불(Fire)은 왜 그리고 얼마나 뜨거운가?

불은 왜 그리고 얼마나 뜨거운가?

불은 왜 뜨겁고 얼마나 뜨거운가?

 

불은 언제나 뜨겁습니다. 불은 '연소'반응의 결과인데 이 과정에너 화학결합이 끊어지고 형성 에너지(열)가 방출되기 때문입니다. 즉, 반응물인 연료와 산소가 반응하여 이산화탄소와 물로 바뀌는 과정입니다. 반응을 시작하기 위해 연료와 산소 원자 사이의 결합을 끊기 위해서는 에너지가 필요하지만 연료의 원자가 이산화탄소와 물에 결합 할 때 훨씬 더 많은 에너지가 방출됩니다.

 

연료 + 산소 + 에너지 → 이산화탄소 + 물 + 에너지

 

여기서 발생되는 에너지는 빛과 열의 형태로 방출됩니다. 눈으로 보이는 붉은 불꽃은 이 에너지의 가시적인 증거입니다. 연소 과정에서 보이는 붉은 불꽃(화염)은 대부분 뜨거운 가스로 구성됩니다. 뜨거운 백열등이 밝게 빛나는 것과 유사하게 불꽃 또한 이온화된 가스로부터 빛을 발생시킵니다.

 

그렇다면 왜 불은 뜨거운가요?

 

프로판의 연소반응을 나타낸 에너지 다이어그램

 

불은 사용하는 연료와 관계없이 항상 뜨겁습니다. 그 이유를 간단히 말하면 연료에 저장된 화학 에너지가 산소와 반응하며 일시에 방출되기 때문입니다. 여기서 방출되는 에너지는 연료를 반응(점화)시키기 위해 필요한 에너지보다 훨씬 많습니다.

 

불은 얼마나 뜨거운가요?

 

연소를 통해 방출되는 열 에너지의 양은 연료의 화학 성분, 반응시 산소의 농도, 측정되는 화염의 부분의 위치 등 여러 가지 요인에 따라 달라지기 때문에 특정 값으로 정의하기는 어렵습니다. 예를 들어, 대기 중에서 프로판은 1980°C에서 연소되지만 순수한 산소와는 훨씬 더 뜨거운 2820°C에서 연소됩니다. 심지어 아세틸렌은 순수한 산소와 반응하여 3100°C의 엄청난 고온의 열을 발생시킵니다.

 

 

연소 시 불꽃의 색을 보면 대략 얼마나 뜨거운지를 알 수 있습니다. 진한 붉은색의 불꽃은 약 800-1000°C, 주황색-노란색은 약 1200°C이며, 흰색 불꽃은 1400-1600°C의 온도에서 볼 수 있습니다. 푸른색의 불꽃은 1650°C 이상의 온도에서 볼 수 있으며 보통 가장 뜨겁게 타오르는 곳에서 관찰됩니다. 가스 버너의 푸른색 불꽃은 촛불에서 나오는 밝은 노란색의 불꽃보다 훨씬 더 뜨겁다는 의미입니다.

 

불꽃의 가장 뜨거운 부분

 

양초 불꽃의 부위에 따른 구분

 

불꽃에서 가장 뜨거운 부분은 가장 활발히 연소가 일어나는 하단의 파란색 부분입니다. 버너나 램프를 이용해 과학실험을 수행하는 경우 대부분 불꽃의 가장 꼭대기 부분을 이용해 가열하라고 교육받습니다. 이는 불꽃으로 발생된 열이 상부로 상승하기에 화염의 끝부분이 열에너지를 가장 효과적으로 받을 수 있는 지점이기 때문입니다.

 

가장 뜨거운 불은?

 

지금까지 연소를 통해 만든 가장 뜨거운 불꽃의 온도는 4990°C입니다. 이 불꽃은 연료로 디시아노아세틸렌(dicyanoacetylene)과 산화제로 오존을 사용하여 만들어졌습니다.

 

디시아노아세틸렌(Dicyanoacetylene)의 화학구조

 

그러나 모든 불꽃이 섭씨 수백도 이상으로 뜨거운 것은 아닙니다. 오히려 시원한 불꽃(Cool flame)을 만들 수도 있습니다. 예를 들어, 연료 혼합물과 공기를 적절한 비율로 잘 혼합하면 120℃에 불과한 불꽃은 만들 수 있습니다. 그러나 이러한 시원한 불꽃은 오래 지속될 수 없으며 물의 끓는점과 크게 차이나지가 않아 쉽게 꺼질 수 있습니다.

 

온도(Temperature)와 열(Heat)의 차이