110 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

本題考查氣體燃燒的燃燒四要素、壓力對燃燒範圍與點火難易度的影響，以及可燃性氣體開始燃燒所需的組成條件與能量條件。作答時須把「混合氣能否燃燒」和「是否有足夠能量引燃」分開說明。

氣體燃燒通常呈有焰燃燒，氣體與空氣混合後，若濃度落在燃燒範圍內，且有足夠的點火能量，火焰即可傳播。若可燃氣體與空氣在點火前已混合，屬預混燃燒；若燃料與空氣在燃燒區才混合，則屬擴散燃燒。瓦斯外洩後與空氣混合並遇火源，實際燃燒型態依混合與供氣情況而定。

解題方法

依序說明四項燃燒要素，再交代環境壓力的影響，最後以「組成條件＋能量條件」整理發火條件。此架構能涵蓋題目指定的各面向，也能避免把燃燒範圍、氧氣含量和點火能量混為一談。

一、氣體燃燒的四要素

1. 可燃物 可燃性氣體是燃料，例如甲烷、丙烷、氫氣及乙炔。燃料須與空氣或氧氣形成適當比例的混合氣；濃度低於燃燒下限時過稀，高於燃燒上限時過濃，通常都不能在該狀態下維持火焰傳播。

2. 助燃物 常見助燃物是空氣中的氧氣，乾燥空氣的氧氣體積比例約為 $21\%$。氧氣供應不足會抑制燃燒，充足則有利於火焰維持。燃燒所需的最低氧濃度會因燃料、溫度、壓力及測試條件而異，因此不能將單一氧濃度數值視為所有可燃氣體通用的燃燒界線。

3. 熱能或發火源 點火源須提供足夠能量，使混合氣局部升溫並開始反應。發火源包括明火、電氣火花、靜電放電、炙熱表面、撞擊摩擦產生的火花，以及壓縮造成的升溫等。對氣體而言，所需的最低點火能量可能很低；例如氫氣、乙炔的最小點火能量約為 $0.02\ \mathrm{mJ}$，容易被微小火花引燃。

4. 未受抑制的連鎖反應 初始反應產生的活性粒子會引發後續反應，並釋出熱量。若熱量與活性粒子足以維持反應，火焰便能持續傳播；若散熱或抑制作用大於反應生成，燃燒就會減弱或熄滅。火焰的熱回饋也會促使周圍混合氣升溫，增加燃燒持續性。

二、環境壓力的影響

核心觀念

本題比較兩種不同的火災危險現象：

1. 液化氣體容器的蒸氣爆炸：容器受熱、內壓升高，容器壁強度又因高溫而降低，最後破裂；液體瞬間降壓、急速汽化膨脹，形成沸騰液體膨脹蒸氣爆炸（BLEVE）。若內容物可燃，爆炸後還可能形成火球。
2. 原油或重質油的沸溢（Boilover）：油品燃燒時，熱波向油層深處傳播，遇到底部積水或油中水分後，水急速汽化膨脹，把燃燒中的油大量噴出槽外。

作答重點是分別指出容器受熱破裂前的警訊，以及油槽沸溢前的燃燒與沸騰變化。

解題方法

依「容器外觀與洩壓情形」及「油面、火焰、聲音變化」分類說明。前者著重受熱加壓後的容器危險徵兆；後者著重熱波推進、油水劇烈沸騰前的現象。

一、液化氣體容器發生蒸氣爆炸前的現象

容器遭火焰直接加熱時，內部液體與蒸氣受熱，壓力上升；容器受火面可能因金屬強度下降而更容易破裂。常見警訊如下：

• 安全閥或洩壓口持續排氣，並發出尖銳、刺耳的嘯叫聲：表示容器內壓升高，洩壓裝置正在作用；排氣聲音變大或音調升高，代表危險加劇。
• 容器外表變色、塗層剝落或局部受火燒灼：顯示容器正受到高溫影響，尤其液面以上、未被液體冷卻的容器壁受火時，破裂風險較高。
• 火焰顏色變亮、發白，呈現強烈刺眼感：可作為火場高溫的警訊，表示容器可能承受強烈熱作用。
• 容器出現異常振動、變形或鼓脹：可能表示容器結構已受損或內壓與熱負荷升高。這類現象並非每次爆炸前都會出現，不能等到看見鼓脹才採取避險行動。

核心觀念

本題測驗「熱傳導」（Heat Conduction）之物理機制與「熱傳導係數」（Thermal Conductivity，常以符號 $k$ 或 $\lambda$ 表示）的物理意義及材料特性比較。

1. 傅立葉熱傳導定律（Fourier's Law of Heat Conduction）： 在穩定一維熱傳導狀況下，熱傳導速率方程式為： $Q = k \cdot A \cdot \frac{\Delta T}{L}$ 或以熱通量（Heat Flux, $q''$）表示： $q'' = -k \frac{dT}{dx}$ 式中：

• $Q$：熱傳導速率（$\mathrm{W}$ 或 $\mathrm{J/s}$）
• $k$：材料之熱傳導係數（單位為 $\mathrm{W/(m\cdot K)}$）
• $A$：垂直於熱流方向之傳熱面積（$\mathrm{m^2}$）
• $\Delta T$：兩端之溫差（$\mathrm{K}$ 或 $^\circ\mathrm{C}$）
• $L$：傳導路徑之厚度或距離（$\mathrm{m}$）

2. 熱傳導係數的物理意涵： 熱傳導係數代表材料傳遞熱能的能力指標。在相同幾何尺寸與溫差下，$k$ 值愈大，代表單位時間內所能傳導的熱量愈多，材料的導熱速度愈快；反之，$k$ 值愈小則導熱愈差，常作為隔熱（保溫）材料。

3. 物質相態與組織構造對 $k$ 值之影響：

• 相態順序：分子間距愈小、粒子碰撞或能量傳遞頻率愈高，導熱愈佳。一般通則為：固體 $>$ 液體 $>$ 氣體。
• 固體內部機制：金屬內部擁有大量自由電子進行能量運載，非金屬則主要依賴晶格振動（聲子傳導），因此一般而言：金屬材料 $>$ 非金屬材料。

解題方法

本題為純觀念判斷題，解題切入點有二：

1. 依物質相態微觀結構判斷：分子排列越緊密，動能傳遞越有效率。固體分子最緊密，液體次之，氣體分子間距最大且碰撞隨機，故平均熱傳導係數大小為「固體 $>$ 液體 $>$ 氣體」。
2. 依熱傳導定律之物理量關係判斷：由傅立葉定律可知，傳熱速率 $Q$ 與熱傳導係數 $k$ 成正比；金屬導熱因自由電子效應遠優於非金屬。透過逐一比對各選項之描述即可快速鎖定正解。

選項分析

核心觀念

本題旨在測驗「燃燒四面體（Tetrahedron of Fire）」之四要素與「四大滅火原理」之對應關係，特別著重於鹵化烴（海龍）滅火藥劑的作用機制：

1. 燃燒四要素與滅火原理之對應：

• 可燃物 $\rightarrow$ 除去法（移除或隔絕燃料）。
• 助燃物（氧氣） $\rightarrow$ 窒息法（稀釋或阻隔氧氣接觸）。
• 熱能（溫度） $\rightarrow$ 冷卻法（吸熱使溫度降至著火點以下）。
• 未受抑制之連鎖反應 $\rightarrow$ 抑制法（負觸媒法）（破壞化學連鎖傳遞）。

2. 海龍滅火藥劑機制： 海龍（Halon，如 Halon 1301 $\text{CF}_3\text{Br}$、Halon 1211 $\text{CF}_2\text{ClBr}$）噴入火焰反應區受熱後，能分解出高活性的鹵素自由基（特別是溴自由基 $\text{Br}^\bullet$），可捕捉維持火焰燃燒鏈傳遞的活性氫自由基（$\text{H}^\bullet$）與氫氧自由基（$\text{OH}^\bullet$），使燃燒鏈中斷。

解題方法

本題切入點為「由滅火藥劑特性判定其滅火法，進而導出其控制之燃燒要素」：

1. 海龍屬於典型的化學抑制滅火劑（負觸媒滅火劑）。
2. 抑制法所破壞、干擾與控制的核心要素即為燃燒過程中的連鎖反應。
3. 雖然海龍噴放時伴隨極微量的氣體稀釋與物理冷卻作用，但其滅火臨界濃度極低（通常僅需 $3\%\sim 5\%$），證明其最主要的滅火機制並非物理性冷卻或窒息，而是化學性的阻斷連鎖反應。

核心觀念

本題測驗火災學中**熱對流（Convection）與浮力（Buoyancy）**的物理本質。

1. 理想氣體狀態方程式與密度變化：氣體燃燒受熱膨脹，根據理想氣體方程式 $P = \rho R T$，在定壓大氣環境下，氣體絕對溫度 $T$ 升高，其密度 $\rho$ 相對降低（$\rho_{\text{hot}} < \rho_{\text{ambient}}$）。
2. 阿基米德浮力原理：流體中物體所受浮力 $F_B = \rho_{\text{ambient}} g V$，其本質是周圍流體在重力場下所產生的上下壓力差（$\Delta P = \rho g \Delta h$）。因此，「重力場」是浮力現象能夠成立的根本物理機制。

解題方法

1. 物理機制推導： 燃燒產生的高溫燃燒產物（煙 plume）向上浮起，直觀上看似由「浮力」推動，但浮力的根本來源為重力：

• 在重力場作用下，重力加速度 $g$ 使周圍密度較大的低溫空氣受較大的重力吸引向下沉降。
• 下沉的冷空氣在底部形成較高的流體靜壓力，進而將密度較小的高溫氣體向上推擠排開。 $F_{\text{net}} = (\rho_{\text{ambient}} - \rho_{\text{hot}}) \cdot g \cdot V$ 由此公式可知，若不存在重力場（$g = 0$，如在太空微重力環境中），即使氣體受熱膨脹、產生密度差異，淨浮升力 $F_{\text{net}}$ 依然為零，燃燒產物無法向上浮起，僅能以球形均勻向四周擴散。因此，熱氣體向上浮升的根本作用力為「重力」。

核心觀念

本題測驗火災學中**煙流動的驅動力（Forces Driving Smoke Movement）**與流體力學基本原理。

煙是包含氣體與懸浮微粒的流體混合物。在建築物火災中，氣體的巨觀流動方向必然遵循流體力學定律：流體永遠由高壓區流向低壓區，其流動方向取決於空間中的壓力梯度（壓力差 $\Delta P$）。

火場中推動煙氣流動的幾大主要物理驅動力，其作用本質皆轉化為「壓力差」來主導流動方向：

1. 熱浮力（Buoyancy）：燃燒產生的高溫使氣體密度變小，與周圍冷空氣形成密度差，進而產生向上的浮力壓差。
2. 熱膨脹（Thermal Expansion）：起火室內空氣與燃燒產物急遽受熱膨脹，密閉或半密閉空間內壓力急遽上升，形成高壓並向鄰室或走廊宣洩。
3. 煙囪效應（Stack Effect）：高樓垂直管道（如樓梯間、電梯井）因室內外溫差形成垂直方向的壓力差。
4. 風力效應（Wind Effect）：外界風吹向建築物，在迎風面產生正壓、背風面產生負壓（風壓差）。
5. 機械通風與排煙（HVAC / Mechanical Smoke Control）：排煙風機抽吸形成負壓、加壓送風形成正壓，人為改變流動方向。

解題方法

由「流體運動的動力學機制」切入分析：

• 煙霧的本質為流體，要使流體由一處移動至另一處，必須具備推動力。在牛頓力學與連續體力學中，驅使流體產生巨觀方向性流動的直接因素是「力」的合力，亦即單位面積上的法向力——**壓力（Pressure）**所構成的壓力梯度。
• 建築物火災的所有煙流現象（例如向上竄升、向外側開口溢出、由樓梯間向上擴散等），其根本驅動機制皆是空間各點所存在的壓力差。

核心觀念

本題測驗高樓建築火災防護與避難設計之基本原理。高樓防火安全設計涵蓋「被動防火」（耐火構造、防火區劃、內部裝修限制）與「避難安全計畫」兩大支柱：

1. 防阻火勢擴大：藉由耐火構造維持建築穩定、防火區劃侷限火煙、內部裝修不燃化降低火載量並延緩閃燃（Flashover）。
2. 避難逃生鐵則：建築避難設計的核心為**「雙向避難原則」（Two-way Evacuation Principle）**。避難路徑必須具備替代性與冗餘性，嚴禁使人員陷入僅能單向逃生且易遭火煙阻絕之袋形空間（Dead end）。相關設計基準亦落實於建築技術規則建築設計施工編中關於步行距離、雙向走廊及安全梯設置之規定（以命題當年民國 110 年法規為準）。

解題方法

本題採「避難安全原理與冗餘性」切入分析：

• 高樓火災具備煙囪效應顯著、垂直疏散時間長、外部搶救不易等特性。
• 防火安全設計要求結構不塌（結構耐火）、火煙不擴（防火區劃）、火勢不旺（裝修不燃化）。
• 逃生動線若僅規劃「單一方向」，一旦該處起火或遭濃煙阻斷，通道立即失效形成致命死巷，故避難路徑必然要求至少兩個互不干擾的逃生方向。「單一方向避難」明顯違背防火避難安全設計準則。

核心觀念

本題考查《火災學》中粉塵爆炸（Dust Explosion）的基本燃燒機制與影響因素。

1. 粉塵爆炸反應機制：粉塵為微細固體粒子，燃燒反應主要發生於粒子表面（非均相表面燃燒）或熱分解揮發氣體的氣相燃燒，受「比表面積」（Specific Surface Area）主導。
2. 影響粉塵爆炸感度與威力的物理化學因子：

• 粒徑效應：粒徑大小與比表面積成反比，影響反應活性與著火難易度。
• 水分含量：水分的吸熱冷卻效應與水蒸氣稀釋效應對爆炸的抑制作用。
• 浮游與分布特性：固體微粒受重力與氣流影響，其空間分布與氣體分子擴散行為的差異。

解題方法

本題屬於定性觀念題。解題切入點在於區分「固相粉塵」與「氣相分子」的物理特性差異，並運用燃燒熱力學原理檢驗各環境變數（粒子構造、水分、空間分散度、粒徑大小）對燃燒連鎖反應的影響：

• 粒子反應部位判定：氧氣與熱傳導作用於外表面。
• 水分影響判定：熱容量、潛熱吸熱與惰化效果。
• 空間分布判定：重力沉降 vs. 分子擴散。
• 粒徑影響判定：比表面積公式（球體比表面積 $\frac{S}{V} = \frac{6}{d}$，粒徑 $d$ 愈小，比表面積愈大，活性愈高）。

選項分析

• (A) 錯誤：粉塵燃燒為非均相反應（Heterogeneous reaction）。固體微粒內部的分子無法直接與空氣中的氧氣接觸，燃燒反應主要發生在粒子表面的氧化反應，或是粒子受熱後表面乾餾／熱分解釋出之可燃性氣體與空氣混合後的燃燒，絕非發生於粒子內部。
• (B) 正確：水分具有高比熱（顯熱）與高蒸發潛熱。

核心觀念

本題測驗「火災化學與危險氣體物理性質」，重點在於硫化氫（$H_2S$）的理化特性、毒性、燃燒範圍與蒸氣比重（氣體密度）之判定。 氣體在大氣中的擴散與沉降行為，取決於其蒸氣比重（Vapor Density）： $\text{蒸氣比重} = \frac{\text{氣體分子量}}{\text{空氣平均分子量（約 } 28.84\text{，常以 } 29 \text{ 計算）}}$

• 當蒸氣比重 $< 1$：氣體比空氣輕，易向上浮升擴散。
• 當蒸氣比重 $> 1$：氣體比空氣重，易向低窪處沉降並積聚滯留。

解題方法

解答本題的關鍵在於計算分子量並比較氣體密度：

1. 空氣：平均分子量約為 $28.84$。
2. 甲烷（$CH_4$）：分子量為 $12 + 1 \times 4 = 16$。 $\text{甲烷蒸氣比重} = \frac{16}{28.84} \approx 0.55 < 1$ 比空氣輕，洩漏時向上飄散，易自然通風散失。
3. 硫化氫（$H_2S$）：分子量為 $1 \times 2 + 32 = 34$。 $\text{硫化氫蒸氣比重} = \frac{34}{28.84} \approx 1.18 > 1$ 比空氣重，洩漏時沉降在地面、下水道、地下室或坑道低處，不易自然逸散，極易蓄積達到中毒或爆炸濃度。

因此，硫化氫的密度與甲烷完全不同，且不會自然向上散失，選項 (C) 敘述明顯錯誤。

選項分析

• (A) 具毒性（敘述正確） 硫化氫為強烈神經毒物與化學窒息劑，能抑制細胞色素氧化酶作用。

核心觀念

本題測驗火災學中「熱傳導」（Heat Conduction）之物理特性與常見建築、防火材料的熱傳導係數（熱導率，Thermal Conductivity，記為 $k$）。

依據傅立葉熱傳導定律（Fourier's Law of Heat Conduction）： $q = -k A \frac{dT}{dx}$ 其中：

• $q$ 為熱傳導速率（$\mathrm{W}$）
• $k$ 為材料之熱傳導係數（$\mathrm{W/(m\cdot K)}$ 或 $\mathrm{kcal/(m\cdot h\cdot ^\circ C)}$）
• $A$ 為傳熱截面積（$\mathrm{m^2}$）
• $\frac{dT}{dx}$ 為溫度梯度（$\mathrm{K/m}$）

熱傳導係數 $k$ 為物質本身的熱物理性質，代表物質傳導熱量的能力：

• $k$ 值愈大：傳導熱量愈快，屬於良導體（如金屬類）。
• $k$ 值愈小：傳導熱量愈慢，阻熱效果愈佳，屬於不良導體／隔熱（絕熱）材料（如纖維狀、多孔質材料）。

解題方法

解答此類比較題，不需死記各物質的精確數值，掌握材料類別的數量級順序即可快速解題： $\text{純金屬} > \text{金屬合金} \gg \text{非金屬無機固體（建材）} \gg \text{多孔隔熱／保溫材料}$

各選項材料之常溫熱傳導係數概略值如下：

• 銅：約 $385 \sim 400 \ \mathrm{W/(m\cdot K)}$
• 低碳鋼：約 $45 \sim 50 \ \mathrm{W/(m\cdot K)}$
• 混凝土：約 $0.8 \sim 1.4 \ \mathrm{W/(m\cdot K)}$
• 岩棉：約 $0.035 \sim 0.045 \ \mathrm{W/(m\cdot K)}$

核心觀念

本題考查熱傳導學與火災學中「熱對流（Heat Convection）」的定量描述及常見數值範圍。

1. 牛頓冷卻定律（Newton's Law of Cooling） 固體表面與流體間因對流作用傳遞之熱量，其熱傳率 $q$（或單位面積熱通量 $q''$）可表示為： $q = h A (T_s - T_\infty) \quad \text{或} \quad q'' = h (T_s - T_\infty)$ 其中：

• $h$：熱對流係數（Convective Heat Transfer Coefficient），單位為 $\mathrm{W/(m^2\cdot K)}$
• $A$：固體接觸表面積（$\mathrm{m^2}$）
• $T_s$：固體表面溫度（$\mathrm{K}$ 或 ${^\circ}\mathrm{C}$）
• $T_\infty$：周圍流體溫度（$\mathrm{K}$ 或 ${^\circ}\mathrm{C}$）

2. 對流型態與熱對流係數數量級 火災學與工程熱傳學中，流體種類（氣體或液體）與流動驅動機制（自然對流或強制對流）決定了 $h$ 的典型數量級。火場熱傳遞主要以「空氣（氣體）」為媒介，自然對流完全仰賴流體內部因溫差造成之密度變化與浮力推動，其熱對流係數在各類對流中數值最小。

解題方法

本題切入點為記憶與比對熱傳學文獻（如 Incropera、Holman 等經典教科書）中規範之「各類熱對流機制典型熱對流係數範圍」：

核心觀念

本題測驗熱傳播（Heat Transfer）的三種基本機制：傳導（Conduction）、對流（Convection）與輻射（Radiation）之定義及介質條件。

• 熱輻射（Thermal Radiation）：物質因溫度而以電磁波（主要是紅外線波段）形式放射與吸收能量的熱傳播過程。其最大特徵為完全不需媒介物質，在真空中亦能進行，能量可直接由高溫物體投射至低溫物體。其熱射出量遵循司提芬－波茲曼定律（Stefan-Boltzmann Law）： $E = \epsilon \sigma T^4$ 其中 $\epsilon$ 為放射率，$\sigma$ 為司提芬－波茲曼常數，$T$ 為熱力學絕對溫度（單位：$\text{K}$）。

解題方法

審視題目描述之兩大關鍵要件：

1. 「無媒介物質」：在真空或無實體物質填充的空間中仍能傳遞。
2. 「熱直接傳至對方」：以電磁波型態直接由發射體直線傳遞至吸收體。

熱傳播的三種途徑中：

• 熱傳導依賴固體內部或物體互相接觸時分子的碰撞與晶格振動傳熱，必須有物質介質。
• 熱對流依賴流體（液體或氣體）巨觀的質量移動與循環傳熱，必須有流體介質。
• 唯有熱輻射係藉由電磁波傳遞，介質的存在反而會吸收或散射射線，因此在無媒介物質的狀態下傳播效率最佳。

綜合上述要件，符合題意的熱傳播現象為熱輻射。

核心觀念

本題測驗火災學中「熱量傳播」之熱輻射計算，核心依據為史蒂芬－波茲曼定律（Stefan-Boltzmann Law）：

1. 熱輻射強度公式：非完全黑體（灰體）之熱輻射強度（熱通量 $E$）與其絕對溫度的四次方及輻射率成正比： $E = \varepsilon \sigma T^4$

• $E$：輻射強度／熱通量（$\mathrm{W/m^2}$）
• $\varepsilon$：物體表面之輻射率（放射率，Emissivity，無因次，本題為 $0.1$）
• $\sigma$：史蒂芬－波茲曼常數（Stefan-Boltzmann constant），約為 $5.67 \times 10^{-8}\ \mathrm{W/(m^2 \cdot K^4)}$
• $T$：物體之絕對溫度（熱力學溫度，單位為 $\mathrm{K}$）

2. 溫標換算：絕對溫度 $T\ (\mathrm{K}) = t\ (^\circ\mathrm{C}) + 273$
3. 單位換算：$1\ \mathrm{kW/m^2} = 1000\ \mathrm{W/m^2}$

解題方法

步驟一：將攝氏溫度換算為絕對溫度（克氏溫標 $\mathrm{K}$） $T = 227^\circ\mathrm{C} + 273 = 500\ \mathrm{K}$

步驟二：代入史蒂芬－波茲曼定律計算輻射強度 $E = \varepsilon \sigma T^4$ $E = 0.1 \times (5.67 \times 10^{-8}) \times (500)^4$

展開 $(500)^4$： $(500)^4 = (5 \times 10^2)^4 = 5^4 \times 10^8 = 625 \times 10^8\ \mathrm{K^4}$

代回算式中，指數 $10^{-8}$ 與 $10^8$ 相消： $E = 0.1 \times 5.67 \times 625 = 0.1 \times 3543.75 = 354.375\ \mathrm{W/m^2}$

核心觀念

本題測驗的核心在於烷類完全燃燒之化學計量比、化學計量濃度（$C_{st}$）以及燃燒下限（LEL）之推算與記憶數值。主要涵蓋以下公式與定義：

1. 烷類燃燒反應通式： 烷類分子式為 $C_n H_{2n+2}$，完全燃燒所需理論氧氣分子數為 $\frac{3n+1}{2}$。
2. 理論空氣量與化學計量濃度（$C_{st}$）： 空氣中氧氣之體積分率約為 $21\%$（即 $\frac{1}{4.76}$）。當燃料與空氣恰好完全燃燒時，燃料在空氣混合氣中所佔之體積分率稱為化學計量濃度（Stoichiometric Concentration, $C_{st}$）： $C_{st} = \frac{1}{1 + \frac{\text{理論氧氣莫耳數}}{0.21}} \times 100\%$
3. 瓊斯經驗公式（Jones Formula）： 對於碳氫化合物氣體，其燃燒下限（Lower Explosive Limit, LEL，記為 $L$）與化學計量濃度具有以下估算關係： $L \approx 0.55 \times C_{st}$

解題方法

步驟一：判定氣體種類

烷類完全燃燒之平衡化學方程式為： $C_n H_{2n+2} + \frac{3n+1}{2} O_2 \rightarrow n CO_2 + (n+1) H_2 O$

題目給定該烷類氣體燃燒時與理論氧氣量之體積比（即莫耳數比）為 $1:2$，故： $\frac{3n+1}{2} = 2 \implies 3n + 1 = 4 \implies n = 1$ 因此，該烷類為甲烷（$\text{CH}_4$）。

步驟二：計算化學計量濃度（$C_{st}$）

燃燒反應式為： $\text{CH}_4 + 2O_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2 O$ 消耗 $1\text{ mol}$ 甲烷需要 $2\text{ mol}$ 氧氣。因空氣中氧氣約佔 $21\%$，所需理論空氣量為： $V_{\text{air}} = \frac{2}{0.21} \approx 9.524\text{ mol}$

混合氣總莫耳數為 $1 + 9.524 = 10.524\text{ mol}$，因此甲烷的化學計量濃度為：

核心觀念

本題考查火災學中燃燒型態的分類及其微觀物理化學本質：

1. 燃燒外觀分類：依燃燒時是否伴隨火焰，可分為「有焰燃燒（發焰燃燒）」與「無焰燃燒（表面燃燒、赤熱燃燒、燻燒）」。
2. 火焰的物理本質：火焰是發光、發熱的氣體反應區。任何有焰燃燒的化學反應與自由基連鎖反應，均必須在**氣相（Gas phase）**中進行；非氣相（如固體表面與氧氣的直接異相反應）則不會產生火焰。
3. 各相態物質之燃燒機制：氣體直接燃燒、液體經蒸發轉為氣態燃燒、固體經蒸發或熱分解產生可燃性氣體後燃燒，均屬於在氣相中進行的有焰燃燒。

解題方法

本題解題切入點在於掌握「火焰的生成條件」與「各類物質燃燒形態之關聯」：

1. 分析火焰本質：無論原始可燃物為氣體、液體或固體，要產生可見的「火焰」，其燃燒分子必須處於擴散或預混的氣體分子狀態。因此，燃燒反應本質上必為「氣相反應」，火焰必然形成於氣相燃燒區。
2. 檢視各相態燃燒行為：

• 液體燃燒（如汽油）必先吸熱蒸發為蒸氣，於液面上方氣相區燃燒（蒸發燃燒）。
• 固體燃燒中，石蠟與硫磺受熱熔融後蒸發燃燒；木材、塑膠等高分子受熱裂解產生揮發性氣體（分解燃燒），二者在氣相中皆伴隨顯著火焰。
• 僅有木炭、焦炭等缺乏揮發分之物質，由氧氣直接擴散至固體表面進行的「表面燃燒」，才屬於無焰燃燒。

核心觀念

本題測驗氣體燃燒型態之分類與物理化學特性，重點在於**「混合燃燒」（預混燃燒，Premixed Combustion）與「擴散燃燒（Diffusion Combustion）」**之定義與區別：

1. 混合燃燒（預混燃燒）：

• 定義：可燃性氣體或蒸氣在接觸火源點引之前，已與空氣（氧氣）預先均勻混合，且濃度介於燃燒上下限（燃燒範圍）之內。
• 特性：燃燒反應速率不受氧氣擴散限制，僅受化學反應動力學控制，燃燒速度極快、火焰溫度高、反應劇烈，常伴隨爆燃（Deflagration）或爆炸（Explosion）現象。

2. 擴散燃燒：

• 定義：可燃物（氣體、液體蒸發氣或固體熱解氣體）由燃料表面或噴嘴釋出後，一邊擴散與周圍空氣邊混合、一邊進行燃燒。
• 特性：燃燒速度受分子擴散與亂流擴散速率之限制（傳輸控制），反應速率相對緩慢而平穩，不易產生劇烈爆炸。

解題方法

解答此類燃燒分類題目，切入點為**「燃料與空氣的混合時機」與「燃燒反應速率」**：

• 判斷時機：若燃料與氧氣「先混合、後點火」，則為混合燃燒；若為「邊擴散混合、邊燃燒」，則為擴散燃燒。
• 比對實例：依此原則逐一檢視各火災與燃燒現象的物理本質。

選項分析

• (A) 錯誤：混合燃燒在著火前已與氧氣均勻混合，其燃燒速度不受氣體相互擴散擴散速率的限制，燃燒反應極為迅速（一般正常燃燒速度可達數十 $\text{cm/s}$ 至數 $\text{m/s}$，引發氣爆時更可達超音速傳播）；

核心觀念

本題測驗可燃性氣體「燃燒範圍（爆炸範圍，Flammable Range）」與其火災爆炸「危險性（危險度，Hazard Index）」之評估指標。

在火災學中，評估可燃性氣體危險程度的核心指標為：

1. 燃燒下限（Lower Flammable Limit, $L$）：下限愈低，表示只需洩漏少量氣體與空氣混合即達可燃濃度，危險性愈高。
2. 燃燒上限（Upper Flammable Limit, $U$）：上限愈高，表示在高濃度蒸氣或氧氣相對不足的環境下仍能燃燒。
3. 燃燒範圍寬度（$U - L$）：範圍愈寬，氣體處於危險可燃狀態的濃度區間愈廣。
4. 氣體危險度公式（$H$）：綜合考量燃燒範圍寬度與燃燒下限，火災學公認的危險度計算公式為： $H = \frac{U - L}{L}$ 式中：

• $H$ 為危險度（Hazard Index）
• $U$ 為燃燒上限（$\%$）
• $L$ 為燃燒下限（$\%$）

危險度 $H$ 值愈大，代表該氣體的火災爆炸危險性愈高。

解題方法

將各選項給定的燃燒範圍數值代入危險度公式 $H = \frac{U - L}{L}$，分別計算其危險度數值並進行大小比較：

1. 計算各選項之燃燒範圍差值（$U - L$）。
2. 除以該選項之燃燒下限（$L$），求得危險度 $H$。
3. 比較數值大小，數值最大者即為危險性相對最高之氣體。

選項分析

• (A) 錯誤： 燃燒下限 $L = 10\%$，燃燒上限 $U = 60\%$。 代入危險度公式： $H_A = \frac{60 - 10}{10} = \frac{50}{10} = 5$ 危險度 $H = 5$，小於選項 (B) 與 (D)，並非相對最高。

核心觀念

本題測驗火災學中固體可燃物受熱引燃（Ignition）的升溫機制與**熱慣性（Thermal Inertia）**之物理特性。

1. 升溫與比熱公式： 物質吸收熱量與溫度變化的基本關係為： $Q = m \cdot c \cdot \Delta T \implies \Delta T = \frac{Q}{m \cdot c}$ 式中 $Q$ 為吸收之熱量，$m$ 為質量，$c$ 為比熱（Specific heat capacity），$\Delta T$ 為升溫幅度。比熱越小，代表單位質量上升單位溫度所需熱量越少，受熱升溫越快。

2. 熱慣性（Thermal Inertia）與點火時間： 在固體表面受到外部均勻熱通量（Heat flux, $\dot{q}''$）加熱時，表面溫度達到引火溫度（Ignition temperature, $T_{ig}$）的點火時間 $t_{ig}$（針對熱厚性材料，Thermally thick solid）近似公式為： $t_{ig} \propto k \rho c$ 其中：

• $k$：熱傳導係數（Thermal conductivity）
• $\rho$：密度（Density）
• $c$：比熱（Specific heat capacity）
• $k \rho c$：熱慣性（Thermal inertia）

熱慣性越小（即 $k$、$\rho$、$c$ 越小），表層熱量越不易向內部傳遞散失，表面蓄熱能力越強、升溫越快，越容易達到熱分解與發火溫度，故可燃性傾向（易燃性）越高。

解題方法

判定物質是否具有較高的「可燃性傾向」（即容易被引燃、火災危險性較高），關鍵在於物質表面受熱時能否在最短時間內升溫至引火溫度。

1. 從基本熱平衡切入：依 $\Delta T = \frac{Q}{m \cdot c}$，在相同的熱源加熱條件下，物質的比熱 $c$ 越低，吸收熱量後溫度上升幅度 $\Delta T$ 越大

核心觀念

本題測驗室內火災動力學中兩種極具危險性的極端火災行為——**閃燃（Flashover）與複燃（Backdraft）**之定義、發生機制及發展階段差異。

1. 閃燃（Flashover）：

• 定義：在局限空間火災中，由局部燃燒迅速擴展至室內所有暴露可燃物表面同時起火燃燒的瞬變過程。
• 關鍵觸發機制：輻射熱（熱回饋機制）。燃燒生成的高溫煙氣層蓄積於天花板，以熱輻射方式加熱下方未燃物，當天花板溫度達約 $500^\circ\text{C} \sim 600^\circ\text{C}$，且地表接受之輻射熱通量達臨界值（約 $20\text{ kW/m}^2$）時瞬間起火。
• 發生階段：介於**成長期（Growth stage）邁向最盛期（Fully developed stage）**之過渡轉折點。

2. 複燃（Backdraft，又稱爆燃）：

• 定義：在密閉空間火災中，因氧氣消耗殆盡而轉入通風不良的悶燒階段，當突有新鮮空氣（氧氣）注入時，引發蓄積之高溫未燃可燃性氣體瞬間劇烈燃燒或爆炸的現象。
• 關鍵觸發機制：氧氣（空氣的突然湧入）。
• 發生階段與前置狀態：多發生於衰退期（Decay stage）或氧氣受限的悶燒狀態（Smoldering stage）。

解題方法

解答本題的切入點在於精準掌握「促發兩者的主因互換性」與「各自發生的火災時序/環境狀態」：

• 引發機制對比：閃燃缺的是「熱」（需靠輻射熱蓄積），複燃缺的是「氧」（需靠新鮮空氣注入）。
• 燃燒狀態對比：閃燃發生於燃燒持續擴大的成長期；

核心觀念

1. 閃燃（Flashover）之定義與機制： 閃燃指室內火災由「成長期」（Growth stage）瞬間轉變為「最盛期」（Fully developed stage）的現象。此時室內所有暴露的可燃物表面幾近同時著火，燃燒由局部的單一物體燃燒轉變為整個空間的全面燃燒。
2. 隔間火災（Compartment Fire）與自由燃燒（Free Burning）之本質差異：

• 室外燃燒（自由燃燒）：燃燒所產生的熱煙氣藉由浮力自由向上對流逸散至大氣中，熱量無法蓄積於上方。
• 室內燃燒（隔間火災）：因天花板與牆壁的實體邊界阻隔，燃燒產生的浮力羽流（Fire Plume）在天花板下方受阻並向四周擴散，形成高溫蓄熱的「上部熱煙氣層」（Hot upper gas layer）。

3. 輻射能回饋效應（Thermal Radiation Feedback Effect）： 閃燃發生的決定性物理條件，在於上部熱煙氣層溫度達到約 $500^\circ\text{C} \sim 600^\circ\text{C}$，且天花板與熱煙層向下投射的輻射熱通量（Radiant heat flux）達到臨界值（通常約 $20\text{ kW/m}^2$）。此強烈的熱輻射會持續照射並「回饋」至室內下方所有尚未起火的可燃物，促使其表面迅速熱解釋出可燃性氣體，達到燃燒下限並引燃。

解題方法

本題的解題切入點在於比較「室內火災」與「室外火災」在熱傳導與熱平衡機制上的根本差異：

1. 熱逸散與熱蓄積的對比： 室外環境為開放空間（Open environment），對流熱直接散失，無法建立頂部蓄熱邊界；室內環境為封閉或半封閉隔間，熱能受天花板拘束而累積。
2. 熱回饋路徑的有無：

核心觀念

本題考查靜電引燃源中的放電形態分類及其物理特徵。

在《火災學》中，靜電累積達臨界電場強度時會擊穿介質產生放電，其常見放電型態主要分為四類：

1. 火花放電（Spark Discharge）：主要發生於兩導體電極之間，能量集中、引燃危險性極高。
2. 電暈放電（Corona Discharge）：發生於尖端局部微小曲率半徑處，局部空氣游離微弱發光，能量極小。
3. 條狀放電（或稱刷狀放電，Brush Discharge）：發生於非導體帶電體與圓滑金屬導體之間，放電通道呈毛刷狀。
4. 沿面放電（或稱潛行放電、表面放電，Creeping / Propagating Brush Discharge）：高電荷密度的帶電非導體在接近接地體時，放電除貫穿空間隙外，並沿著非導體表面擴展出如樹枝狀的強烈發光通道，能量甚大。

解題方法

解答本題應採取關鍵特徵辨識法：

1. 放電路徑之定位：題幹明確指明放電「沿著非導體表面」發生，此為名詞定義的核心線索（「沿著表面」即「沿面」）。
2. 放電形態之視覺外觀：放電時呈現「如樹枝狀發光」（物理學上類似利希滕貝格圖紋，Lichtenberg figures），且與空間隙對接地體的放電同時發生。
3. 綜合上述物理特徵，完全符合《火災學》權威教材中對「沿面放電」的專有名詞定義。

選項分析

• (A) 火花放電（Spark Discharge）—— 錯誤 火花放電主要發生在兩個導體之間（至少其中之一帶電且對另一接地導體）。放電通道極為集中，呈現明亮的一條線狀光芒並伴隨清脆的爆裂聲響，其能量高度集中，並非「沿非導體表面呈樹枝狀」放電。

核心觀念

本題測驗《火災學》中「電氣火災與靜電火災」章節有關**靜電之蓄積與物質體積電阻係數（Volume Resistivity）**的分類基準。

物體是否容易累積靜電，取決於其表面產生靜電的速率與電荷向大地或周遭洩漏（消散）速率的消長。而電荷洩漏速度主要受物質的「體積電阻係數」（單位為 $\Omega\cdot\mathrm{cm}$）影響。依據台灣火災學權威教材（陳弘毅教授編著《火災學》）與工業安全靜電防護標準，物質依體積電阻係數之大小分類如下：

1. 導體（不易累積靜電之物質）：體積電阻係數在 $10^9\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$ 以下。電荷極易漏洩中和，只要配合接地措施即可迅速消除電荷，不易累積危險靜電。
2. 準導體（靜電擴散體／半導體）：體積電阻係數介於 $10^9\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$ 至 $10^{13}\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$ 之間。電荷具備一定漏洩能力，但在高速流動或劇烈摩擦下仍可能蓄積靜電。
3. 絕緣體（易累積靜電之物質）：體積電阻係數在 $10^{13}\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$ 以上（甚至高達 $10^{15}\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$ 以上）。電荷消散極度困難，極易產生高電位蓄積並發生靜電放電火花，具高度火災爆炸危險性。

解題方法

題目詢問「不易累積靜電之導體」之體積電阻係數門檻：

1. 確認物性與電阻之關係：物體的導電性能越佳，體積電阻係數數值越小，電荷消散時間常數 $\tau = \varepsilon \cdot \rho$（$\varepsilon$ 為介電常數，$\rho$ 為電阻係數）越短，電荷越不易停留。
2. 對照標準分類分界點：

• 導體門檻上限：$10^9\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$。
• 絕緣體門檻下限：$10^{13}\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$。

3. 確立答案：定義上「不易累積靜電之導體」即指體積電阻係數在 $10^9\ \Omega\cdot\mathrm{cm}$ 以下之物質。

核心觀念

自然發火是可燃物在沒有外來火源時，因氧化等放熱反應持續產熱；若產熱速度大於散熱速度，熱量逐漸累積，使物質溫度升高至著火，便會起火。因此，判斷自然發火難易，關鍵在於物質的產熱與散熱條件，以及能否蓄熱。

熱傳導度高，熱較容易在物質內部傳遞，通常有利於熱量散出；熱傳導度低則較容易形成局部蓄熱。粉狀物雖然表面積較大、氧化反應較容易進行，但也更容易向周圍散熱，不能只憑粉狀就判定蓄熱較佳。

解題方法

逐項檢視選項是否正確描述熱傳導、蓄熱與自然發火的關係：

1. 熱傳導度大，表示熱傳遞較容易；就蓄熱而言，這通常使熱較易散出，不代表更容易起火。
2. 比較氣體、液體與固體的熱傳導度，並判斷能否據此推論更容易燃燒。
3. 比較粉狀與整塊物質的散熱條件。粉狀表面積大，通常散熱較快。
4. 判斷含水量對熱傳導與蓄熱的影響。水分通常會增加散熱，不利於自然發火。

選項分析

核心觀念

本題考乙炔的分解爆炸、高壓乙炔的反應危險性，以及乙炔容器的「界限壓力」與管徑關係。乙炔受熱或受點火能量作用時，可在沒有氧氣參與的情況下發生分解反應：

分解反應會放出熱量，升高溫度並加速反應，可能發展為猛烈爆炸。乙炔壓力愈高，分解爆炸所需的最小點火能量愈低；管徑增大時，乙炔分解較容易持續傳播，因此界限壓力會降低。

解題方法

逐項檢查敘述是否符合乙炔的壓力效應及容器特性。前三項描述乙炔分解爆炸或噴出帶電的危險性；第四項則考界限壓力與容器管徑的變化方向。只要確認管徑增大時界限壓力的變化，即可找出錯誤選項。

選項分析

核心觀念

本題考查家用天然氣外洩時的應變原則：天然氣主要成分為甲烷，遇火源可能燃燒或爆炸；電器開關及插拔插頭時可能產生火花，因此應避免操作電氣設備。通風時要輕緩開啟門窗，減少碰撞或摩擦產生火花的風險。

解題方法

逐項判斷處置動作是否能降低瓦斯濃度或火源風險。關閉瓦斯、熄滅火源及輕緩開窗通風，都是常見的應變措施；開關電器或拔插頭則可能引燃瓦斯，應避免。

選項分析

核心觀念

本題考「蒸氣爆炸」的成因與事故類型。蒸氣爆炸屬於物理性爆炸：液體因受熱或壓力突然降低而迅速汽化，體積急遽膨脹，形成爆炸性破壞；熔融物與水接觸，使水瞬間汽化，也可能造成蒸氣爆炸。

判斷關鍵是爆炸能量是否來自液體快速汽化膨脹。若主要是可燃氣體與空氣混合後燃燒、快速放熱並造成壓力上升，則屬可燃氣體爆炸，並非蒸氣爆炸。

解題方法

逐項辨認事故現象的主要機制：鍋爐破裂、原油槽沸溢及鹽槽爆炸，都涉及水或液體迅速汽化膨脹；天然氣管線外洩爆炸則是天然氣洩漏後與空氣混合，遇火源燃燒或爆燃。故選出天然氣管線外洩爆炸。

選項分析

核心觀念

本題考查爆燃（deflagration）與爆轟（detonation）的差異。判別重點是火焰面與壓力波的傳播方式及速度，不是爆炸能量大小。

• 爆燃：燃燒反應以熱傳與物質擴散向未燃混合物傳播，火焰面速度為亞音速；壓力波與火焰面分離。
• 爆轟：燃燒反應與衝擊波耦合，火焰面與衝擊波形成共同傳播的反應波，通常以超音速前進。

解題方法

逐項核對選項是否符合上述定義：爆燃與爆轟不是依能量大小分類；爆轟的關鍵是火焰面與衝擊波耦合；氣體爆炸不等於擴散燃燒；爆轟造成的破壞通常較爆燃強。

選項分析

(A) 依能量大小分為爆燃及爆轟：錯誤。 爆燃與爆轟依燃燒波的傳播特性區分，主要看反應波相對於未燃氣體的傳播速度，以及火焰面是否與衝擊波耦合，並非依能量大小分類。