소방학개론 (1)

김수영․김은경｜박문각남부행정고시학원

제 1편 소방공학론 : 1. 기초공학

<제 1장 일반화학>

제 1절 원소(element)와 원자(atom)

1. 원자구조

1) 원자핵은 (+)전기를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자가 강한 핵력으로 결합되어 있다.

2) 원자핵 주위에는 (-)전기를 띤 전자가 존재하는데 그 질량은 양성자의 1,836분의 1배로 무시할 수 있을 정도이다.

2. 원소주기율표

1) 주기율표의 세로줄을 족(group)이라 하며, 최외각전자수에 의해 결정된다. 같은 족의 원소들은 화학적 성질이 비슷하다.

2) 주기율표의 가로줄을 주기(period)라고 하며, 전자껍질수에 의해 결정된다.

3) 원자번호 : 양성자수를 말하며 원자는 양성자와 같은 수의 전자를 가지고 있다.

4) 원자량 : 원자의 질량수를 의미한다.

5) 주기율표상의 원소의 성질

족 성 질	1 2 3 4 5 6 7
금속성	금속성 증가	↔	비금속성 증가
전기음성도	전기음성도 감소	↔	전기음성도 증가
산성, 염기성	산화물은 염기성	↔	산화물은 산성

① 1족의 특징

㉮ 알칼리금속(alkaline metals)이라고 한다.

㉯ Li, Na, K은 물보다 가벼운 경금속이다.

㉰ 활성이 대단히 큰 금속으로 3류 위험물에 속한다.

② 2족의 특징

㉮ 알칼리토금속(alkaline 土 metals)이라고 한다.

㉯ 3류 위험물에 속한다.

③ 7족의 특징

㉮ 할로겐(halogen)족이라고 한다.

㉯ 거의 모든 금속과 반응하여 금속염을 만든다.

㉰ 수용액 상태에서 산성을 나타낸다. (할로겐산)

④ 8족의 특징

㉮ 자연계에서 일원자 분자로 존재한다.

㉯ 반응성이 없어 불활성가스(inert gas), 또는 영족기체(noble gas)라고도 불린다.

제 2절 분자 (molecule)

1. 분자의 구분

1) 단원자 분자 : 헬륨, 네온, 아르곤 등 8족 기체

2) 2원자 분자 : 수소(H2), 산소(O2), 질소(N2), 일산화탄소(CO) 등

3) 고분자 : 보통 분자량이 10,000 이상인 화합물

2. 화학식(chemical formula)

1) 실험식(實驗式) : 분자를 구성하는 성분원소의 종류와 그들의 조성비를 나타낸 화학식

2) 분자식(分子式) : 분자를 구성하는 원자와 원자의 수를 원소기호를 써서 나타낸 화학식

3) 시성식(示性式) : 화합물의 성질을 나타내는 작용기를 이용하여 분자의 결합을 나타낸 화학식

4) 구조식(構造式) : 분자를 구성하는 원자나 작용기의 결합상태를 도식적으로 나타낸 화학식

3. 분자에 관련된 법칙

1) 아보가드로의 법칙 : “모든 기체는 같은 온도, 같은 압력 하에서 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 포함한다.”

2) S.T.P(표준상태 : 0℃, 1atm)상태에서 모든 기체의 1몰의 체적은 22.4[eqn: l]이고 6.022×1023개의 분자수를 갖는다.

4. 화학반응식(reaction formula)

1) 활성화에너지(activation energy) 어떤 물질이 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 에너지를 활성화에너지라고 한다.

2) 화학반응의 종류

① 발열반응 : 반응이 진행되면서 열이 방출되는 반응을 발열반응이라고 한다.

② 흡열반응 : 반응이 진행되면서 열이 흡수되는 것으로 반응을 계속 일으키려면 외부에서 열을 가해 주어야만 한다.

제 3절 물질

1. 분류

1) 화합물과 혼합물의 비교

구 분	화합물	혼합물
성분의 분리	화학적인 방법으로 분리	물리적인 방법으로 분리
융점, 비등점	일정함.	일정치 않음.

2) 동소체(allotrope) : 같은 원소로 되어 있으나 모양과 성질이 다른 홑원소물질

※ 동소체 확인방법 : 물질을 태워 연소생성물을 확인한다.

2. 물질의 상태변화

• 기체의 액화조건 : 가압(압축), 냉각

• 액체의 기화조건 : 가열, 감압(팽창)

• 승화성 물질 : 유황, 요오드, 장뇌, 나프탈렌, 드라이아이스, 승홍 등

3. 물리량

1) 온도

① 섭씨체계

㉮ 섭씨온도[℃] : 셀시우스(Celsius) 체계

㉯ (섭씨)절대온도[K] : 켈빈(Kelvin) 체계

② 화씨체계

㉮ 화씨온도[℉] : 파렌하이트(Fahrenheit) 체계

㉯ 화씨절대온도[R] : 랭킨(Rankine) 체계

③ 온도 변환

㉮ [eqn: {t[ CENTIGRADE ]} over {100} ```=` {t prime [ FAHRENHEIT ]`-`32} over {180}]

㉯ T[K] = 273.15 + t[℃]

2) 열에너지

① cal : 순수한 물 1g을 1℃ 상승시키는데 필요한 열량

② BTU : 순수한 물 1파운드(lb)를 1℉ 상승시키는데 필요한 열량

③ 1[kcal] = 3.968[BTU]

④ 1[cal] = 4.186[J],  1[J] ≒ 0.24[cal]

3) 비열 : 단위질량의 물질을 1℃ 올리는데 필요한 열량으로 물의 비열은 1[cal/g℃]이다.

4) 열용량 : 어떤 물질의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량

5) 열량 : 어떤 물질이 가지고 있는 열에너지의 량을 그물질의 열량이라고 한다.

6) 현열과 잠열

① 현열(감열) : 물질이 상태변화 없이 온도변화만 수반할 때 수수(授受)하는 열

[eqn: Q````=``m`․``c``․` DELTA t``[cal]`````]

Q  : 열량[cal], m  : 물질량[g], c  : 비열[cal/g℃], Δt  : 온도차[℃]

② 잠열(숨은열) : 물질이 온도변화 없이 상태변화만 수반할 때 수수(授受)하는 열

[eqn: Q`````=``m`․``r`[cal]`]

[eqn: (`m``:`물질량[`g`]`,`````r``:`잠열[`cal/g`]`)]

※ 물의 기화잠열 : 539[cal/g], 융해잠열 ≒ 80[cal/g]

4. 기체의 법칙

1) 보일의 법칙 : 절대온도(T)가 일정할 때 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다.

즉, T[K] = 일정할 때 [eqn: P``` PROPTO {1} over {V}] ,   ∴ [eqn: {P _{2}} over {P _{1}} ```=` {V _{1}} over {V _{2}}]

2) 샬의 법칙 : 압력이 일정할 때 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.

즉, P = 일정할 때 V ∝ T,   ∴ [eqn: {T _{2}} over {T _{1}} ```=` {V _{2}} over {V _{1}}]

3) 헨리의 법칙(Henry's law) : 일정한 온도에서 일정량의 용매에 녹는 기체의 량은 압력에 비례한다.

제 4절 산화와 환원

1. 산화와 산화제

1) 산화(酸化) : 어떤 물질이 산소와 결합하거나, 수소를 잃었을 때를 산화라고 한다.

2) 산화제 : 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질을 산화성물질이라고 하며, 연소반응계에서 조연성역할을 한다.

2. 환원과 환원제

1) 환원(還元) : 어떤 물질이 수소와 결합하거나, 산소를 잃었을 때를 환원이라 한다.

2) 환원제 : 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질을 환원성물질이라고 하며 연소반응계에서 가연물을 의미한다.

제 5절 화학결합

1. 이온결합(ionic bond)  : 양이온과 음이온 사이에 작용하는 정전기적인 인력에 의해 결합하는 것으로 NaCl, CaCl2 등이 있다.

2. 공유결합(covalent bond) : 두 원자가 각각 제공하는 전자(전자쌍)를 서로 공유하며 결합하는 것

1) 극성공유결합 : 물이나 암모니아수, 알코올 등이 대표적이며 극성물질은 극성용매에 잘 녹는다.

2) 비극성공유결합 : 분자 내의 쌍극자 모멘트의 합이 0이 되는 결합으로 비극성물질은 유기용매(벤젠, 톨루엔 등)에 잘 용해된다.

제 6절 산과 염기

1. 산(酸, acid) : 수용액 중에서 해리(解離)하여 수소이온(H+)을 내는 것으로서 일반적으로 금속과 치환될 수 있는 물질을 말한다.

2. 염기(鹽基, base) : 산(酸)의 수소 대신 금속 또는 다른 원자단으로 치환된 형태를 염이라고 한다.

<제 2장 유기화학>

1. 탄소화합물의 분류 : 지방족탄화수소와 방향족탄화수소로 분류한다.

2. 지방족 탄화수소와 그 유도체 : 지방족탄화수소를 쇄식탄화수소라고 하며 포화지방족탄화수소와 불포화지방족탄화수소로 나누어진다.

※ 알칸(Alkane)의 종류

분자식 이름	알킬기 기호	알킬기(R) 이름
CH4 메탄(methane) C2H6 에탄(ethane) C3H8 프로판(propane) C4H10 부탄(butane))	-CH3 -C2H5 -C3H7 -C4H9	메틸(methyl) 에틸(ethyl) 프로필(propyl) 부틸(butyl)

3. 방향족 탄화수소 : 벤젠(C6H6), 톨루엔(C6H5CH3), 크실렌[C6H4(CH3)2] 등

4. 중요한 작용기(원자단)

작 용 기	명 칭	시 성 식	화합물의 명칭
-OH	히드록시기(수산기)	R-OH	알코올류, 페놀류
-COOH	카르복시기	R-COOH	카르복실산
-NO2	니트로기	R-NO2	니트로화합물
-NH2	아미노기	R-NH2	아민
-CN	시안기(청산)	R-CN	시안화물

5. 고분자 화합물 : 단위체(monomer)가 모여서 화학결합을 하는 것을 중합이라고 하며, 중합으로 이루어진 고분자 화합물을 중합체(polymer)라고 한다.

6. 합성수지

1) 열가소성 : 열을 가하여 성형한 뒤에도 다시 열을 가하면 그 형태를 변형시킬 수 있는 수지[폴리에틸렌 수지(PE), 폴리염화비닐 수지(PVC), 폴리프로필렌 수지(PP), 폴리스티렌 수지(PS), 아크릴 수지, 나일론 수지 등]

2) 열경화성 : 열을 가하여 경화 성형하면 다시 열을 가해도 그 형태가 변하지 않는 수지(페놀(bakelite) 수지, 요소(urea) 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지 등)

<제 3장 열역학>

1. 열역학 제0법칙(열평형의 법칙)

2. 열역학 제1법칙(에너지보존의 법칙)

3. 열역학 제2법칙(에너지흐름의 법칙)

4. 열역학 제3법칙(절대영도에서의 엔트로피법칙)

<제 4장 유체역학>

제 1절 유체이론

1. 유체의 정의

1) 물질의 상태

물질(substance)	고체(solid)	Hook의 탄성법칙을 따르는 물질
	유체(fluid)	액체(liquid)와 기체(gas)가 있다.

2) 유체의 분류

① 점성 유무에 따른 분류

㉮ 점성유체 : 유체분자 간의 응집력(점성)으로 인하여 유체유동에 역행하려는 저항력(마찰력)을 갖는 유체

㉯ 비점성유체 : 점성이 없다고 가정한 유체

② 압축성 유무에 따른 분류

㉮ 압축성유체 : 외력(압력)이 가해졌을 때 체적변화. 즉, 밀도변화를 동반하는 유체

㉯ 비압축성유체 : 밀도변화가 없다고 가정한 유체로서 일반적으로 액체를 의미한다.

2. 밀도, 비중량 및 비중

1) 밀도(d, density) : 단위체적당 질량을 밀도라고 한다.

2) 비중(S, Specific Gravity) : 어떤 물질의 질량과 기준물질의 질량과의 비를 비중(比重)이라 한다.

① 고체･액체에서의 기준물질 : 물(4℃), ∴ 물의 비중은 1

② 기체에서의 기준물질 : 공기, ∴ 공기의 비중은 1

③ 그리고 기체(증기)의 비중은 다음의 식으로 구해질 수 있다.

㉮ 증기비중 S

증기비중 = [eqn: {어떤```증기의```분자량} over {공기의```평균분자량 ^{`}} ```=` {M} over {29}]

㉯ 공기 중 혼합가스의 비중(밀도) S

S = [eqn: {p _{v} TIMES d} over {p} ``+` {p-p _{v}} over {p}]

[eqn: p] : 혼합가스의 전압 또는 대기압

[eqn: p _{v}] : 그 온도에서의 순수 증기압(분압)

[eqn: d] : 순수가스의 증기밀도

3. 압력(P, Pressure)

1) 1at(공학기압) = 1[kg/cm2] = 10[mH2O] ≒ 100[kPa] = 0.1[MPa]

2) 1atm(대기압) = 760[mmHg] = 0.76[mHg] × 13.595[mH2O/mHg]

= 10.332[mH2O] = 1.0332[kg/cm2] = 101.3[kPa]

3) ata(절대압력) = atm(대기압) + atg(계기압)

4. 연속방정식(continuity equation)

유량 Q = A·V[m3/sec]

A : 관단면적[m2], V : 유속[m/sec]

5. 베르누이 방정식(Bernoulli′s equation)

1) “비압축성 이상유체의 정상유동에서 유체가 가지는 단위중량당 에너지의 합은 임의의 각 지점에서 일정하다.”

2) 베르누이방정식은 일반물리학의 에너지보존의 법칙에 근거를 두고 있다.

6. 방수노즐에서의 유량측정

1) 방수속도 V : 속도에너지와 위치에너지의 관계식에서 유속은 다음과 같다.

[eqn: V``[m/sec]```=` sqrt {2`g`Z``} `]

2) 방수량 Q

Q[eqn: ``[`l/min]] = [eqn: 0.653`D ^{2} sqrt {P`}]

D : 노즐구경[mm], P : 방수압[kg/cm2]

7. 레이놀드 수(Reynold′s number)

1) 층류(laminar flow) : 유체입자가 서로 층상을 이루며 균일하게 미끄러지듯 흐르는 흐름

2) 난류(turbulent flow) : 유체입자가 서로 섞이면서 불규칙한 궤적을 그리며 유동하는 흐름

8. 배관의 마찰손실

1) 마찰손실수두 ΔHL : 점성을 가진 실제유체가 유동할 때에는 관벽과의 마찰 등으로 인하여 에너지손실이 발생하는데 이를 마찰손실이라 한다.

2) Darcy - Weisbach의 식

[eqn: DELTA H _{L} ```=` lambda TIMES {l} over {D} TIMES {V ^{2}} over {2g} `[`mH _{2} O``]`]

λ : 배관마찰계수,  D : 배관지름[m]

[eqn: l] : 배관길이[m],  유속[m/sec]

제2절 유체기기 등

1. 배관의 종류

KS 번호	규 격 명 칭	KS 기호
KS D 3507	배관용 탄소강 강관	SPP
KS D 3562	압력배관용 탄소강 강관	SPPS
KS D 3564	고압배관용 탄소강 강관	SPPH
KS D 3576	배관용 오스테나이트 스테인레스강관	STS×T

2. 안전밸브 : 추식, 스프링식, 지렛대식

3. check 밸브(역류방지용 밸브)

1) 스윙(swing) 체크밸브

2) 리프트(lift) 체크밸브

3) 스모렌스키(smolensky) 체크밸브

4. 원심펌프 : 소방펌프로는 일반적으로 원심펌프를 사용한다.

1) 볼류트펌프(volute pump) : 안내날개가 없다.

2) 터빈펌프(turbine pump) : 안내날개가 있다.

5. 펌프의 이상 현상

1) 공동현상(Cavitation) : 펌프의 흡입압력이 그 유체의 온도에 해당하는 증기압 이하가 되면 유체가 기화(기포발생)하여 펌프의 성능이 저하되는 현상

① 발생원인

㉮ 펌프의 흡입측 수두(낙차)가 클 때

㉯ 유속이 빠를 때(임펠러의 회전속도가 빠를 때)

㉰ 유량이 과다할 때

㉱ 펌프의 흡입측 관경이 작을 때

㉲ 펌프의 흡입측 배관이 지나치게 길 때

㉳ 흡입측 마찰손실이 과다할 때

㉴ 유체의 온도가 높을 때(증기압 상승)

② 방지대책

㉮ 펌프의 설치위치를 수원 가깝게 또는 수원보다 낮게 설치한다.

㉯ vertical 펌프를 사용한다.

㉰ 펌프 흡입측의 마찰손실을 적게 한다.

㉱ 임펠러의 속도를 늦춘다(비속도를 낮게 선정한다).

㉲ 펌프의 흡입측 관경을 크게 한다.

㉳ 양흡입 펌프를 사용한다.