この記事は機械翻訳によるものであり、英語の原文が正式なものです。 原文を読む
火災は消費する酸素によって測られる
メタンは燃焼1キログラムあたり50.03 MJの熱を放出し、砂糖は14.10 MJを放出する。代わりにそれぞれが消費する酸素の量で割ると、その値は12.54と13.24になる。火災実験室が頼りにしているのは後者の数値の組である。彼らはソファが何で作られていたかを一切知ることなく、その煙の中で失われた酸素から燃えるソファの発熱量を測定している。
燃えているソファは、それが置かれている部屋全体がフラッシュオーバーを起こすかどうかを大きく左右する速度で熱を放出するが、ソファそのものを見ただけでは誰もその速度を知ることはできない。当たり前のように思える計算方法は、2つの数値を掛け合わせることである。すなわち、その材料1キログラムあたりどれだけの熱を放出するかという数値と、毎秒何キログラムが燃焼するかという数値である。ウレタンフォーム、布地、木材、接着剤が組み合わさった状態では前者は不明であり、実規模火災試験において後者を測定することは困難である。バブラウスカスとピーコックは、この物理量に関する1992年の総説に「発熱速度：火災危険性における最も重要な唯一の変数」と題したが、今日それの測定方法はソファをほぼ完全に無視している。
煙はフードへと上昇し、ダクトを通って排出される。ダクト内の計測機器が排気流量と、そこからどれだけの酸素が減少しているかを測定し、発熱速度はその失われた酸素に1つの定数、すなわち1キログラムあたり13.1 MJを掛け合わせたものとなる。卓上型のコーンカロリーメーターで10センチメートル四方のカーペットを試験する場合でも、火災に見舞われた家具付きの部屋から煙を集めるフードの下でも、まったく同じ掛け算が行われている。
燃料1キログラムあたりでは、何一つ一致しない
炎から立ち上る際のように水が水蒸気として排出される場合、メタンは燃焼1キログラムあたり50.03 MJの熱を放出する。ガソリンの代用としてのオクタンは44.42、典型的な動物性脂肪は36.48、エタノールは26.82、グルコースは14.10を放出する。これらには3.55倍もの開きがあり、一方の数値から他方を推測できる人はいないだろう。
代わりに、それぞれが消費する酸素の量で割ってみる。酸素1キログラムあたり、メタンは12.54 MJ、オクタンは12.69、脂肪は12.69、エタノールは12.87、グルコースは13.24を放出する。ウィリアム・ソーントンは1917年に、多数の有機気体や液体において酸素1単位あたりの発熱量がほとんど変化しないことに気づいた。1980年、米国国家標準局のクレイトン・ハゲットはこの比較を火災で生じる各種燃料にまで広げ、それらすべてに対して1キログラムあたり13.1 MJ、±5%という値を推奨した。Heat of Combustion に掲載されている16種類の燃料のうち、11種類がその範囲内に収まる。
燃焼した酸素の行き先は2つしかない
同ページには、残りの部分を説明する2つの行がある。炭素が燃焼して二酸化炭素になるとき、酸素1モルあたり393.51 kJを放出し、これは1キログラムあたり12.30 MJに相当する。水素が燃焼して水蒸気になるときは、酸素1モルから2モルの水が生成され、483.65 kJ、すなわち1キログラムあたり15.12 MJが放出される。炭素、水素、酸素からなる燃料が完全燃焼した場合、生成物はこれら以外になく、両者の差はわずか23%にすぎない。
発熱量は酸素が何に変化するかによって決まり、清浄な炎においてそれは二酸化炭素か水になる。
炭化水素はその酸素をこの2つの間で分け合う。メタン（CH₄）はO₂の1モルを炭素に、もう1モルを4つの水素に配分し、12.30と15.12の均等な混合値は13.71となる。分子自身がその一部を差し引く。メタンはそれを構成する炭素と水素よりも1モルあたり約74.5 kJ安定している。このエネルギーは分子が形成された際にすでに放出されており、再び放出することはできない。これは酸素1キログラムあたり1.16 MJの損失となり、13.71から実測値である12.54へと押し下げる。オクタンはその酸素の64%を炭素に配分し、13.31へと調合され、その混合値の4.7%に相当する生成エネルギーを差し引いて、12.69に落ち着く。
砂糖はすでに酸素を含んでいるため、この規則を破るかのように見える。しかしC₆H₁₂O₆を6つの炭素と6つの水として読み解けば、そうではないことがわかる。水素はすでに燃焼した状態で持ち込まれているため、残るのは酸素1モルあたり393.51 kJでの炭素の燃焼に、グルコースが木炭の山と水蒸気に対して余分に保持している7.6%を加えたもの、すなわち423.50 kJ、あるいは1キログラムあたり13.24 MJである。
したがって、この帯が狭いのは、互いに何の関係もない2つの理由による。炭素と水素が偶然にも酸素に対して同様の対価を支払うこと、そしてアセチレンを除く同ページのすべての炭化水素において、分子自身の生成エネルギーがその炭素と水素の放出する熱量の10分の1未満であることである。糖の場合も、その酸素を水として計上すれば同様である。どちらの事実も燃料が何と呼ばれるかを知る必要はなく、家具試験においてそれを知る必要がないのも同じ理由からである。
氷の容器の中のモルモット
この着想は火災科学よりも歴史が古い。1782–83年の冬、アントワーヌ・ラヴォアジエとピエール＝シモン・ラプラスは溶けた氷によって熱を測定する熱量計を製作し、その中にモルモットを2回入れ、それぞれの測定を10時間に換算して平均をとったところ、約13オンスの氷となった。複数のモルモットに対する別の実験から、彼らは同じ10時間における固定空気（私たちが二酸化炭素と呼ぶもの）の排出量を224グレーンと算出した。木炭の燃焼は生成された固定空気1オンスあたり26.692オンスの氷を溶かしていたため、224グレーンの固定空気は10.38オンスに相当するはずであった。彼らは冷えた四肢や体温によって蒸発した水分を考慮してモルモットの13オンスから約2.5オンスを差し引き、両者が一致することを確認した上で、1783年6月18日に科学アカデミーで朗読された論文にこう記した。
La respiration est donc une combustion, à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon.
ラヴォアジエとラプラス、Mémoire sur la chaleur、1783年
「したがって呼吸とは燃焼であり、実に極めて遅いものではあるが、それ以外は木炭の燃焼と完全に同一である。」彼らによる木炭の数値は極めて優れており、現代の測定値では二酸化炭素1オンスあたり26.81オンスの氷となり、彼らの数値との差は0.4%にすぎない。弱点はその尺度にあった。木炭はほぼ純粋な炭素であるが、動物が燃焼させるのは糖と脂肪であり、そのどちらも異なる理由から、二酸化炭素1分子あたりより多くの熱を放出する。脂肪は自身が含む酸素で説明できる量をはるかに超える水素を保持しており、その水素は燃焼して水になる。脂肪の燃焼では、酸素の30%近くが水となり、二酸化炭素をまったく生成しない。その論文でも、呼吸が空気を固定空気に変える以外の方法で変化させる可能性を認めており、そのような変化は小さいと判断している。糖には余分な水素はないが、その分子は木炭と水よりも多くのエネルギーを保持している。氷の中でのように水が凝縮した状態では、二酸化炭素1モルあたり、木炭の393.51 kJに対してグルコースは467.50 kJを放出し、脂肪は619.72を放出する。彼ら自身の10.38オンスから換算すると、モルモットの224グレーンは糖では12.33オンス、脂肪では16.35を予測する。何も差し引く前の、彼らが計量した13オンスという数値は、まさにその両者の間に位置している。
呼吸は燃料計である
病院では二酸化炭素の代わりに酸素を用いて同様の計算を行うが、酸素を基準にすると、燃料ごとの値は再びほぼ一致する。体内にとどまるのと同じように水が液体である場合、グルコースは酸素1リットルあたり20.86 kJを放出し、脂肪は19.45を放出する。1グラムの脂肪は1グラムの糖の2.51倍のエネルギーを保持しているが、酸素1リットルから得られる熱量は脂肪のほうが6.8%少ない。毎分4分の1リットルの酸素を摂取している安静時の成人は、純粋な糖であれば86.9 W、純粋な脂肪であれば81.0 Wの発熱体となり、両者のあらゆる混合物はこの間に収まる。
この6.8%という差があるからこそ、代謝測定装置は両方の気体を測定する。グルコースの燃焼では酸素1分子に対して二酸化炭素1分子が返されるが、脂肪の燃焼では0.70が返される。これら2つの気体の比率からどちらの燃料が燃焼しているかがわかり、したがって答えが81.0から86.9の間のどこにあるのかが定まる。
法則が破れる条件
自身の中に多大なエネルギーを保持したまま持ち込まれる燃料は、この帯から逸脱する。アセチレンの生成エンタルピーは1モルあたり+227.4 kJであり、これは分子が生成された際に投入され、酸素が供給するあらゆる熱量に加えて、燃焼時に戻されるエネルギーである。これはアセチレンの炭素と水素が放出するであろう熱量に22%を加算し、酸素1キログラムあたり15.70 MJ、すなわち13.1より19.88%高い数値へと押し上げる。それがなければ、アセチレンは12.86となり、メタンやオクタンとともにその帯の中に収まっていたはずである。
一酸化炭素はより奇妙な事例であり、火災においてはさらに重要となる。炭素が完全にCO₂まで燃焼する反応は2段階で進行し、それぞれで生じる対価は大きく異なる。炭素から一酸化炭素への変化では半モルの酸素が消費され、110.53 kJ、すなわち酸素1キログラムあたり6.91 MJが放出される。一酸化炭素から二酸化炭素への変化では残りの半分が消費され、282.98 kJ、すなわち17.69が放出される。これら2つの半分の平均が、炭素の12.30となる。空気が不足した火災では一部の炭素が第1段階で止まるため、一酸化炭素の生成に費やされた酸素は、13.1が前提とする発熱量の半分程度しか生み出さない。
しかし測定への悪影響は、それが示唆するほど大きくはない。使われなかった酸素は数えられもしないからである。炭素の5分の1を一酸化炭素として残すメタンの火災では、実際に消費された酸素1キログラムあたり12.27 MJの熱を放出し、これは清浄な炎より2.2%低いだけである。実験室ではダクト内の一酸化炭素を測定し、その補正を行う。煙の多い火災は放出する熱も少ないが、取り込む酸素も少なく、後者が前者をほぼ相殺するのである。