109 一般警察特考四等 消防警察人員 火災學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查可燃性混合氣體的最小發火能量（Minimum Ignition Energy, MIE）及其受環境條件影響的趨勢。最小發火能量是指在特定條件下，能使可燃性物質與氧化劑形成的混合物發生持續燃燒所需的最低能量，常以電火花能量表示。

MIE 不是可燃物單獨具有的固定常數，會隨混合氣體的初始溫度、壓力及氧氣濃度而改變。解題時應從「混合物是否容易形成足夠的自由基、熱量能否維持反應，以及火焰能否持續傳播」來判斷。

解題方法與三項因素

一、溫度

溫度升高，最小發火能量通常降低。

初始溫度升高時，燃料與氧氣分子的平均動能增加，反應物更容易跨越反應所需的活化能，氧化反應及自由基鏈反應較容易開始。同時，混合物距離自燃或持續燃燒所需的熱狀態更近，火花所須補充的能量因而減少。

反之，初始溫度降低時，分子反應能力減弱，火花必須提供較多能量，才能使局部混合物達到可持續反應的條件，因此 MIE 通常升高。

二、壓力

在其他條件相同且混合物仍處於可燃範圍時，壓力升高通常使最小發火能量降低。

壓力升高會提高單位體積內反應物分子的數量及碰撞頻率，使燃料與氧氣較容易發生反應，也較有利於火焰核形成與火焰傳播，因此所需的發火能量通常減少。壓力降低時，分子碰撞較少，火焰核的熱量與活性粒子較容易散失，MIE 通常增加。

核心觀念

本題考查火災中熱氣體的浮力流動，以及火羽流上升至天花板後形成的天花板噴射流。作答時應依序說明「熱氣流為何形成、火羽流如何發展、碰到天花板後如何流動」，並指出兩者對煙層發展與探測器動作的影響。

火災燃燒釋放熱量，使周圍空氣及燃燒產物升溫。氣體受熱後體積膨脹、密度降低，在重力場中受到浮力作用而向上移動；周圍較冷、密度較大的空氣則補入，形成持續的氣體流動。火焰及其上方因浮力上升的高溫氣體合稱火羽流（Fire Plume）。

火羽流上升至天花板後，受到天花板阻擋，不能繼續垂直上升，因而轉向並沿天花板向外流動，形成天花板噴射流（Ceiling Jet Flow）。

解題方法

採用「熱量造成密度差 → 浮力形成火羽流 → 天花板阻擋造成徑向流動」的因果順序作答。火羽流與天花板噴射流是同一股火災熱氣流在不同位置、受不同邊界條件影響而呈現的流動型態。

一、火災中熱氣流的形成原因

燃燒產生的熱量傳給火焰周圍空氣與燃燒產物，使其溫度升高、密度下降。高溫低密度氣體受到浮力而上升，並在上升過程中捲吸周圍冷空氣，使火羽流質量流率增加、流束逐漸擴大。周圍空氣則因補入而形成相應的流動。

因此，熱氣流的主要形成機制是受熱造成氣體密度降低所產生的浮力；燃燒放熱提供熱源，捲吸則使上升流持續擴大。

二、火羽流的現象

火羽流是火源上方由浮力驅動的上升流，主要現象如下：

1. 向上發展： 火源附近的高溫氣體密度較低，沿火源上方上升。
2. 捲吸周圍空氣： 上升流與周圍空氣間有速度差，會將周圍空氣捲入。火羽流因此由下往上逐漸增粗，質量流率增加。
3. 溫度與速度沿高度改變： 隨著周圍冷空氣加入，羽流被稀釋，中心溫度通常隨高度增加而降低；其速度則受火源熱釋放率、浮力及高度等因素影響。
4. 到達天花板後轉向： 火羽流原本以向上流動為主，碰到天花板後垂直動量受阻，流動轉為沿天花板向外。

描述火羽流捲吸時，可用常見的 Heskestad 羽流質量流率關係表示其趨勢：

其中，$\dot m_p$ 為羽流質量流率，單位為 $\mathrm{kg/s}$；$\dot Q_c$ 為對流熱釋放率，單位為 $\mathrm{kW}$；$z$ 為距火源基準面的高度，$z_0$ 為虛擬原點高度，長度單位為公尺。

核心觀念

本題考查物體表面顏色與輻射熱吸收能力的關係。一般而言，在其他條件相同時，深色、尤其黑色表面對輻射的吸收能力較強；白色表面反射較多，吸收較少。依熱輻射的基本原理，良好的輻射吸收體也具有較強的輻射放射能力。

解題方法

比較各選項對輻射熱的吸收效果即可。黑色表面通常吸收較多入射輻射能量，因此本題選黑色。這是一般物理條件下的定性判斷，題目未限定特定材料、表面處理或輻射波長。

選項分析

核心觀念

本題考查可燃氣體的燃燒範圍。氫氣在常溫常壓空氣中的燃燒範圍為 $4\sim75\%$，通常指氫氣在混合氣中的體積百分比，且須有足夠氧氣才能維持燃燒。

解題方法

題目給定氫氣濃度為 $95\%$，已高於燃燒上限 $75\%$。此時混合氣屬於燃料過濃、氧氣不足的狀態，不在可燃範圍內，因此依題目所給條件點火不會燃燒，選 (A)。

選項分析

• (A) 不會燃燒：正確。 氫氣濃度 $95\%$ 超過燃燒上限，混合氣中的氧氣比例不足以支持燃燒。
• **(B) 會燃燒，而且比氫氣濃度 $50\%$ 燃燒更劇烈：錯誤。

核心觀念

本題考的是火災的控制因素：當倉庫流入的空氣量足以供應室內可燃物燃燒時，燃燒速率主要由可燃物的種類、數量及表面積等燃料條件決定，稱為燃料控制燃燒（fuel-controlled fire）。

若供給的空氣不足，燃燒速率便受氧氣供應量限制，稱為通風控制燃燒（ventilation-controlled fire）。兩者的判斷關鍵是：燃燒所需空氣是否充足。

解題方法

題幹已指出「流入空氣量可充分供給室內火災燃燒」，表示氧氣供應不是限制燃燒的因素。因此，燃燒速率由燃料條件控制，選 (B) 燃料控制燃燒。

選項分析

核心觀念

本題考燃燒型態的分類。擴散燃燒是指燃料與氧化劑在燃燒區內靠分子擴散或流動混合，並在混合界面發生燃燒；燃料與空氣不必事先均勻混合。火柴與蠟燭燃燒時，固態燃料受熱產生可燃蒸氣，蒸氣與周圍空氣接觸、混合後形成火焰，屬於擴散燃燒。

解題方法

先辨認火焰燃燒時真正參與反應的燃料狀態，再判斷燃料與空氣如何混合。火柴木棒受熱熱解，蠟燭蠟體受熱熔化、汽化；燃燒主要發生在這些可燃蒸氣與周圍空氣混合的區域。由於燃料與空氣不是預先混合後再燃燒，而是在燃燒區附近才混合，因此判為擴散燃燒。

選項分析

核心觀念

本題考「開口率」對房間火災發展與閃燃時間的影響。開口率愈小，表示通風開口相對愈少，室內供氧與排出熱煙的條件較差。在其他條件相同時，火勢成長及室內溫度上升較慢，因此需要較長時間才會達到閃燃條件。

解題方法

閃燃是室內火災由局部燃燒迅速轉為室內多數可燃物表面同時燃燒的現象。判斷本題時，抓住開口率對室內火災發展速度的影響即可：開口率降低，通風條件受限，火災成長較慢，達到閃燃所需的時間因而延長。

選項分析

核心觀念

本題考室內火災發展的階段順序。典型火災發展可概分為起火期、成長期、最盛期及衰退期；閃燃則是火勢由成長期轉入全面燃燒的重要現象，通常不另列為最盛期之後的階段。

最盛期時，室內可燃物大範圍燃燒，火勢與熱釋放率達高峰。之後，隨著可燃物逐漸耗盡、供氧條件改變，或受到滅火作用，火勢與溫度會逐步下降，進入衰退期。

解題方法

先抓題目關鍵詞「最盛期之後」，再依火災發展順序判斷：

因此，最盛期的下一階段是衰退期。

核心觀念

本題考一氧化碳（CO）濃度與暴露時間對人體的急性危害。CO 無色、無味，吸入後會與血紅素結合形成碳氧血紅素，降低血液攜氧能力，使人體組織缺氧；濃度越高，發生嚴重症狀及死亡所需的時間越短。

濃度換算如下：

依本題採用的火災學濃度—症狀對照資料，CO 達 $10{,}000\ \mathrm{ppm}$ 時，屬於極高濃度，可能在極短時間內致死。

解題方法

先把題目濃度換算成百分比：$10{,}000\ \mathrm{ppm}=1\%$。再對照考試常用的 CO 濃度與症狀表，判斷此濃度不是數小時後才出現輕微不適，而是可在約 1 分鐘內造成致命結果。因此選項應為「1 分鐘內即死亡」。

選項分析

核心觀念

油脂類在空氣中長時間接觸氧氣，會與氧發生緩慢氧化反應，反應過程釋出熱量。若散熱不及、熱量持續累積，溫度便會升高，最後達到燃燒條件而自行起火。這種自然發火的發熱原因是氧化熱。

解題方法

先辨認題幹中的可燃物「油脂類」，再連結其自然發火的典型機制：油脂與空氣中的氧氣反應，反應放出的熱逐漸蓄積。因此應選表示氧化反應所生熱量的選項。

選項分析

核心觀念

本題考查火場的複燃（backdraft）。火災居室內氧氣不足時，燃燒可能轉為不完全，累積大量高溫可燃氣體；此時若破壞門窗，使新鮮空氣迅速進入，氧氣與可燃氣體混合後可能猛烈燃燒，形成突發性的火焰或壓力效應，危及進入火場的消防人員。

解題方法

抓住題幹的因果關係即可判斷：通風受限、可燃氣體累積，開口後新鮮空氣進入，導致瞬間劇烈燃燒，這正是複燃的典型特徵。題目描述的是通風條件改變後引發的燃燒現象，而不是單純的升溫、物質自行起火或爆轟波。

選項分析

• **(A) 閃燃（flashover）錯誤：**閃燃是火災室內受熱後，室內可燃物表面幾乎同時開始燃燒的快速轉變，主要成因是熱輻射使可燃物達到著火條件；題幹所述「開口引入新鮮空氣」不是其判別重點。

核心觀念

本題考查爆炸性物質的基本特性。爆炸是物質在短時間內迅速反應，產生大量氣體與熱量，並因壓力急遽升高而造成破壞。炸藥通常須受熱、撞擊、摩擦或由起爆藥引發，才能開始爆炸反應；部分物質也具有吸濕性，受潮會影響其爆炸性能。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合爆炸性物質的一般特性。特別注意「不需外界供給能量」：炸藥雖能在爆炸時迅速釋放大量能量，但通常仍須先由外界刺激或起爆作用引發反應，不能因此說它不需要引發能量。

選項分析

核心觀念

本題以可燃性高壓氣體的「爆炸範圍」判斷危險性。爆炸範圍是可燃氣體與空氣混合時，能發生燃燒或爆炸的濃度區間，以體積百分比表示。下限（LEL）越低、上限（UEL）越高，爆炸範圍越寬，氣體在不同混合濃度下都可能形成可燃混合物，通常危險性也越高。

解題方法

比較各選項的爆炸範圍寬度：

範圍越寬，表示可燃濃度區間越大。各選項計算如下：

• (A) $10-1.6=8.4$ 個百分點
• (B) $8.5-1.8=6.7$ 個百分點
• (C) $80.5-2.5=78$ 個百分點
• (D) $17.4-10.7=6.7$ 個百分點

核心觀念

本題考查熱傳導的傅立葉定律。對均質材料而言，熱傳率與材料的熱傳導係數、傳熱面積及溫度梯度成正比：

其中，$\dot{Q}$ 為單位時間的熱傳量，$k$ 為熱傳導係數，$A$ 為垂直於熱流方向的面積；負號表示熱量由高溫處傳向低溫處。

若材料厚度為 $L$，兩端溫度差為 $\Delta T$，且熱傳導係數與截面積固定，則可寫成：

因此，熱傳量與溫度差成正比。

解題方法

依傅立葉定律，在其他條件固定時，熱傳率的大小可視為：

溫度差增加為原來的兩倍，熱傳率也增加為原來的兩倍；溫度差減半，熱傳率也減半。故溫度差與熱傳量呈一次方正比，選 (B)。

核心觀念

本題考查平板的一維穩態熱傳導，使用傅立葉熱傳導定律：

其中，$\dot Q$ 為單位時間傳遞的熱量（熱傳率），$k$ 為熱傳導係數，$A$ 為垂直於熱流方向的截面積，$\Delta T$ 為兩面溫差，$L$ 為板厚。題目所稱「通過鐵板傳導之熱量」，依選項單位判斷，應求熱傳率，單位為瓦特（W）。

解題方法

先統一單位並代入公式：

• 板厚：$L=2\ \mathrm{cm}=0.02\ \mathrm{m}$
• 溫差：$\Delta T=60-20=40\ \mathrm{K}$
• 熱傳導係數：$k=70\ \mathrm{W/(m\cdot K)}$
• 截面積：$A=0.5\ \mathrm{m^2}$

因此：

核心觀念

本題考查熱傳學中的熱對流係數 $h$。對流熱傳可用牛頓冷卻定律表示：

其中 $h$ 的單位為 $\mathrm{W/(m^2\cdot K)}$。自然對流是流體因受熱或冷卻而產生密度差，進而形成浮力流動；強制對流則是由風扇、泵浦等外力使流體流動。兩者常見的熱對流係數範圍不同。

解題方法

辨識題目問的是「自然對流」的典型係數範圍。一般工程與火災學教材所列的自然對流係數約為 $5\sim25\ \mathrm{W/(m^2\cdot K)}$；強制對流的係數通常較高。依此對照選項，選出符合該範圍者。

選項分析

核心觀念

本題考查輻射熱強度與距離的平方反比關係。將火源視為向外輻射能量的點源，若周圍條件相同，輻射能量分布在以火源為中心、半徑為 $r$ 的球面上，球面積與 $r^2$ 成正比，因此：

其中 $q''$ 為輻射熱通量，單位為 $\mathrm{kW/m^2}$。

解題方法

已知距離火源 $3\ \mathrm{m}$ 處的輻射熱通量為 $20\ \mathrm{kW/m^2}$，求距離火源 $1\ \mathrm{m}$ 處的數值。依平方反比關係：

因此：

距離由 $3\ \mathrm{m}$ 縮短為 $1\ \mathrm{m}$，輻射熱通量增加為原來的 $9$ 倍。

選項分析

核心觀念

本題考查燃燒所需的氧氣濃度。空氣中的氧氣濃度降低時，火焰燃燒會逐漸減弱；一般而言，當氧氣濃度降至約 $15\%$ 以下，多數物質的燃燒便甚難持續。此數值是一般性判斷基準，實際所需氧氣濃度會因可燃物種類、溫度及燃燒條件而異。

解題方法

題目問的是「大多數物質燃燒甚難持續」的氧氣濃度界線，應辨認為常見的缺氧熄火判斷值，約為 $15\%$。空氣中氧氣正常濃度約為 $21\%$；將氧氣濃度降至約 $15\%$，即足以使多數物質難以維持燃燒，因此選 D。

選項分析

核心觀念

本題考「均一系燃燒」與「非均一系燃燒」的區別。判斷重點是：燃料與氧化劑是否處於同一相態，以及燃燒反應是否發生在均勻混合的氣相中。

燃料與氧化劑在同一相態、形成均勻混合物後進行的燃燒，稱為均一系燃燒；若燃燒涉及不同相態，或反應主要發生在固體、液體表面，則屬非均一系燃燒。

解題方法

逐一判斷各選項的燃燒型態：氣態燃料與氣態氧化劑混合燃燒，符合均一系燃燒；液體燃料通常先汽化，再與空氣混合燃燒，固體燃料則常在表面或經氣化後燃燒，不能直接視為均一系燃燒。

選項分析

核心觀念

本題考「臨界熱通量」（Critical Heat Flux, CHF）的意義。火災學中，臨界熱通量是可使可燃材料達到點燃條件的最低入射熱通量。熱通量表示單位時間內傳遞至單位面積的熱量，常用單位為 $\mathrm{kW/m^2}$。

解題方法

掌握定義即可判斷：臨界熱通量著重於熱量傳遞達到「足以點燃材料」的臨界值，因此要找的是點燃所需的最小熱通量，而非一般加熱、冷卻或抑制分解所需的熱通量。

選項分析

核心觀念

本題考防煙對策的基本原則：減少煙的產生、阻止煙擴散，並以排煙設備將煙排出建築物或控制區域。排煙的目的在於把煙排向室外，不能把煙排向建築物內部。

解題方法

先判斷各選項是否符合「減少煙源、限制煙流、排出煙氣」這幾項防煙作法。遇到排煙設備的敘述，特別留意煙氣的排放方向；若將煙導回室內，就不符合排煙目的。

選項分析

核心觀念

本題考查通風控制燃燒時，開口部火焰的形狀與噴出特性，以及火焰對外牆上方樓層的延燒風險。室內燃燒受通風量限制時，開口的大小與形狀會影響火焰噴出量、火焰貼附牆面的程度及其向上延伸情形。

解題方法

逐一檢視敘述是否符合開口部火焰的特性。開口面積會影響噴出火焰的規模；開口的高寬比例則會影響火焰形狀及與牆面的相對位置。因此，即使開口面積相同，開口高度不同，仍不能推論火焰的延燒風險不受影響。

選項分析

• (A) 正確。 在通風控制燃燒條件下，開口面積增加，通常代表可供燃燒與排出煙氣的通道增大，噴出火焰的規模與強度也會提高，因而增加外牆延燒的危險。
• **(B) 正確。

核心觀念

本題考查地下建築物的防火計畫。地下空間出入口及避難方向辨識不易，通路一旦蓄積煙熱，也會增加疏散與救災困難，因此防火計畫應重視火源管理、防火區劃、清楚簡明的通路，以及適當的管理組織與避難空間。

本題並非要求套用計算公式或特定法條。以下依命題當年（民國 109 年）的考題用語與防火計畫原則判斷。

解題方法

逐項檢視各敘述是否符合地下建築物的防火計畫原則。選項中，「多元化管理體制」與「落實執行力」並不相符；地下建築物應建立明確、統一且有效的管理指揮體制，才能在火災時迅速通報、疏散及應變。因此錯誤選項為 (C)。

選項分析

核心觀念

本題考的是火災時，火焰由外牆窗口噴出後，向上延燒至上層窗口的防止方法。窗口噴焰的延燒程度，會受開口條件、室內火災規模，以及上下層開口間外牆構造影響。可透過降低火災規模，或在外牆設置能遮擋、導引噴焰的構造，減少上層窗口受火。

解題方法

逐一判斷各措施對窗口噴焰的影響：降低屋內可燃物火載量可減少火災規模；窗戶上下加設向外突出的平臺，可阻隔或偏轉上升火焰；增加上下樓層窗戶間的側壁長度，可拉開噴焰與上層開口的距離，降低延燒機會。反之，若加大窗戶開口面積，會增加通風條件，使火勢與窗口噴焰更為發展，並不利於防止上層延燒。

選項分析

核心觀念

本題考查粉塵爆炸的影響因素。粉塵是否容易爆炸，與其可燃性、粒徑、含水量及惰性物質含量等有關。粉塵越細，與氧氣接觸的總表面積越大，燃燒反應越快；水分和灰分則會吸收熱量或稀釋可燃成分，通常會降低爆炸性。

解題方法

逐項判斷各因素對粉塵燃燒的促進或抑制作用：

• 促進爆炸：粒子較細、可燃性較強、分散良好。
• 抑制爆炸：含水量較高、灰分較高，或粉塵已部分氧化。

選項分析

(A) 粉塵的化學組成，已氧化者，其反應性較小：正確。 粉塵已氧化，表示部分可燃成分已反應，剩餘可供燃燒的物質減少，因此反應性較小、爆炸性較低。

核心觀念

分解爆炸是某些物質在沒有外界氧氣參與下，因自身分解而迅速放熱、生成氣體並造成壓力上升的爆炸現象。常見例子包括乙炔、臭氧及某些不穩定化合物。題目考的是分解爆炸的發生條件，以及壓力對分解反應的影響。

解題方法

逐項判斷敘述是否符合分解爆炸特性。特別注意「界限壓力」：分解爆炸有適當的壓力範圍；壓力高於界限時，分解反應會受到抑制，並非趨於停止。因此，宣稱「界限壓力以上反應趨於停止」的敘述有誤。

選項分析

核心觀念

本題考查粉塵爆炸洩壓設計的考量因素。粉塵爆炸初期，洩爆孔或爆炸氣道須在容器內壓力升至危險程度前提供足夠洩壓能力，使爆炸後的降低壓力不超過容器可承受的範圍。設計時會考慮粉塵爆炸猛烈程度、容器條件及洩壓口尺寸等因素。

解題方法

逐項判斷選項是否會影響爆炸壓力或洩壓能力：

• 粉塵爆炸的最大壓力上升速度，反映爆炸發展的猛烈程度。
• 容器體積會影響爆炸壓力的累積與洩壓需求。
• 氣孔比是洩壓開口相對於容器的比例，會影響排氣能力。
• 地板材質則不是容器洩壓設計的直接參數。

選項分析