현장에서 화재와 마주했을 때 우리는 다양한 소화설비를 이용해 대응합니다. 그런데 이 설비들이 어떤 원리로 불을 끄는 것인지 깊이 생각해 보신 적 있으신가요?
모든 소화의 원리는 ‘연소의 4요소’를 제어하는 것에서 출발합니다.
소화란 연소의 4요소인 「가연물」, 「산소」, 「점화원」, 그리고 「연쇄반응」 중 하나 이상을 제거하거나 억제하여 불을 끄는 현상을 말하며, 그 방법은 크게 ‘물리적 소화’와 ‘화학적 소화’로 나뉩니다.
오늘은 이 두 가지 소화 방법의 원리를 파고들어 보겠습니다.
1. 물리적 소화 (Physical Extinguishment)
물리적 소화는 연소의 4요소 중 가연물, 산소, 점화원, 즉 물리적인 세 가지 요소를 직접 제어하는 방식입니다. 가장 직관적이고 기본적인 소화 방법이라고 할 수 있죠. 여기에는 질식, 냉각, 제거 소화가 포함됩니다.
1.1. 질식소화 (Suffocation Extinguishment)
질식소화는 공기 중의 산소 농도를 연소 한계 산소 농도(MOC, Minimum Oxygen Concentration) 이하로 낮추어 불을 끄는 방법입니다.
일반적으로 산소 농도를 15% 이하로 낮추면 대부분의 가연물은 연소를 지속하기 어렵습니다. 이산화탄소나 IG-541 같은 불활성가스 소화설비가 대표적인 예입니다.
이 약제들은 방호구역에 방사되어 산소 농도를 각각 14% 또는 12~13% 수준까지 희석시켜 소화합니다.
물을 뿌렸을 때 발생하는 수증기도 훌륭한 질식소화제 역할을 합니다. 물이 수증기로 변하면서 부피가 약 1,700배 팽창해 주변 산소를 밀어내는 원리입니다.
1.2. 냉각소화 (Cooling Extinguishment)
냉각소화는 가연물의 온도를 발화점 이하로 낮춰 연소를 멈추게 하는 방법입니다. 연소의 4요소 중 ‘열’을 직접 제거하는 방식이죠.
가장 대표적인 냉각 소화약제는 단연 ‘물’입니다. 물은 비열과 증발잠열이 매우 커서 주변의 열을 효과적으로 흡수하기 때문입니다.
예를 들어 15℃의 물 1kg이 250℃의 수증기로 변하는 과정에서 흡수하는 총열량은 아래와 같이 계산할 수 있습니다.
Q (총 흡수열량) = (물의 현열) + (물의 증발잠열) + (수증기의 현열)
Q = m·cₗ·ΔT₁ + m·r + m·cₛ·ΔT₂ Q
= (1 × 1 × (100 – 15)) + (1 × 539) + (1 × 0.6 × (250 – 100)) = 85 + 539 + 90 = 714 kcal
| 기호 | 설명 | 값 | 단위 |
|---|---|---|---|
| m | 물의 질량 | 1 | kg |
| cₗ | 액체 상태 물의 비열 | 1 | kcal/kg·℃ |
| r | 물의 증발잠열 | 539 | kcal/kg |
| cₛ | 수증기의 비열 | 약 0.6 | kcal/kg·℃ |
소화가스설비 역시 냉각소화의 효과가 있으며 기화열, 분해열, 자체 열용량, 연쇄반응 종료시 생성되는 H2O에 의해서 효과가 나타난다.
HFC-23 약제의 기화열 및 분해열
1.3. 제거소화 (Removal Extinguishment)
제거소화는 말 그대로 연소의 원인이 되는 ‘가연물’을 직접 없애버리는 가장 확실한 방법입니다.
산불이 번지는 것을 막기 위해 나무를 베어 방화선을 구축하는 것이 대표적인 예시입니다.
가스 화재 시 밸브를 잠가 연료 공급을 차단하거나, 유류 화재 시 다른 곳으로 기름을 옮기는 것도 제거소화에 해당합니다.
전기 화재 시 전원을 차단하는 행위 역시 점화원이 될 수 있는 에너지를 제거하는 제거소화의 일종으로 볼 수 있습니다.
💡 알아두세요!
물리적 소화의 핵심은 연소의 3요소인 ‘가연물’, ‘산소’, ‘열’ 중 하나 이상을 물리적으로 차단하거나 제거하는 것입니다. 현장에서 가장 흔하게 접하는 소화 원리이며, 대부분의 수계 및 가스계 소화설비가 이 원리를 복합적으로 이용합니다.
2. 화학적 소화 (Chemical Extinguishment)
화학적 소화는 ‘부촉매 소화’ 또는 ‘억제 소화’라고도 불립니다. 이는 연소의 4요소 중 마지막인 ‘연쇄반응’을 화학적으로 차단하여 불을 끄는 원리입니다.
연쇄반응은 불꽃 연소에서만 나타나는 현상으로, 이 반응이 활발하게 일어나야 연소가 지속될 수 있습니다. 화학적 소화는 바로 이 반응의 고리를 끊는 역할을 합니다.
연소가 진행될 때, 특히 불꽃 연소 중에는 수소 라디칼(H•)이나 수산화 라디칼(OH•)과 같이 매우 불안정하고 반응성이 큰 ‘활성 라디칼‘이 생성됩니다.
이들이 다른 분자들과 연쇄적으로 반응하며 열과 빛을 내는 것이 바로 연소 현상입니다.
화학적 소화약제(대표적으로 할로겐화물 소화약제나 분말 소화약제)는 화염 속에 방사되면 열에 의해 분해되어 특정 물질을 생성합니다.
이 물질이 연쇄반응의 주범인 활성 라디칼과 먼저 반응하여 안정적인 물질로 만들어 버립니다.
활성 라디칼이 소화약제와 반응하느라 정작 가연물과는 반응하지 못하게 되므로, 연쇄반응의 맥이 끊기고 결국 불이 꺼지게 되는 것입니다.
⚠️ 주의하세요!
화학적 소화에 사용되는 할론(Halon) 약제는 소화 성능은 매우 뛰어나지만, 오존층을 파괴하는 주범으로 지목되어 현재는 생산 및 사용이 엄격히 규제되고 있습니다. 이 때문에 할론을 대체하기 위한 HFCs, HCFCs 등 다양한 청정소화약제가 개발되어 사용되고 있습니다.
지금까지 화재를 제어하는 두 가지 큰 축인 물리적 소화와 화학적 소화에 대해 알아보았습니다. 물리적 소화가 연소의 ‘겉모습'(열, 연료, 산소)을 제거한다면, 화학적 소화는 연소의 ‘핵심 메커니즘'(연쇄반응)을 파괴하는 방식이라고 이해할 수 있습니다.
현장에서 마주하는 각종 소방시설이 어떤 원리를 기반으로 작동하는지 이해한다면, 보다 효과적인 방재 전략을 수립하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
