易燃性氣體受到壓縮後溫度會有升高的狀況發生，可能會發火導致火災的發生，此現象為何？

本題考點

壓縮造成溫升而發火的現象名稱,以及斷熱、等溫、等熵三種壓縮過程的區別。

正解理由

氣體被快速壓縮時,外界對氣體所作的功來不及以熱的形式散逸至周圍,幾乎全部轉為氣體內能,溫度因而急遽上升,此即斷熱壓縮(絕熱壓縮),其溫度與壓力的關係為 T₂/T₁ =(P₂/P₁)^((k−1)/k)。柴油引擎的壓燃、高壓氣體鋼瓶急速充填、可燃氣體管線瞬間加壓而發火,都屬於此類由機械能轉為熱能的發火源,故選 C。

逐項排除

1. (A)

   高溫壓縮:並非熱力學過程的正式名稱,且是以結果描述現象,未說明「熱來不及散失」這個溫升機制。

2. (B)

   等溫壓縮:過程中溫度維持不變,壓縮功同步以熱的形式排出至外界,依定義不會造成溫升發火,與題意相反。

3. (C)

   斷熱壓縮:與外界無熱交換,壓縮功全數轉為內能致溫度上升,正確。

4. (D)

   等熵壓縮:指可逆且絕熱的理想化過程,強調熵值不變;實際急速壓縮伴隨摩擦與不可逆性,熵會增加,火災學描述壓縮發火一律稱斷熱壓縮。

記憶點

推導的根據是熱力學第一定律 ΔU = Q − W。斷熱條件下 Q = 0,外界對氣體作功 W 為負,故內能 ΔU 增加,而理想氣體內能只與溫度有關,溫度必然上升。搭配理想氣體方程式可推得 PV^k = 定值,以及 T₂/T₁ =(P₂/P₁)^((k−1)/k),其中 k 為比熱比,空氣約 1.4。代入實例:常溫 300 K、1 atm 的空氣急速壓縮至 10 atm,T₂ = 300 K × 10^0.286 ≈ 579 K,約 306 °C,已足以超過多數潤滑油與部分可燃氣體的自燃溫度。

發火源的分類是本題的上位考點:化學能(氧化熱、分解熱、聚合熱、吸著熱、發酵熱)、電能(電阻發熱、短路、電弧、靜電、雷擊)、機械能(摩擦、衝擊、斷熱壓縮)、熱能(高溫表面、明火、輻射)。斷熱壓縮固定被歸在機械能項下,與摩擦、衝擊並列,考題常以「下列何者屬機械能引起之發火」的形式出現。

易混淆處有二:其一,自燃溫度是物質本身的性質,斷熱壓縮只是把環境推升到該溫度的手段,兩者是因與果的關係,不可互相代換;其二,等熵與斷熱並非同義詞——所有可逆絕熱過程都是等熵,但實際的絕熱過程因摩擦與擾流而熵增,故只能稱斷熱。壓縮比越高、壓縮速度越快,越接近斷熱條件,溫升也越顯著。

可拿來對照的反向現象是節流膨脹:高壓氣體經閥件洩放而急速膨脹時,多數氣體溫度下降(焦耳–湯姆生效應),與壓縮升溫方向相反;但氫氣在常溫下的焦耳–湯姆生係數為負,洩放反而升溫,加上燃燒界限寬、最小引燃能量極低,這是高壓氫氣洩漏容易自行著火的原因之一。