Формы взрывчатых превращений

После изучения этой главы 4 студент должен: знать

• • основные положения теории цепного и теплового взрыва;
• • основные положения теории детонации; уметь
• • оценивать влияние ряда факторов (диаметра заряда, плотности, мощности начального импульса и т. д.) на скорость детонации;

владеть

• основными способами по предотвращению перехода горения газопаровоздушных смесей в детонацию.

Общая характеристика взрывчатых веществ

Основным признаком произошедшего взрыва является резкий скачок давления в среде, окружающей место взрыва, что приводит к разрушительным последствиям разной степени.

Взрывы могут быть вызваны физическими, химическими или ядерными явлениями.

К взрывам, обусловленным физическими причинами, относятся, например:

• — взрыв парового котла или баллона со сжатым воздухом. В обоих случаях явление вызвано быстрым переходом накопленной потенциальной энергии пара (или газа) в механическую при разрушения стенок резервуара. Разрушительный эффект в данном случае определяется давлением пара (или газа), находящегося в резервуаре;
• — взрывы, возникающие при мощных электрических разрядах (молнии) или прохождении электротока высокого напряжения через тонкие металлические нити. При мощных разрядах потенциалы выравниваются в течение 1 • 10^_6— 1 • 10~⁷с, благодаря чему в зоне разряда концентрируется значительная плотность энергии, канал разряда разогревается до очень высокой (примерно десятков тысяч градусов) температуры, что приводит к резкому росту давления воздуха в месте разряда и, соответственно, распространению интенсивного возмущения в окружающую среду.

Взрывы, основанные на физических явлениях, составляют незначительную часть от общего числа взрывов. Причиной большей части взрывов является химические превращения взрывчатых систем.

Все взрывчатые вещества представляют собой термодинамически неустойчивые системы, способные под влиянием внешних воздействий к быстрым экзотермическим превращениям.

Газообразные продукты взрыва благодаря большой скорости химической реакции в первый момент процесса занимают объем самой взрывчатой системы и находятся в сильно сжатом состоянии. Поэтому в месте взрыва резко повышается давление.

Способность химических систем к взрывчатым превращениям определяется тремя факторами: экзотермичностыо процесса, большой скоростью его распространения и наличием газообразных продуктов реакции.

Экзотермичность реакции является первым необходимым условием, без которого взрывчатый процесс вообще невозможен. За счет тепловой энергии реакции происходят разогрев газообразных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов и последующее их расширение. Чем выше температура реакции, тем более разрушительное действие оказывает взрыв.

Теплота взрыва является важнейшей характеристикой взрывчатого вещества (системы). Для твердых взрывчатых веществ она составляет 772—3861 кДж/кг, для газообразных систем — 8580—15 015 кДж/кг.

Другой важнейшей характеристикой взрыва является скорость процесса, которая резко отличается от скорости обычных химических реакций. Переход к конечным продуктам происходит за стотысячные или миллионные доли секунды. По общему запасу энергии на единицу массы взрывчатые системы не превосходят обычные горючие системы, однако при их взрыве достигается значительно более высокая объемная концентрация, или плотность, энергии.

Горение обычных систем протекает весьма медленно, что приводит к значительному расширению продуктов реакции и существенному рассеянию выделенной энергии путем теплопроводности и излучения. В связи с этим возникает незначительная плотность энергии в продуктах горения.

Взрывчатые процессы протекают столь быстро, что объем системы не успевает измениться и вся выделяемая энергия сосредоточивается в исходном (занимаемом системой до взрыва) объеме. В результате возникает чрезвычайно высокая плотность энергии. Особенно большая плотность энергии характерна для конденсированных взрывчатых систем (твердых или жидких). Плотность энергии твердых веществ может превосходить плотность энергии газообразных веществ в 300—1000 раз (нитроглицерин — 10 210 кДж/кг, гремучий газ — 7,3 кДж/кг).

Третьей важной причиной взрыва является газообразование. Высокое давление, возникающее при взрыве, и обусловленный им разрушительный эффект не могут быть достигнуты без образования в процессе реакции большого количества газообразных продуктов. Эти продукты, находящиеся в момент взрыва в сжатом состоянии, являются теми физическими агентами, которые осуществляют крайне быстрый переход потенциальной энергии взрыва в кинетическую энергию движения газов.

Из 1 кг твердого взрывчатого вещества образуется около 1000 л газообразных продуктов реакции. Максимальное давление при взрыве конденсированных веществ составляет сотни тысяч атмосфер.

При взрыве газообразных систем увеличения объема газа, отнесенного к обычным температурам, не происходит, а иногда даже он уменьшается, например в случае реакции 2Н2(_ГЗ) + 0₂(_га) -> 2Н₂0_(пар).

Однако это уменьшение компенсируется экзотермичностью и скоростью процесса. В результате давление при взрыве достигает 10 атм. Если же в экзотермической реакции твердых тел отсутствуют газообразные продукты, то взрыв будет невозможен, независимо от скорости распространения процесса. Например, при реакции.

конечные продукты А1₂0₃ и Fe нагреваются до 300 °C.