Энергетические характеристики взрыва.



Бризантное и фугасное действие взрыва

Энергетические характеристики взрыва.

Распределение энергии ВВ при взрыве

Общей энергией химического превращения ВВ (потенциальная энергия) обычно считают теплоту, которая выделяется при взрыве ВВ в постоянном объеме без совершения внешней работы.

Наличие газов в продуктах взрыва делает возможным в процессе их расширения превращение тепла в механическую работу.

Превращение тепла при взрыве в механическую работу происходит с большими потерями. Кроме того, само химическое превращение ВВ в условиях практического применения почти никогда не бывает полным.

Как уже было сказано ранее, при детонации происходит частичный разброс ВВ («боковой разброс»), обусловливающий химические потери, т.е. потери, связанные с неполнотой химического превращения ВВ. Потери такого рода бывают относительно тем большими, чем меньше диаметр заряда и чем он ближе по величине к критическому значению.

В некоторых случаях образование при взрыве промежуточных продуктов химического превращения идет с поглощением тепла (энергии) и разброс таких продуктов ведет еще к большим потерям, чем разброс частичек исходного ВВ.

К химическим потерям можно отнести также и потери, связанные с намоканием ВВ в шпурах, в результате которого увеличивается разброс неразложившихся при взрыве частиц ВВ.

Вся энергия ВВ за вычетом химических потерь выделяется в момент взрыва в виде тепла и составляет полную фактическую тепловую энергию ВВ. Но и эта энергия не может быть полностью превращена в механическую работу. Неполнота превращения тепловой энергии в механическую работу обусловлена наличием тепловых потерь (или термодинамических потерь).

Работу взрыва мы рассматриваем как работу адиабатического расширения продуктов взрыва, т.е. такого расширения, при котором не происходит теплообмена между продуктами взрыва и взрываемой средой. Полное превращение тепла в механическую работу в процессе адиабатического расширения возможно лишь в том случае, если расширение происходит до бесконечно большого объема. Практически в условиях применения ВВ расширение продуктов взрыва при совершении ими работы ограничивается некоторыми пределами. В качестве условного предела можно принять величину атмосферного давления, хотя при взрыве в воздухе конечное давление на некоторый момент может стать менее атмосферного.

Работу расширения продуктов взрыва до атмосферного давления называют полной идеальной работой взрыва.

Математически эта работа (полная работа взрыва, полная работа расширения продуктов взрыва) может быть выражена исходя из первого закона термодинамики, согласно которому в процессе расширения газов уменьшение их внутренней энергии (dU) равно количеству тепла (dQ), сообщенного окружающей среде, и произведенной работе (dA):

 

                       .                              (2.37)

 

В случае взрыва, ввиду его кратковременности, можно пренебречь теплообменом с окружающей средой и аппроксимировать процесс расширения газов как адиабатический (об этом мы уже ранее говорили).

Тогда уравнение (2.37) приобретает вид (при dQ=0)

 

 

                                                     (2.38)

и                               

,  (2.39)

где Т1 - начальная температура продуктов взрыва,

Т2 - температура продуктов взрыва в конце расширения,

 - средняя теплоемкость продуктов взрыва.

 

Зная потенциальную энергию ВВ,

  Е=QV + То, или Е= Твзр ,                    (2.40)

 

как полную внутреннюю энергию продуктов взрыва, работу взрыва определим:

                                                 

     .                       (2.41)

Используем известные соотношения для адиабаты

              ,                        (2.42)

 

где V1 и P1 – удельный объем и давление продуктов взрыва вначале расширения,

V2 и P2 – удельный объем и давление продуктов взрыва в конце расширения,

 к - показатель адиабаты (изоэнтропы): отношение средних теплоемкостей газообразных продуктов взрыва при постоянном давлении и постоянном объеме

 

                        ,                          (2.43)

получим

 или  .        (2.44)

                        

Анализ уравнения (2.44) показывает, что при идеальном адиабатическом процессе расширения до бесконечно большого объема (V2 =∞) работа равна потенциальной энергии, так как в этом случае . Следовательно, чем больше теплота взрывчатого превращения, тем больше идеальная работоспособность ВВ. Если конечное расширение продуктов взрыва (V2) незначительно, незначительна и работа взрыва. При V2=V1, А=0.

Таким образом, термодинамический к.п.д. взрыва h=А/Е в первом случае (V2 =∞) в пределе будет равняться 1, а во втором случае (V2=V1) будет равен 0.

Значение h увеличивается с увеличением показателя к, так как V1 / V2 < 1. В свою очередь, к возрастает с уменьшением средней теплоемкости продуктов взрыва, а последняя уменьшается с увеличением доли малоатомных молекул (СО, Н2, N2) и уменьшением доли твердых веществ в продуктах взрыва.

Большое содержание малоатомных (двухатомных) газов свойственно взрывчатым веществам с отрицательным кислородным балансом. Поэтому такие ВВ имеют больший термодинамический коэффициент (к.п.д.), если только они не образуют при взрыве твердых частиц. ВВ с нулевым и положительным кислородным балансом образуют много трехатомных газов (Н2О, СО2), соответственно их h должен быть ниже. Так, для гексогена содержание в продуктах взрыва трехатомных газов составляет 1/3, а двухатомных 2/3, для нитроглицерина соотношение этих газов в продуктах взрыва – обратное; соответственно показатели изоэнтропы кг –1,25, кнг –1,20. При расширении до атмосферного давления hг-0,845 и hнг-0,797.

Особенно заметно уменьшается к.п.д. (h) для ВВ, содержащих металлы, нитраты металлов. Металл в состав ВВ вводится для повышения энергии взрыва, работоспособности ВВ; но металлы образуют при сгорании твердые окислы, повышают среднюю теплоемкость и соответственно снижают к и h.

Формула (2.44) указывает на значительно большее влияние относительного изменения показателя «к» на величину h, чем изменения величины V2 (равной Vо при нормальных условиях).

Таким образом, тепловыми, или термодинамическими, потерями можно назвать потери, обусловленные ограниченной степенью расширения продуктов взрыва в процессе совершения ими работы повышенной теплоемкости (СV) многоатомных газов и наличием в составе продуктов взрыва твердых частиц. К такого рода идеальным тепловым потерям следует добавить потери, связанные с отклонением процесса расширения от адиабатического. Часть тепла при взрыве идет на нагревание окружающей среды путем теплообмена или пластической деформации среды. Вся энергия ВВ за вычетом химических и тепловых потерь составляет полную фактическую работу взрыва.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 280; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ