불의 정체

불이란 화학적으로는 물질의 연소(물질의 급격한 산화)에 수반하여 일어나는 현상 혹은 연소의 일부라고 생각되는 현상이다.

불은 열과 빛을 발생시키고 다양한 화학물질을 생성한다. 기체가 연소하여 발생하는 심한 것은 화염이라고 불린다. 연기가 열과 빛을 가진 형태로 기체가 나타내는 하나의 모습이며 기체가 이온화되어 플라즈마를 발생하고 있는 상태이다. 연소하는 물질의 종류나 함유하고 있는 물질에 의해 불꽃의 색이나 강도가 변화한다.

인류의 불에 대한 이해는 크게 변천해 왔다. 상징적인 이해는 고대부터 현대까지 힘을 가지고 있다. 또 이지적으로는 고대 그리스에서는 4대 원소의 하나로 생각되었다. 서구에서는 18세기 무렵까지 이런 생각이었다. 18세기에 영향력을 가진 플로기스톤설도 과학사적으로 중요하다.

인류는 옛날 불을 조명, 조리, 난방, 신호를 주고받기 위해 사용했으며 근대 이후에는 동력원으로도 불을 이용해 왔다. 불의 사용으로 처음으로 인류는 문명을 가질 여유를 갖게 되었다거나 불을 문명의 상징으로 생각하는 사람도 있다. 이것은 그리스 신화에서 '프로메테우스의 불'의 이야기를 상기시킨다. 그 후에도 불은 인간의 생활 속에서 매우 큰 지위를 차지했고 불을 일으키기 위한 연료의 확보는 모든 시대에 있어서 정치의 기본이 되었다. 특히 20세기 중반 이후에는 가장 널리 사용되는 연료는 석유이며 산유국은 막대한 이익을 올리고 석유 가격의 변동은 세계 경제에 큰 영향을 미친다.

불은 화재를 일으킬 수 있으며 물적 손해를 입을 수 있다. 또한 생태계에도 영향을 미치는 중요한 과정이다. 불은 어느 면에서는 생태계를 유지하고 생물의 성장을 촉진하는 효과를 가진다. 또 불은 수질·토양·대기 등을 오염시키는 원인이라는 측면도 있다.

▣ 불의 구조
불은 염심과 내염, 외염으로 구성되어 있다. 가장 밝은 것은 내염이다. 탄소가 가장 많이 포함되어 있기 때문이다. 가장 뜨거운 것은 외염이다. 산소와 가장 많이 접촉하기 때문이다. 또한 내염은 불완전 연소를 일으킨다.

최근에는 '연소에 의해 해방된 에너지 때문에 연소하고 있는 물체는 발광한다'고 설명하는 경우가 있다.

불에는 연료와 산소와 열이 필요한다. 불을 붙이기 위해서는 가연물, 산소가스 등의 산화제, 이 혼합물이 인화점을 넘는 데 필요한 열이 필요하다. 불이 점화되면 연소에 의해 생성된 열에너지가 추가 연소를 일으키고 연소를 계속하려면 연쇄반응을 생성하기 위해 연료와 산소가 연속적으로 공급되어야 한다. 불은 이러한 요소가 갖추어지지 않는 환경에서는 존재하지 않는다. 연료와 산소뿐만 아니라 촉매가 필요할 수 있다. 촉매는 그 자체가 연소하지는 않지만 화학반응을 촉진하는 역할을 한다.

불을 끄려면 위의 요소 중 하나를 제거해야 한다. 예를 들어 천연가스에 붙은 불을 끄려면 다음 중 하나를 수행하면 된다.

• 가스 공급을 중단한다 - 연료를 제거한다.
• 화염을 무언가로 완전히 밀봉한다 - 산소 공급을 차단하고 화염 주위에 CO2를 채운다.
• 물을 대량으로 뿌리고 불꽃이 열을 발생하는 것보다 빠르게 열을 빼앗는다. 냉기를 불어넣어도 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.
• 할로메탄과 같은 반응 지연제를 사용한다. 연소의 화학반응 자체를 지연시켜 연쇄반응을 방지한다.
반대로 연소효율을 높임으로써 불을 강화할 수 있다. 이를 위해서는 화학량론적으로 서로 맞닿은 형태로 연료와 산소의 공급량을 조정한다. 이것에 의해 불의 온도도 높아져 연쇄반응도 강해지지만 동시에 촉매를 필요로 하는 경우도 있다.

화염은 가시광선 또는 적외선을 방출하는 화학반응 중의 기체와 고체의 혼합물이며 그 주파수 스펙트럼은 연소물 및 중간 생성물의 화학조성에 따라 다르다. 나무와 같은 유기물을 태우거나 가스를 불완전하게 연소하면 그을음이라는 빛나는 고체입자가 생겨 붉은색에서 오렌지색 불꽃이 발생한다. 불의 빛은 연속적인 스펙트럼을 가지고 있다. 가스가 완전히 연소되면 화염 속에서 여기된 분자의 전자가 다양한 전이를 일으켜 단일 파장의 빛을 방출하기 때문에 약간 어두운 청색의 빛이 된다. 일반적으로 불에는 산소가 필수이지만 수소와 염소가 화학반응하여 염화수소가 되는 경우도 화염을 발생시킨다. 그 밖에도 불소와 수소, 히드라진과 사산화이질소의 화학반응도 화염을 발생시킨다.

불꽃의 빛은 복잡한다. 그을음, 가스, 연료의 입자 등이 흑체방사하지만 그을음의 입자는 완전한 흑체로서 거동하기에는 너무 작다. 또한 가스 내에서 하향 천이한 원자나 분자가 광자를 방출한다. 방사선의 대부분은 가시광선과 적외선 범위에 있다. 색은 흑체 방사선의 온도 및 연소와 관련된 물질의 화학조성에 따라 변한다. 불꽃의 색을 가장 좌우하는 것은 온도이다. 산불의 사진을 보면 다양한 불꽃의 색이 보인다. 지표 부근이 가장 격렬하게 연소되기 때문에 유기물이 가장 고온에서 연소될 때 백색 또는 황색 불꽃이 보인다. 그 위에 약간 온도가 낮은 오렌지색 화염이 있으며 더 온도가 낮은 붉은 불꽃이 보인다. 붉은 불꽃 위에서는 연소가 일어나지 않고 연소하지 못한 탄소 입자가 검은 연기가 된다.

미 항공우주국(NASA)은 화염 형성에 중력도 어떤 역할을 하고 있음을 발견했다. 중력조건이 다르면 화염의 모양과 색이 바뀐다. 통상 중력 하에서는 대류에 의해 그을음이 위로 올라가기 때문에 노란색이 된다. 우주공간 등 무중력 상태에서는 대류가 일어나지 않기 때문에 불꽃은 구상이 되어 완전히 연소하기 때문에 파랗게 된다. 다만 연소로 인해 발생한 이산화탄소가 그 자리에 머물기 때문에 천천히 이동시키지 않으면 불이 사라져 버린다. 이 차이에 대한 설명은 여러 가지로 생각되지만, 온도가 모든 방향으로 똑같이 전달되기 때문에 그을음이 발생하지 않으며 완전연소를 한다는 설명이 가장 합리적이라고 볼 수 있다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 火
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB