물의 표면장력 (Surface tension of water)

1. 표면장력의 개념

1.1. 표면장력이란?

- 표면장력은 액체 내부에서 분자 간 응집력으로 인해 발생하는 힘을 의미합니다. 액체의 표면은 분자 간의 불균형한 인력에 의해 마치 팽팽한 막처럼 작용하게 되며, 이로 인해 표면장력이 발생합니다.
- 단위 길이당 작용하는 힘으로 나타내며, 단위는 N/m입니다.

 

1.2. 표면장력의 특성

  - 액체 내의 수소결합이 강할수록 표면장력이 증가합니다.
  - 물은 높은 표면장력을 가지며, 이를 감소시키는 방법으로 소화 효율을 높일 수 있습니다.

 

2. 소화용수의 방사 특성

표면장력은 물방울의 형성과 방사 특성에 큰 영향을 미칩니다. 물방울의 크기와 방사되는 패턴은 화재 진압의 효과를 결정짓는 중요한 요소입니다.

2.1. 표면장력이 높은 경우

- 물방울이 더 크고 구형을 이루는 경향이 있습니다.
- 크기가 큰 물방울은 방사가 안정적이지만, 연소물 표면적에 충분히 닿지 못해 냉각 효과가 감소할 수 있습니다.
- 물의 표면적이 제한되어 불꽃 및 연소체와의 접촉이 줄어듭니다.

2.2. 표면장력이 낮은 경우

- 표면장력을 줄이면 물방울이 미세한 입자로 형성되어 연소물 위에 고르게 분포됩니다.
- 작은 물방울은 연소체와의 접촉 면적을 극대화하고, 증발 속도를 높여 더 많은 열을 흡수할 수 있습니다.
- 결론 :  표면장력이 낮아질수록 화재 진압 능력이 향상됩니다.

3. 소화 효율의 향상

3.1. 표면장력을 줄이기

- 소화용수에 습윤제(wetting agent) 또는 계면활성제를 첨가하여 표면장력을 감소시킬 수 있습니다.
- 습윤제를 사용하면 물의 침투력이 증가하고, 연소체 내부로 더 깊숙이 스며들어 소화 효과를 극대화할 수 있습니다.

3.2. 습윤제의 주요 효과

 -  침투력 증가 : 물이 표면에 퍼지는 속도가 빨라지고, 연소체 깊숙이 스며들어 화재를 효율적으로 억제합니다.
 -  화재 초기 확산 억제 : 표면장력이 낮아지면 물이 연소체 위에 고르게 분포하며, 화염 확산을 효과적으로 차단합니다.

4. 포소화제와 표면장력

 

4.1. 포소화제의 원리

- 포소화제는 표면장력을 감소시키는 특성을 활용하여 연소물 위에 안정적인 거품층을 형성합니다.
- 거품층은 산소와 연소체의 접촉을 차단하여 연소를 억제하고, 열 방출을 막아 화재를 진압합니다.

4.2. 포소화제의 주요 특징

 -  거품 안정성 : 표면장력을 적절히 조절하면 거품이 더 오래 지속되어 산소 차단 효과가 강화됩니다.
 - 기름 화재에서의 효과 : 기름 표면과 물이 잘 섞이지 않는 문제를 표면장력을 낮춤으로써 해결하여 소화 효과를 극대화할 수 있습니다.

5. 스프링클러 및 소화기 설계

표면장력은 스프링클러와 소화기에서 방출되는 물의 분사 패턴에 영향을 미칩니다. 이는 소방 설계에서 매우 중요한 요소로 작용합니다.

5.1. 스프링클러에서의 적용

- 스프링클러는 연소물에 물을 방사하여 온도를 낮추고 화염을 억제합니다.
- 표면장력이 낮아지면 미세한 물방울을 생성할 수 있어 연소체와의 접촉 면적이 증가하고, 열 흡수와 냉각 효과가 향상됩니다.

5.2. 소화기에서의 적용

- 특히, B급 화재(기름 화재)에서는 표면장력이 낮은 소화제를 사용하여 기름과 물이 섞이지 않는 문제를 극복할 수 있습니다.
- 이를 통해 화재 유형에 맞는 소화 성능을 최적화할 수 있습니다.

6. 화학적 소화에서의 표면장력

- 고체 및 액체 화재에서 표면장력을 조절하여 소화 속도를 높이고, 물의 효과를 최적화할 수 있습니다.
- 기름 화재의 경우, 계면활성제를 첨가하여 물과 기름 간 계면에서 소화제가 잘 작용하도록 만듭니다.

7. 표면장력과 화염 확산

액면온도가 인화점보다 낮은 경우
  - 화염에 의해 액면 온도가 증가하면서 표면장력이 감소합니다.
  - 이는 화염 확산 속도를 증가시키는 요인으로 작용합니다.

8. 결론

- 소화 성능을 극대화하기 위해 습윤제, 포소화제, 계면활성제를 적절히 사용하고, 소방 설계에 이를 반영해야 합니다.
- 특히 스프링클러와 소화기 설계, B급 및 C급 화재 대응에서 표면장력의 물리적 특성을 잘 활용하는 것이 중요합니다.