|
|
길이 [L] |
질량 [M] |
시간 [T] |
비고 |
Absolute U.S. (절대단위계)
[MLT 단위계] |
MKS 단위계 |
m |
kg |
sec |
+ A, cd, mol, K SI 단위 (국제규격; System International Unit) |
CGS 단위계 |
cm |
g |
sec |
| |
Gravitational U.S. (중력단위계)
or Engineering U.S. (공학단위계)
[FTL 단위계] |
[FPS 단위계] ․미국공학단위계 (American Engineering U.S.) ․영국공학단위계 (British Engineering U.S.) |
ft (or in) |
Lbm |
sec |
|
미터법 공학단위계 (Metric Engineering U.S.) |
m |
kg |
sec |
소방 |
- 차이 : 질량(Mass)과 중량(Weight)
* m과 F의 관계
․Newton's 운동 법칙
F ∝ ma
=
→ 절대단위계
힘의 단위(N) : 1kg의 물체를 1m/s2의 가속도로 움직이는데 필요한 힘
․중력 단위계 : 힘의 단위(kgf) → 1kg의 물체를 9.806 m/s2의 중력가속도 만큼 발생시키는데 필요한 힘
∴
(cf) f.p.s 단위계
[참고] 기본적인 량의 환산인자
길이(Length, [L]) 1ft = 0.3048 m
1ft = 12 in 1
질량(Mass, [M])1Lbm = 0.4536 kg
힘(Force, [F]) 1Lbf = 0.4536 kgf
1Lbf = 4.448 N
예)
1 Lbf |
0.4536 kgf |
9.806 N |
= 4.448 N |
|
1 Lbf |
1 kgf |
몇 가지 물리량의 개념 |
1) Temperature(온도) : 차갑다. 뜨겁다를 나타내는 척도. (즉, 온냉의 정도를 수량적
으로 표시한 것)
알콜
수은
수소, 헬륨, 질소
가스온도계
열팽창계수가 일정
표준대기압 下
1 atm
= 760 mmHg
= 1,033 kgf/cm2
|
1 point |
2 point(온도차) |
상대온도
절대온도 |
℃ oF
K oR |
|
2) Pressure(압력) : 단위면적당 작용하는 수직방향의 힘
[N/m2, Lbf/in2, atm, mmHg, bar, ata(=
유체역학(정역학)
∴
게이지압(gauge pressure) : 대기압을 '0'으로 하여 그 이상의 압력을 표시한 것
즉, 압력계로 측정한 압력
절대압(absolute pressure) : 완전진공을 기준으로 한 압력
진공압(vacuum pressure) : 대기압보다 낮은 압력
* 절대압 = 게이지압 + 대기압 = 대기압 - 진공압
노즐 or 헤드 선단에서의 마찰손실 방사압력 × 10배
= 1013mbar = 1.013×105N/m2(=pa) = 14.7 psi(Lbf/in2) {cf. psia, psig}
(cf.)
N |
1 Lbf |
(0.3048 m)2 |
(1 ft)2 |
m2 |
4.448 N |
(1 ft)2 |
(12 in)2 |
1.0135 × 105 N |
1 kgf |
(1 m)2 |
= 1.03 kgf/cm2 |
= 1.03 ata (공학기압) |
m2 |
9.806 N |
(102 cm)2 |
3) Work(일), Power(동력)
․Work : W = F․s
1 J = 1 N․1 m
1 erg = 1 dyne․1 cm
․Power : 단위시간에 한 일의 양
1 J/s = 1 W
1 HP = 746 W = 550 ft․Lbf/s 1 kW = 102 kgf․m/s ↓ 펌프동력(소방설비) |
4) Density(밀도), Specific gravity(비중)
․Density : 단위체적당 차지하는 질량 [kg/m3]
(cf.) specific volume(비체적)
단위질량당의 체적 [m3/kg]
․specific gravity : - (액체)비중
ideal gas law PV = nRT PV = PM = ↓ ρ ∴ |
(cf.) CS2(이황화탄소) sp. gr. = 1.274 물로 소화가능
비중 - 소화약제- H2O → 유류(B급화재× ; 화재를 확대)
- CO2 → 불연성가스(sp. gr. = 1.52)
가연성 gas : 공기보다 무거우냐 가벼우냐에 따라 연소
위험성이 달라진다.
N2 : 28 g/g․mol - 79%
(cf.) MAir = x1M1 + x2M2(이성분계)
= (0.21×32) + (0.79×28)
= 28.84 g/g․mol
실제로,
N2 : 78%O2 : 21%Ar : 1%
= 28.9 g/g․mol
5) 조성(분율)
6) 증기압(Vapor Pressure) : 온도에 따라 변하는 값
액체의 성질
vap
dynamic equillibrium → 포화 증기압 (동적 평형)
liq
증기압 = 대기압
↓
boiling point(끓는점)
∴ 증기압이 높다는 얘기는 증기 발생량이 많다는 얘기고, 낮은 온도에서도 증기량이 많다는 얘기는 인화위험성이 크다.
6. Specific heat(비열) : 단위질량의 물질의 온도를 △ 1℃ 올리는데 필요한 열량
[kcal/kg․℃, Btu/Lb․℉, …] → 온도에 따라 변화됨
(1) 물질에 따른 고유한 열흡수능력
물 이외의 물질들은 일반적으로 1보다 작다.
어떤 물체를 위험온도까지 올리는데 필요한 열량
or 고온의 물체를 안정한 온도로 냉각시키는데 제거해야할 열량
․정적비열 :
․정압비열 :
CP - CV = R (for ideal gas)
(비열비)
단원자 분자 : 1.6~1.7 - He, Ar, Hg, …
삼원자 분자 : 1.3 - NO2, CO2, …
7) Heat quantity (열량)
순수한 물 1 kg을 1℃ 올리는데 필요한 열량 : 1 kcal
상변화가 없는 경우 : 현열
(cf.) l Lbm를 1 ℉ 올리는데 필요한 열량 : 1 Btu
열역학 함수
path function(경로함수)
state function(상태함수)
시량인자(크기 성질, extensive properties)-물질의 양에 의존
(cf.) specific volume(비체적) : v -시강인자
※ 물질의 양에 무관한 시강인자인 P, V, T 인자를 이용해서 자연현상을 해석
(cf.) ideal gas law : PV ∝ T
PV = RTR : 기체상수
(S.T.P - 표준상태) 0 ℃, 1 atm → 1 gmol, 22.4 ℓ
R = 0.082 ℓ․atm/gmol․K = 1.987 cal/gmol․K = 8.314 J/gmol․K
* 물질의 분류
② 물리적 상태에 따른 분류 |
고체, 액체, 기체 : 물질의 상태(삼태)
c : critical point(임계점)
임계 온도가 -100 ℃ 미만인 gas를 액화한 것 → 초저온 액체
초저온 액체 - ∴ 기체를 액화시켜 저장․운송
② P ↑
③ T ↓, P ↑ ↔ 압축 gas (b.p = -100 ℃ ↓)
연료 : 고체, 액체, 기체 - 연소의 형태가 달라진다.
연소 : 열과 빛을 내는 산화반응
시대적 연료 변천사 : 고체 → 액체 → 기체
연소의 3 요소
1. 가연물(고체, 액체, 기체) : 탈 수 있는 물질. (탄화수소계(석유,석탁,가스), 알콜류
셀룰로오스계(목재,…), 플라스틱류
곡물류, 금속분, …
2. 지연성(조연성)물질 : O2, Cl2, Air, 산화제, …
3. 점화원(착화원)
① 나화(담배불, 날로, 소각, 난방등의 나화)
② 고온표면(전열기, 가열로, 용융금속, …)
③ 충격마찰(배관 내면과의 마찰에 의해서 생성되는 고온 scale 입자)
공구 : 회전부분의 마찰면
④ 전기불꽃(전구의 파괴, 스위치 개폐, 전기점검, 단락, …)
⑤ 정전기불꽃(석유류의 유동, 습기 있는 스팀의 누설, 가연성 가스, 미스트 분출, …)
⑥ 복사열(태양, 화염, …)
⑦ 자연발화(산화열, 분해열, 중합열, …)
⑧ 단열압축(밸브, 분해 폭발성 가스)
↓
라디칼(유리기)
부촉매 작용
할론소화약제
F ∣ F-C-F
Br 높은온도 Br․
HBr
HCl
HF
연소를 지지하는 유리기
2H․+ 2O2 → 2OH․+ 2O․
O2 + CH3․ → HCHO + ․OH
산소가 거의 없어도 반응이 일어난다.
H-C=O → H․+ CO
CO + ․OH → CO2 + H․
2OH․ → H2O + O2
2O․ → O2
연소 : 발열반응 → 가연물질이 고온화되고 원자, 분자의 운동에너지가 증가되
어 연쇄반응을 일으킨다.
(400 nm ~ 700 nm) 보라색 ~ 적색
Wb = 총방출 에너지 → △E = hν (h = Plank 상수, 6.63×10-34 J․s)
(λ : 파장, c : 광속(3.0×108 m/s), ν : 진동수)
σ = Stefan-Boltzmann 상수( 5.67×10-8 w/m2․K4 )
(1) 가연물의 특징
① 활성화E가 작고 발열량이 크다.
② 산화되기 쉬운 물질
③ 열전도도가 작은 물질(열의 축적이 용이)
기체<액체<고체(열전도율)
기체>액체>고체(열소가 용이)
④ 산소, 염소(지연성물질)와의 결합력이 강한 물질
⑤ 연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질
⑥ 표면적이 커야 한다 ( s < l < g (or v))
불연성 물질
SiO2(규조토)
산화반응 → 흡열반응
N2 + O2 → 2NO -43.2 kcal
③ O족(8족) → 불활성 기체 → 결합력이 無. 다른 물질과 화합 ×
ex) He, Ar, Ne, Kr, Xe, Rn
(2) 산소공급원
① Air - N2 : 79 vol%N2 : 77 wt%
O2 : 21 vol%O2 : 23 wt%
② 산화제 - 제 1류 & 제 6류 위험물
(산화성고체) (산화성 액체) ← 불연성
과산화수소(H2O2), 과염소산(HClO4), 황산(H2SO4), 질산(HNO3)
무기산화물류(M2O2) (아)(과)염소산염류(MClO2, MClO3, MClO4) 브롬산염류(MBrO3) 질산염류(MNO3), 요오드산염류(MIO3), 삼산화크롬(Cr3O3) 과망간산염류(M'MnO4) 중크롬산염류(MCr2O7)
③ 자기 연소성(반응성) 물질 - 제 5류 위험물 ← 가연성
․유기 과산화물류(-O-O-), 질산에스테르류(R-ONO2)
․셀룰로이드류, 니트로화합물류(NO2기가 2개이상)
․니트로소화합물류(벤젠핵 1개 -NO 니트로소기 2개)
아조화합물(-N=N-), 디아조화합물, 히드리겐
연소의 형태 - 정상연소 : 연소시 열의 발생속도 = 방산속도(안정한 화염)
비정상연소 : 연소시 열의 발생속도>방산속도 → 격렬하게 반응(→폭발)
연소가 발생하는 양상 - 고상 연소 : 가연성 물질, 산화제 ← 고상
액상 연소 : 가연성 물질, 산화제 ← 액체 ex) 화약․폭약 등
기상 연소 : 가연성 물질, 산화제 ← 기상 or 기체로 전이 ←
일반적인 경우
고-액계면 연소 : 금속 또는 산화물에 용융하는 경우
액-기계면 연소 : ‥
고-기계면 연소 : 표면연소(가장 흔함)
ex) 탄소가 공기 중에서 연소
비중이 큰 금속이 고압산소 중에서 연소
연소하는 물질에 따라 - 가연성 물질 : 산화제 연소 ← 일반적인 연소 형태
분해 연소 : 분해시 비교적 큰 발열를 하는 물질
복합 연소 : 분해연소를 하는 것 중 연소 생성물이 주변 분위 기와의 사이에서 더욱 강한 연소를 하는 것
ex) 공기 중에서의 아세틸렌 분해연소
가연성물질 분해 연소성 물질의
초기상태에 따라
- 기체연소(균일 연소) → 상이 동일 : 가연물과 지연성 gas(공기)
- 액체연소 : 불균일 연소 → 상이 다르다
- 고체연소 : ‥
기체연소 - 예혼합연소(Premix combustion) : 기체연료와 공기를 미리 혼합하여 연소
하는 형태
ex) 분젠 버너 연소, 가솔린 엔진의 연소
- 확산연소(Diffusion combustion) : 기체연료가 분출하면서 공기와 혼합하여 연소하는 형태
ex) 석유난로, 가정용 가스기기, …
액체연소 - 분무연소 : 수 ㎛ ~ 수백 ㎛ 미립자.(공업적으로 가장 많이 이용)
- 증발연소 : 연소열의 일부를 이용하여 액체연료를 증발관으로 증발시켜 연
소
ex) 가압식 버너
- 액면연소 : 화염에서 복사나 대류로서 연료표면에 열이 전하여 증발이 일
어나고, 발생한 증기가 공기와 접촉하여 유면의 상부에서 확산 연소하는 것.
ex) 등유 버너, …
- 등심연소 : 모세관 현상에 의해 등심선단으로 빨아올려 등심의 표면에서
증발시켜 확산연소 하는 것.
ex) 석유램프
고체연소 - 표면연소 : 가열 시 열분해에 의해 증발되는 성분이 없이 물체 표면에서 산소와 직접 반응하여 연소 가능한 물질이 분해하여 연소
ex) 목탄, 코크스, 금속분, …
- 분해연소 : 가열 시 열분해에 의해 생성된 가연성 가스가 공가와 혼합하여 연소
ex) 목재, 석탄, 종이, 플라스틱, …
- 증발연소 : 가열 시 열분해 없이 직접 증발하여 증기가 연소하거나, 융해된 액체가 기화하여 연소
ex) 파라핀, 황, 나프탈렌, … (액체와 동일)
- 자기연소 : 고체 가연물이 분자 내에 산소를 가지고 있어 가열시 열분해에 의해 가스 생성물과 함께 산소를 발생하며 연소(외부에 산소 존재시 폭발로 진행)
ex) 니트로 글리세린, 니트로 셀룰로오스, 질산에스테르류
→ 제 5류 위험물(자기 반응성 물질)
용어 |
․연소점(fire point) - 착화의 존재 발화 → 착화원을 제거하면 자동소화(5 sec)
- (인화점보다 5~ 10 ℃ 정도 높다)
․인화점(flash point) - 착화원의 존재 발화(최저온도) → 착화원을 제거해도 연소
․발화점(ignition point) - 착화원 없음 →
주위의 에너지를 자발적으로 축적 → 발화하는 최저온도
산화열을 축적
․연소한계(폭발한계) - 연소작용이 계속적으로 지속되기 위한 농도
저농도 : 하한계
․화염일주한계
틈새가 작을수록 위험
cf.) VHI(증기위험도지수 ; Vapor Hazard Index)
→ 허용농도와 포화증기 농도의 비
유기용제의 잠재적 위험성을 평가하는 척도
포화증기압(mmHg)
(or TLV) 허용농도(ppm)
T↑ P ↑ = MIE ↓ : 위험성 증가 C ↑
․한계산소지수(Limited oxygen Index : L.O.I) - 섬유류에 대해 착화후 열원을 제거해도 연소상태를 지속할 수 있는 산소의 최저 체적 농도.
cf.) 착화점이 높고 LOI가 높은 섬유류나 내장재료 → 안전
․최저산소농도(Minimum oxygen concentration : MOC) or 한계산소농도 -
화염을 전파하기 위한 최소한의 산소농도, 연료의 농도에 무관하게 산소의 농도를 감소시킴.
연소식 중의 산소의 양론계수 - 낮을수록 위험
ex)
연소화학 |
몰비 1 : 2 : 1 : 2
(=부피비)
질량비 16g/mol 2×(32g/mol) 44g/mol 2×(18g/mol)
ex) 50 kg의 CH4을 태울 때 이론 산소량? 이론 공기량?
이론산소량 = O0
50 kg CH4 |
1kg-mol CH4 |
2 kg-mol O2 |
32 kg O2 |
= 200 kg O2 |
|
16 kg CH4 |
1 kg-mol CH4 |
1 kg-mol O2 |
200 kg O2 |
1kg-mol O2 |
22.4 m3 O2 |
= 140 m3 O2 |
|
32 kg O2 |
1 kg-mol O2 |
200 kg O2 |
1kg-mol O2 |
= 6.25 kg-mol O2 |
|
32 kg O2 |
cf.)
50 kg O2 |
1kg-mol CH4 |
= 3.125 kg-mol CH4 |
|
16 kg CH4 |
1 kg-mol CH4 : 2 kg-mol O2 = 3.125 kg-mol CH4 : x kg-mol
동일
M.O.C. = (2 kg-mol O2)×5
= 10.0 vol%
이론 공기량
→ Ao =
Air O2 N2
고체 : 1.8 ~ 2.0
공기와 연료간의 비효율적인 접촉에 의해 실질적인 산소의 부족을 충당하여 완전 연소를 유도 → 배출공기와 배기가스량이 증가 → 열손실 증대
기체 : 1.1 ~ 1.2
공기와 연료의 혼합기체 표시 |
→ 공연비(A/F), 연공비(F/A), 당량비(ψ), 공기비(α)
① 공연비(A/F) : 공기와 연료의 공급비로 정의
이론 공연비 (A/Fo)
② 연공비 (F/A) : 공연비의 역수
이론 연공비 (F/Ao)
③ 당량비 : 일정량의 공기에 비해 양론비의 몇 배의 연료가 공급되는 가를
나타내는 양
④ 공기비 : 과잉 공기율
․발열량 : 연소후 처음 온도까지 냉각될 때에 단위몰당 발생하는 열량
고(위)발열량(총 발열량) : 물의 증발잠열 포함.
저(위)발열량(참 발열량) : 물의 증발잠열 제외.
(cf.) 화학 반응속도에 영향을 주는 인자
① 물질의 성질 : 반응물질 자신의 성질에 의존
인 - 자연발화, 23 ℃
Mg(마그네슘) - 착화원 없이는 연소 ×
② 반응물질 입자의 크기 : 표면적이 클수록 연소반응은 빨리 진행
③ 응집상태 : 물리적인 상태
고체<액체<기체
④ 반응물질의 농도 : C ↑ ⇒ 반응속도 ↑접촉기회가 증가
O2 中, Air 中 위험
10 ℃ 상승마다 2배 증가
분자속도 증대 ⇒ 충돌기회 증가
⑦ 압력 : P ↑ , 반응속도 大
⑧ 촉매작용 : 활성화 E를 낮춘다.
유기화학 : 탄소(C)를 포함하는 화합물을 연구하는 학문.(유기화합물=탄소화합물)
※ 탄소는 탄소끼리 결합하여 사슬이나 고리를 형성하는 특이한 능력을 가지고 있으며, 수소, 질소, 산소, 황 및 할로겐과 같은 비금속원소와 강하게 결합한다. 또한 다중결합을 형성할 수 있다.
표. 수를 나타내는 접두어
수 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
수표시 |
mono |
di |
tri |
tetra |
penta |
hexa |
hepta |
octa |
nona |
deca |
물질명표시 |
metha |
etha |
propa |
buta |
penta |
hexa |
hepta |
octa |
nona |
deca |
표 . 알칸의 물리적 성질
탄소수 |
이 름(IUPAC) |
화 학 식 |
녹는점(℃) |
끓는점(℃) |
상 태 |
1 |
메 탄 (Methane) |
CH4 |
-183 |
-162 |
기체 |
2 |
에 탄 (Ethane) |
CH3 CH3 |
-172 |
-89 |
〃 |
3 |
프로판 (Propane) |
CH3 CH2 CH3 |
-187 |
-42 |
〃 |
4 |
부 탄 (Butane) |
CH3 (CH2)2 CH3 |
-138 |
0 |
〃 |
5 |
펜 탄 (Pentane) |
CH3 (CH2)3 CH3 |
-130 |
36 |
액체 |
6 |
헥 산 (Hexane) |
CH3 (CH2)4 CH3 |
-95 |
69 |
〃 |
7 |
헵 탄 (Heptane) |
CH3 (CH2)5 CH3 |
-91 |
98 |
〃 |
8 |
옥 탄 (Octane) |
CH3 (CH2)6 CH3 |
-57 |
126 |
〃 |
9 |
노 난 (Nonane) |
CH3 (CH2)7 CH3 |
-54 |
151 |
〃 |
10 |
데 칸 (Decane) |
CH3 (CH2)8 CH3 |
-30 |
174 |
〃 |
IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry, 국제 순수 및 응용화학 연합)
가스의 제조
▣ 제조 공정
1. 상압증류공정 : 원유 중 각 성분의 끓는점차를 이용하여 증발, 응축 및 조작에 의해
분리하는 방법.
표. 원유(석유)의 증류로부터 얻은 주요 부분
끓는 범위(℃) |
이 름 |
주성분의 탄소 원자수 |
용 도 |
<20 |
가 스 |
C1 ~ C4 |
연료, 조리용, 화학원료 |
20~200 |
나프타:직류가솔린 |
C5 ~ C12 |
연료, 용매(b.p.=30~60) |
200~300 |
케로센 |
C12 ~ C15 |
연료(등유) |
300~400 |
연료용 기름 |
C15 ~ C18 |
가정용 난방연료, 디젤 연료(경유) |
>400 |
|
>C18 |
윤활유, 그리스, 파라핀왁스, 아스팔트 |
2. 열분해공정 : 원유, 중유 및 나프타 등의 분자량이 큰 탄화수소 원료를 고온(800~ 900℃)으로 분해하여 10,000kcal/Nm3 정도의 고열량 가스를 제조하는 방법.
⇒ 수소(H2), 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4) 및 프로필렌(C3H6)과 같은 탄화 수소 가스와 경유(벤젠, 톨루엔), 나프탈렌 및 중질의 타르까지 폭넓은 생성 물이 생김.
3. 접촉분해공정 : 촉매를 이용 비교적 낮은 온도(400~800℃)에서 탄화수소와 수증기 를 반응시켜 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4) 및 프로필렌(C3H6) 등 저급탄화수소로 변환하는 공정.
4. 부분연소공정 : 중유, 원유 등의 중질류를 촉매하에서 공기와 반응시켜 메탄, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 변환시키는 저압제조법.
5. 수소화분해공정 : C/H비가 큰 탄화수소와 고온․고압조건으로 수소화촉매(Ni 등)를 이용하여 수증기 흐름 중에서 분해시켜 메탄을 생성시키는 방법과 C/H비가 낮은 탄화수소(나프타 등)를 메탄으로 변환시키는 방법.
6. SNG(합성천연가스)공정 : 대체천연가스(Substitute Natural Gas)의 약칭. 천연가스를 대체하는 제조가스. 각종 탄화수소(석탄, 원유, 나프타 및 LPG 등) 을 H2, O2 및 H2O(가스화제) 등을 사용하여 천연가스의 주성분인 메탄을 합성.
▣ 가스 정제
⇒ 제조가스 중 불순물 : 고체(나프탈린, 먼지, 고무 등), 액체(타르, 물 등), 기체(H2S, NO, NO3 등)를 냉각법에 의해 제거.
▣ 열량조정
⇒ 도시가스의 열량조정은 연소기기의 양호한 연소상태를 유지하기 위함.
▣ 도시가스 부취 설비
1. 목적 : 가스가 누설될 경우 초기에 발견하여 중독 및 폭발사고를 미연에 방지하기 위해 위험농도(LPG : 1/1000, 도시가스 : 1/600)이하에서도 냄새로서 충분히 감지하기 위함.
2. 부취제 종류 : 터셔리 부틸 메캅탄(TMB : Tertiary Butyl Mecapthane)
테트라 하이드로 티오펜(THT : Tetra Hydro Thiopene)
디메틸 설파이트(DMS : Dimethyl Sulphite)
3. 부취제 특성
- 독성이 없고 저농도에서 냄새 식별 가능(일반적인 냄새와 확연히 구분될 것)
- 화학적으로 안정.(가스설비나 기구에 흡착 및 부식시키지 않으며, 상용온도에서 응축이 되지 않을 것)
- 완전연소가 가능하고 가렴이 저렴할 것.
- 물에 녹지 않으며, 토양에 대한 투과성이 좋을 것.