
第1章　緒　論
1-1 氧化與起火　
1-2 吸熱與潛熱　
1-3 熱傳導（一）　
1-4 熱傳導（二）　
1-5 熱對流　
1-6 熱輻射（一）　
1-7 熱輻射（二）　
1-8 火焰接觸與熱慣性　
1-9 火災特性（一）　
1-10 火災特性（二）　
1-11 火災分類
1-12 火災與氣象　
第2章　燃燒原理
2-1 活化能與化學反應　
2-2 理想氣體定律　
2-3 燃燒與爆炸　
2-4 燃燒熱與熱釋放率　
2-5 燃燒所需空氣量　
2-6 燃燒界限（一）　
2-7 燃燒界限（二）　
2-8 燃燒原則　
2-9 燃燒機制　
2-10 燃燒速率　
2-11 燃燒危險性　
2-12 五大燃燒　
第3章　滅火原理
3-1 發火源（一）　
3-2 發火源（二）　
3-3 火四面體（一）　
3-4 火四面體（二）　
3-5 火四面體（三）　
3-6 火三角應用　
3-7 滅火原理（一）　
3-8 滅火原理（二）　
第4章　固體火災學理
4-1 固體理化性　
4-2 固體燃燒形態　
4-3 固體燃燒速度影響因素　
4-4 木材類燃燒（一）　
4-5 木材類燃燒（二）　
4-6 金屬類燃燒（一）　
4-7 金屬類燃燒（二）　
第5章　液體火災學理
5-1 液體燃燒屬性　
5-2 閃火點、著火點與發火點　
5-3 液體燃燒形態與速度　
5-4 液體起火能量　
5-5 引火性與高閃火點　
5-6 液體防火防爆方法　
第6章　氣體火災學理
6-1 氣體理化性　
6-2 氣體危險度及火焰型態　
6-3 氣體燃燒速度影響因素　
6-4 氣體爆炸特性　
第7章　滅火劑適用
7-1 固體滅火劑　
7-2 水滅火劑　
7-3 細水霧　
7-3 泡沫　
7-4 CO2氣體滅火劑　
7-5 海龍替代品　
7-6 金屬滅火劑　
第8章　爆炸工學
8-1 爆炸類型　
8-2 爆炸效應　
8-3 粉塵類爆炸及防制　
8-4 粉塵爆炸影響因素　
8-5 BLEVE現象　
8-6 蒸氣雲爆炸與油池火災　
8-7 蒸氣爆炸　
8-8 氣體類爆炸　
8-9 容器槽體爆炸徵兆　
8-10 低階爆燃與爆轟　
第9章　區劃空間火災發展
9-1 火災初期（一）　
9-2 火災初期（二）　
9-3 成長期（一）　
9-4 成長期（二）　
9-5 燃料與通風控制火災　
9-6 閃燃現象　
9-7 閃燃影響因素　
9-8 閃燃與爆燃防範對策　
9-9 閃燃與爆燃差異　
9-10 閃燃與爆燃發生徵兆　
9-11 最盛期與衰退期　
9-12 建築物防火安全設計　
9-13 火災各時期防火對策　
第10章　區劃空間火災煙流
10-1 火災煙能見度　
10-2 火災煙消光係數　
10-3 火災生成物毒性　
10-4 區劃空間煙層流動（一）　
10-5 區劃空間煙層流動（二）　
10-6 區劃空間煙層流動（三）　
10-7 區劃空間防煙方式（一）　
10-8 區劃空間防煙方式（二）　
10-9 區劃空間防煙方式（三）　
10-10 防煙對策及等效流動面積　
10-11 區劃空間排煙煙控　
第11章　建築火災概論
11-1 耐火構造建築　
11-2 超高層建築　
11-3 地下建築　
11-4 鐵皮屋建築　
第12章　電氣火災概論
12-1 電氣系統及火災防範　
12-2 電氣火災原因　
12-3 電阻發熱火災　
12-4 電弧火災　
12-5 靜電原因與條件　
12-6 靜電放電類型　
12-7 靜電防制管理（一）　
12-8 靜電防制管理（二）　
12-9 閃電　
第13章　化學火災概論
13-1 自燃發火　
13-2 影響自燃發火因素　
13-3 自燃發火性分類　
13-4 準自燃發火性物質　
13-5 公共危險物品　
13-6 危險物品混合危險　
13-7 危險物品應變作業程序　
13-8 油槽類火災　
13-9 沸溢、濺溢與冒泡溢因素與徵兆　
13-10 沸溢與濺溢條件與油質　
參考文獻　
火災學術語　
火災學公式總整理　
火災學重點總整理　

推薦序
自序
第1章　緒　論
1-1 氧化與起火　
1-2 吸熱與潛熱　
1-3 熱傳導（一）　
1-4 熱傳導（二）　
1-5 熱對流　
1-6 熱輻射（一）　
1-7 熱輻射（二）　
1-8 火焰接觸與熱慣性　
1-9 火災特性（一）　
1-10 火災特性（二）　
1-11 火災分類
1-12 火災與氣象　
第2章　燃燒原理
2-1 活化能與化學反應　
2-2 理想氣體定律　
2-3 燃燒與爆炸　
2-4 燃燒熱與熱釋放率　
2-5 燃燒所需空氣量　
2-6 燃燒界限（一）　
2-7 燃燒界限（二）　
2-8 燃燒原則　
2-9 燃燒機制　
2-10 燃燒速率　
2-11 燃燒危險性　
2...