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作者丨吴宏毅 编辑｜璇娥 修改丨橙Sir 1.写在前面 接下来这篇二部曲，是属于有点会令人头痛的文章。它里面含有一些机处理化的复习，有一些「公式」（我知道有很多人看到这个字就很像哈利波特里面魔法世界听到＂佛地魔＂一样的戒慎恐惧）。 不过，这篇二部曲也告诉读者，「理论点放的效果」、「理论与实际的差别」以及「水变成水蒸气的膨胀倍率」（很多人问说'不就是1,700倍吗?是的，但答案不完整。'）同样的提醒各位读者，如果公式不懂，就跳过去，里面还是会有很多结论你们会喜欢的。 2.水的吸热过程 继首部曲中的模型衍生了一个问题，那就是如果水蒸发成水蒸气后，烟层温度还没降到100℃，那会发生什么情形？很多消防人员认为，水蒸气就是100℃，事实上，液态水不会超过100℃，因为100℃是它的沸点，但气化成水蒸气后，水蒸气的温度是会继续上升的。 如上表，1公斤的水蒸气(100 ℃下为1.69 m3)每上升1℃可以吸收2.0KJ的热量，水蒸气只要在烟热层当中时，它的温度就会不断上升，直到水蒸气、烟热层温度达到一个平衡才停止(温度相同)。 所以即使在降温烟层时，没有提供足够的水量来将烟层降至100℃，水还是会随着吸热然后膨胀为水蒸气(气化过程是主要吸热能量来源)，然后水蒸气温度会持续上升超过100℃，也同样有冷却效果。 这效果已足以扑灭天花板上的火焰，且能减少及降低火场内因辐射热、传导热所产生的热分解可燃物质。 3.气体定律 有了上述的概念后，接下来另一项疑问就是「当水变成水蒸气后，究竟膨胀多少倍？」相信当大家看到这样的问题时，会有超过半数的人告诉我「1,700倍」，这个答案事实上不够完整。在第五版的Essentials of Firefighting (IFSTA, 2008)文献中有记载当水从液体气化成水蒸气时，它会膨胀且变的较不密集，并说明水在100℃时会膨胀1,700倍，但没有解释为什么会膨胀，也没有说在更高温时它的体积会如何变化。 当我们看到上表的那些不同的数值特性时，也看到因为烟和水蒸气都是气体，所以有些特性是相似的。在化学及物理学中，将气体的特性以理化数值描写成一个气体定律。只要能够了解气体定律，就能够解释烟以及消防员射水时的水蒸气的特性。 气体定律就是将各式的气体找出一个有关压力、体积、绝对温度的相关性。理想气体定律要在以下几点的前提下成立： 在18世纪80年代内，法兰西科学家雅克查尔斯发现当气体在固定压力下被加热时，其体积会增加；当气体冷却下来时，体积会减少，便发表为查尔斯定律。查尔斯定律即是「在不变的压力下，理想气体体积会随着绝对温度而增加或减少」。 在这边很重要的一点是，它必须用绝对温度K，而不是用摄氏℃或华式F，因为绝对温度的两倍才是真的两倍的温度，后台回复：温度，给你看个解释。下图就是说明为什么摄氏及华式温度没办法抓到真实的温度比例。 「温度的本质是分子的平均动能，T是热力学温度」 20℃的动能：293k 100℃的动能：373k 即20℃到100℃是373k/293k=1.27 根据查尔斯定律可简单的解释「当将水雾点放至烟热层并气化后，中性面不一定会下降」的问题。 首先先假设当烟热层冷却过程中，其空间内的压力因为可借由开口泄压，使得该空间的热压力是几乎不变的。在压力不变的情况下，我们假设这个空间起始烟层体积是40m3。 1.上方烟热层起始温度为500℃ 为什么扩大成这么大体积的水蒸气，不会使中性面下降呢？查尔斯定律就是关键。查尔斯定律说当气体加热时，体积会依据绝对温度的比例增加；当然反之亦然，当气体温度降低时，体积会依据绝对温度的比例减少。 将冷却后膨胀水蒸气的体积加上冷却后100℃烟热层的体积，即为冷却后的总体积。7.397m3加上19.3m3等于26.95 m3即为最后烟层V2的体积。 26.95m3的烟层，其中性面高度为多少？因为空间面积为20m2，烟层的高度即为1.347m。因此，当我们点放水雾将上层烟热层从500℃降至100℃时，将会将烟层的底部拉升0.6525m。 读到这里，许多富有丰富点放射水经验的消防员一定不认同上述的结论，因为在火场中大家都曾经在充满热烟的环境中使用水雾点放，然后常会发现烟层的中性面在射水后下降包围消防人员，这也是目前国内针对水雾点放灭火最争议的一个地方。 为什么会发生这种情况？事实上，上述所描述的计算结果，是因为我们假设「所有的水雾粒子当进入烟热层时，所有的水蒸气都吸收到烟热层的能量，并使烟热层降温」。 在Water and Other Extinguishing Agents (Särdqvist,2002)中，Stefan Särdqvist博士针对冷却烟层中的体积变化提供相当细的解释，且明确的说明「水量在烟层中气化量的百分比对于中性带(烟层体积)的变化」。然而，想要了解Stefan的解释前，必须先对于理想气体定律有相当程度的了解，并乐意了解相关的数理观念。 了解了查尔斯定律后，接下来要跟各位说明的是给吕萨克定律。当查尔斯发现了温度和体积的关系后，他也同时间发现了温度和压力的关系。然而，查尔斯并未发表他的发现。有关这个温度及压力的理论被法国科学家Joseph-Louis Gay-Lussac重新发表为「给吕萨克定律」。 (四)波以耳定律(Boyle’s Law) 在1660年，爱尔兰物理学家波以耳(Robert Boyle)研究气体压力及体积的关系。波以耳发现「当气体压力增加时，它的体积会减少」。因此，波以耳定义假设理想气体的温度固定时，那么理想气体分子的体积和压力就会成反比，也就是当压力增加时，气体体积就会减少，反之亦然。波以耳定律可以以下列数学式表示：
(五)理想气体定律(General Gas Law) 理想气体定律即是结合查尔斯定律、给吕萨克定律以及波以耳定律综合定义为「理想气体体积与绝对温度成正比，并与压力成反比」。理想气体定律可表示为下列的数学式：
(六)阿伏伽德罗定律 在1811年，意大利物理及数学家Amedeo Avogadro根据气体的分子数的关系，发表了一个当定温定压及定体积下的一个理论。阿伏伽德罗定律说明任何理想气体在相同的温度、压力及体积情况下，均会拥有相同数量的分子数，而与他们的物理或化学性无关。更明确的说，273 K(0℃)、１大气压、22.41L (0.001 m3)下的理想气体含有6.02x 10^23的分子数(1.0mol)。
各种气体套用理想气体定律时的差异取决于气体的摩尔数。什么是摩尔数？阿伏伽德罗定律说明「同温、同压、同体积任何气体含有相同数量的分子」，德国化学家Wilhelm Ostwald根据阿伏伽德罗定律在1893年设想出摩尔数的计算方法。
那么水的摩尔质量怎么算？水是属于化合物，每一个水分子(H2O)是由两个氢原子及一个氧原子组成，那么1摩尔的水分子的摩尔质量即为2个氢原子的摩尔质量加上1个氧原子的摩尔质量。2摩尔氢原子的质量为2克，1摩尔氧原子的质量为16克，那么水分子的摩尔质量即为2+16=18(g/mol)。
(八)理想气体定律 将阿伏伽德罗定律及之前谈到的气体定律结合在一起，就成为一个理想气体方程式。假设理想气体在特定的体积及固定的温度、压力下(273 K及1大气压下)，分子数是一定的，那么压力、体积、温度及数量的比例关系会是一个常数值，称之为Ｒ(摩尔气体常数)，这个常数的值是8.3145 (J/mol K)。
万有气体常数定义成在每度绝对温度下，气体内部每一摩尔运动能量(J/mol K)。此时压力单位为Pa或N/m2，体积单位为m3。 4.计算水的膨胀率 |
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