Классификация взрывных процессов

Глава 2

Общие сведения о взрывчатых веществах и

Термохимия взрывных процессов

В хозяйственной деятельности людей мы часто встречаемся с взрывными явлениями (взрывами).

В широком смысле слова «взрывом» называется процесс весьма быстрого физического и химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу.

К примерам взрыва можно отнести:

- взрыв сосуда, работающего под высоким давлением (паровой котел, химический сосуд, топливный бак);

- взрыв проводника при коротком замыкании им мощного источника электроэнергии;

- соударение тел, движущихся с большими скоростями;

- искровой разряд (молния при грозе);

- извержение вулкана;

- ядерный взрыв;

- взрыв различных веществ (газов, жидкостей, твердых веществ).

В приведенных примерах весьма быстрым превращениям подвергаются различные системы: перегретая вода (или другая жидкость), металлический проводник, токопроводящий слой воздуха, расплавленная масса недр земли, заряд радиоактивных веществ, химические вещества. Все эти системы к моменту взрыва имели определенный запас энергии различного вида: тепловой, электрической, химической, ядерной, кинетической (соударение движущихся тел). Выделение энергии или ее преобразование из одного вида в другой приводит к весьма быстрым изменениям состояния системы, в результате чего она совершает работу.

Мы будем изучать взрывы особых веществ, которые широко применяются в народно-хозяйственной деятельности. Точнее сказать, «взрыв» в процессе изучения мы будем рассматривать как основное свойство изучаемых нами веществ – промышленных взрывчатых веществ.

Применительно к ВВ (в частности к ПВВ) под взрывом следует понимать процесс чрезвычайно быстрого (мгновенного) химического превращения вещества, в результате которого его химическая энергия переходит в энергию сильно сжатых и нагревных газов, совершающих работу при своем расширении.

Приведенное определение дает три характерные особенности «взрыва»:

- большая скорость химического превращения;

- образование газообразных продуктов химического разложения вещества – сильно сжатых и нагретых газов, играющих роль «рабочего тела»;

- экзотермичность реакции.

Все три перечисленные особенности играют роль главных факторов и являются обязательными условиями взрыва. Отсутствие хотя бы одного из них приводит к обычным химическим реакциям, в результате которых превращение веществ не носит характера взрывного процесса.

Рассмотрим факторы, определяющие взрыв более подробно.

Экзотермичность реакции является важнейшим условием взрыва. Это объясняется тем, что взрыв ПВВ возбуждается под действием внешнего источника, имеющего незначительный запас энергии. Этой энергии достаточно лишь для того, чтобы вызвать реакцию взрывчатого превращения небольшой массы ВВ, находящейся в точке, на линии или плоскости инициирования. В дальнейшем процесс взрыва распространяется по массе ВВ самопроизвольно от слоя к слою (послойно) и поддерживается за счет энергии, выделяющейся в предыдущем слое. Количество выделяющегося тепла, в конечном счете, определяет не только возможность самораспространения процесса взрыва, но и его полезное действие, то есть работоспособность продуктов взрыва, так как начальная энергия рабочего тела (газов) полностью определяется тепловым эффектом химической реакции «взрыва».

Большая скорость распространения реакции взрывчатого превращения является его характерной особенностью. Процесс взрыва некоторых ВВ происходит настолько быстро, что создается впечатление, что реакция разложения происходит мгновенно. Однако это не так. Скорость распространения взрыва ВВ хотя и является большой, но имеет конечное значение (максимальная скорость распространения взрыва ПВВ не превышает 9000 м/с).

Наличие сильно сжатых и нагретых до высокой температуры газообразных продуктов также является одним из основных условий взрыва. Резко расширяясь, сжатые газы производят удар по окружающей среде, возбуждая в ней ударную волну, которая совершает запланированную работу. Таким образом, скачок (перепад) давлений на границе раздела взрывчатого вещества и окружающей среды, возникающий в начальный момент, является весьма характерным признаком взрыва. Если при реакции химического превращения газообразные продукты не образуются (т.е нет рабочего тела), процесс реакции не является взрывным, хотя продукты реакции могут иметь высокую температуру , не обладая другими свойствами, они не могут создать скачка давлений и, следовательно, не могут совершить работу.

Обязательность наличия всех трех рассмотренных факторов в явлении взрыва проиллюстрируем на некоторых примерах.

Пример 1 Горение угля:

С + О₂= СО₂+ 420 (кДж).

При горении выделяется тепло (наличие экзотермичности) и образуются газы (есть рабочее тело). Однако реакция горения идет медленно. Поэтому процесс не является взрывчатым (нет большей скорости химического превращения).

Пример 2 Горение термита:

2 Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2 Fe +830 (кДж).

Реакция протекает весьма интенсивно и сопровождается большим количеством выделившегося тепла (энергии). Однако, образовавшиеся продукты реакции (шлаки) не являются газообразными продуктами, хотя и имеют большую температуру (около 3000 ^оС). Реакция не является взрывом (нет рабочего тела).

Пример 3 Взрывчатое превращение тротила:

С₆Н₂(NO₂ )₃СН₃=2СО+1,2СО₂+3,8С+0,6Н₂+1,6Н₂О+

1,4N₂+0,2 NH₃+905 (кДж).

Пример 4 Взрывчатое разложение нитроглицерина:

С₃Н₅(NO₃ )₃= 3СО₂ +5 Н₂О + 1,5N₂+ Q (кДж).

Эти реакции протекают весьма быстро, выделяется теплота (реакции экзотермичны), газообразные продукты взрыва, расширяясь, совершают работу. Реакции носит взрывной характер.

Необходимо иметь в виду, что приведенные основные факторы, определяющие взрыв, следует рассматривать не изолированно, а в тесной взаимосвязи как между собой и с условиями протекания процесса. В одних условиях реакция химического разложения может протекать спокойно, в других – носить взрывной характер. В качестве примера можно привести реакцию горения метана:

СН₄+ 2О₂= СО₂+ 2Н₂О + 892 (кДж).

Если горение метана происходит небольшими порциями и его взаимодействие с кислородом воздуха осуществляется по фиксированной контактной поверхности, реакция носит характер устойчивого горения (есть экзотермичность, есть газообразование, нет большой скорости процесса – нет взрыва). Если же метан предварительно смешать с кислородом в значительном объеме и возбудить горение, скорость реакции значительно увеличится и процесс может стать взрывным.

Следует заметить, что большая скорость и экзотермичность процесса создает впечатление о том, что ВВ обладают чрезвычайно большим запасом энергии. Однако, это не так. Как следует из данных, приведенных в таблице 2.1, по теплосодержанию (количество тепла, выделившееся при взрыве 1 кг вещества) некоторые горючие вещества намного превосходят ВВ.

Отличие процесса взрыва от обычных химических реакций заключается в большей объемной концентрации выделяющейся энергии. У некоторых ВВ процесс взрыва происходит настолько быстро, что вся выделившаяся энергия в первый момент сконцентрирована практически в начальном объеме, занимаемом ВВ. Достичь такой концентрации энергии при реакциях другого рода, например, от сжигания бензина в автомобильных двигателях, невозможно.

Таблица 2.1- Теплосодержание некоторых веществ

Вещество	Теплосодержание, кДж/кг	Вещество	Теплосодержание, кДж/кг
Керосин	50260	Дерево	18000
Бензин	41890	Тротил	4230
Антрацит	33510	Дымный порох	2930
Алюминий	30580	Гремучая ртуть	1740

Создаваемые при взрыве большие объемные концентрации энергии приводят к образованию удельных потоков энергии (удельным потоком энергии называется количество энергии, передаваемое через единицу площади в единицу времени, размерность в Вт /м²) большой интенсивности, что и предопределяет большую разрушающую способность взрыва.

Классификация взрывных процессов

На характер протекания взрывного процесса и его конечный результат определяющее влияние оказывают следующие факторы:

- природа ВВ, т.е его физико-химические свойства;

- условия возбуждения химической реакции;

- условия, при которых реакция происходит.

Совместное влияние этих факторов предопределяет не только скорость распространения реакции по массе ВВ, но и сам механизм химической реакции разложения в каждом реагирующем слое. Если, например, поджечь кусочек тротила, то на открытом воздухе он будет медленно гореть «коптящим» пламенем, при этом скорость горения не превосходит нескольких долей сантиметра в секунду. Выделяющаяся энергия будет расходоваться на нагревание воздуха и других тел, находящихся рядом. Если реакцию разложения такого куска тротила возбудить действием капсюля-детонатора, то взрыв произойдет в течение нескольких десятков микросекунд, при этом продукты взрыва проведут резкий удар по воздуху и окружающим телам, возбуждая в них ударную волну и произведя работу. Энергия, выделяющаяся при взрыве, будет расходоваться на совершение работы формоизменения, разрушения и отбрасывания окружающей среды (камень, руда и т.д.).

Общим в обоих рассмотренных примерах является то, что химическое разложение по массе (объему) тротила происходит последовательно от одного слоя к другому. Однако, скорость распространения реагирующего слоя и сам механизм разложения частиц тротила в реагирующем слое в каждом случае будут совершенно различными. Характер протекания процессов, происходящих в реагирующем слое ВВ, определяет, в конечном счете, и скорость распространения реакции. Однако, справедливо и обратное утверждение: по скорости распространения химической реакции можно судить и о ее механизме. Это обстоятельство и позволило положить скорость реакции взрывчатого превращения в основу классификации взрывных процессов. По величине скорости распространения реакции и ее зависимости от условий взрывные процессы подразделяются на следующие основные виды: горение, взрыв (собственно взрыв) и детонацию.

Процессы горения протекают сравнительно медленно (от 10^-3 до 10 м/с), при этом скорость горения существенно зависит от внешнего давления. Чем больше давление в окружающей среде, тем больше скорость горения. На открытом воздухе горение протекает спокойно. В ограниченном объеме процесс горения ускоряется и становится более энергичным, что приводит к быстрому нарастанию давления газообразных продуктов. В таком случае газообразные продукты горения приобретают способность производить работу метания. Горение является характерным видом взрывчатого превращения порохов и ракетных топлив.

Собственно взрыв по сравнению с горением представляет собой качественно иную форму распространения процесса. Отличительными чертами взрыва являются: резкий скачок давления в месте взрыва, переменная скорость распространения процесса, измеряемая тысячами метрами в секунду и сравнительно мало зависящая от внешних условий. Характер действия взрыва – резкий удар газов по окружающей среде, вызывающий дробление и сильные деформации предметов, находящихся вблизи места взрыва. Процесс взрыва существенно отличается от горения по характеру своего распространения. Если при горении энергия от реагирующего слоя к соседнему невозбужденному слою ВВ передается путем теплопроводности, диффузии и излучения, то при взрыве энергия передается путем сжатия вещества ударной волной.

Детонация представляет собой стационарную форму процесса взрыва. Скорость детонации в процессе взрыва, происходящего в заданных условиях, не изменяется и является важнейшей константой данного ВВ. В условиях детонации достигается максимальное «разрушающее» действие взрыва. Механизм возбуждения реакции взрывчатого превращения при детонации такой же, как и при собственно взрыве, то есть передача энергии от слоя к слою осуществляется в виде ударной волны.

Взрыв занимает промежуточное положение между горением и детонацией. Хотя механизм передачи энергии при взрыве такой же, как и при детонации, все же пренебречь процессами передачи энергии в виде теплопроводности, излучения, диффузии, конвенции нельзя. Вот почему взрыв иногда рассматривают как нестационарный, объединяющий совокупность эффектов горения, детонации, расширения газообразных продуктов и других физических процессов. Для одного и того же ВВ в одних условиях реакцию взрывчатого превращения можно классифицировать как интенсивное горение (порох в стволе орудия). В других условиях процесс взрывчатого превращения этого же ВВ происходит в виде взрыва или даже детонации (например, взрыв того же пороха в шпуре). И хотя при взрыве или детонации присутствуют процессы, свойственные горению, их влияние на общий механизм взрывчатого разложения оказывается незначительным.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1858; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!