114 公務人員升官等薦任 消防與災害防救 火災學 考古題詳解

核心觀念

本題考兩個觀念：硝化纖維的含氮量分類，以及以氧平衡評估炸藥所含氧量是否足以完全氧化其碳、氫。

硝化棉含氮量的分類依題目所列界線：

• 強棉藥：$N\%>12.8$
• 弱棉藥：$9.15\%\leq N\%\leq12.8\%$
• 脆棉：$N\%<9.15$

氧平衡常用計算式為：

其中 $C、H、O$ 是分子式中的原子數，$M$ 是該化合物的分子量。這個式子以碳完全生成 $CO_2$、氫完全生成 $H_2O$ 為基準；氧平衡為正，表示氧有剩餘，為負則表示氧不足。

解題方法與計算

一、判定硝化棉類別

硝化纖維分子式為 $C_{24}H_{35}O_{15}(NO_3)_5$。先將括號展開：

每個分子含有 $5$ 個氮原子，氮的相對原子量取 $14$，分子量取：

因此氮的質量百分率為：

因 $8.02\%<9.15\%$，故此硝化棉屬於脆棉。

二、計算硝化纖維的氧平衡

代入 $C=24、H=35、O=30、M=873$：

核心觀念

本題考查發火性固體、禁水性物質與水或氧氣接觸時的反應。作答時須分清兩種情況：

• 暴露於乾燥空氣：主要看物質與氧氣的氧化反應。
• 遇水：依物質種類判斷生成物；金屬或金屬氫化物常釋出氫氣，金屬碳化物則依碳化物組成產生烴類氣體。

解題方法

先寫出黃磷、鈉在乾燥空氣中的氧化反應，再逐一按「反應物＋水 → 固體生成物＋氣體」列式。最後依氣體分子式辨認可燃性氣體，並平衡原子數。

一、暴露於乾燥空氣的反應

**黃磷（白磷）**在常溫下即可與空氣中的氧氣緩慢氧化並放熱；熱量累積時會自燃，生成五氧化二磷（實際分子式為四磷十氧化物）：

氧氣不足時可先生成三氧化二磷（分子式為四磷六氧化物）：

鈉金屬暴露於乾燥空氣中會與氧氣反應，表面逐漸生成氧化物；供氧較多時可形成過氧化鈉：

二、遇水反應與可燃性氣體

核心觀念

本題考「沸溢」（boilover）與「濺溢」（slopover）的形成機制，以及現場如何辨識危險徵兆。兩者都會使燃燒中的油品溢出槽外，但熱源與水分進入油層的位置不同：

• 沸溢：重質油槽火災持續一段時間後，火焰熱量向油層深處傳遞，形成向下移動的熱波；熱波抵達槽底水層或含水層時，水迅速汽化膨脹，將上方燃燒油品猛烈推升並噴出槽外。
• 濺溢：水或泡沫中的水分接觸到高溫燃油表面，迅速汽化，使表層燃油泡沫化、膨脹並溢出槽外。通常是局部表層反應，規模與破壞性較沸溢小。

本題不涉及法條或計算公式。

解題方法

作答時先說明兩現象的共同點：都是水分迅速汽化，推動燃燒油品外溢。再比較三個關鍵：水分所在位置、熱量到達方式、發生時間與危害程度。

沸溢的發生徵兆

沸溢往往在油槽已燃燒一段時間後發生。可觀察或研判的徵兆包括：

• 燃燒時間已久：熱量有時間向油層深處傳遞，形成熱波。
• 火焰與燃燒強度增強：熱波接近槽底水層時，槽內燃燒及火勢可能出現變化。
• 槽壁下部溫度升高：熱波往下傳至槽底附近時，下部槽壁可能變熱；以水試探槽壁時，水滴可能迅速汽化。
• 槽內出現沸騰、翻動或噴濺聲響：反映槽底水分受熱汽化、油層受到擾動。
• 油面、火焰或煙流出現異常變化：可能是沸溢前的警訊，但單一徵兆不能作為確定判斷。

沸溢徵兆未必充分或明顯，且一旦發生通常突然、猛烈，因此應將長時間燃燒的重質油槽視為高危險情境。

濺溢的發生徵兆

濺溢常與水或泡沫接觸燃燒中的高溫油面有關。可注意：

核心觀念

本題以體積比表示氣體混合比例；在相同溫度、壓力下，氣體體積比等於莫耳比。丙烷與丁烷的莫耳分率因此分別為 $0.30$ 與 $0.70$。

Jones 理論用各可燃成分的燃燒下限估算混合燃料的燃燒下限：

其中 $L_i$ 是純成分的燃燒下限（體積百分比），$y_i$ 是該成分在燃料中的莫耳分率。

Burgess–Wheeler 定理指出，烴類燃料在燃燒下限時，燃料莫耳燃燒熱與燃燒下限的乘積約為定值；常用形式為：

解題方法

採用題目給定的丙烷、丁烷體積比，先以 Jones 理論求混合燃料下限，再代入 Burgess–Wheeler 定理求其莫耳燃燒熱。