Характеристика взрывчатого превращения вещества и его формы

Тема №4: Взрывчатое превращение вещества и состав продуктов взрыва

Объем учебного материала темы:

Характеристики взрывчатого превращения. Разновидности взрывчатых веществ. Требования, предъявляемые к взрывчатым веществам.

Влияние состава продуктов взрыва на характер взрывчатого превращения. Кислородный баланс и реакция взрывчатого превращения. Расчет состава продуктов взрыва. Температура взрыва. Основные параметры продуктов взрыва.

Учебная литература:

1. Пороха, твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества / В.К.Марьин, В.П.Зеленский, Б.М.Орлов и др.– МО, 1992. – 202 с. Стр.114-128.

2. Теория и практика взрывобезопасности энергоемких материалов./ Г.А.Нишпал, Ю.Н.Милехин, и др. Под общ. ред. Нишпала Г.Н.- М.: ЦЭИ «Химмаш», 2002. 113 с. Стр.5-13.

3. Артиллерийское вооружение. Основы устройства и конструирование / И.И.Жуков, В.А.Башкатов, Т.М.Городинский и др. – М.: «Машиностроение», 1975. – 419 с. Стр.25-37.

4. Материальная часть артиллерии, боеприпасы и приборы. Учебник для артиллерийских училищ / Д.Д.Вороновский – М.: ВИ, 1958. – 335 с. Стр.147-150.

5. Взрывчатые вещества и пороха / М.А.Будников, А.А.Левкович, И.В.Быстров и др. – М.: Оборонгиз, 1955. – 363 с.

Характеристика взрывчатого превращения вещества и его формы

Взрыв (или взрывчатое превращение), в широком смысле слова, представляет собой процессчрезвычайно быстрого изменения физического или химического состояния системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в работу. Работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов и паров, независимо от того, существовали ли они до или образовались во время взрыва.

Определяющим признаком взрыва является резкий скачок давления в среде, окружающей место взрыва. Это является основной причиной разрушительного действия взрыва.

Взрывы могут быть вызваны различными физическими и химическими явлениями. Взрывы, основанные на физических явлениях, находят весьма ограниченное применение и являются главным образом предметом специальных научных исследований.

Химическим взрывом (или просто взрывом) называется очень быстрое химическое превращение вещества, сопровождающееся выделением тепла и образованием сильно нагретых и сжатых газов и паров, способных при расширении совершать механическую работу разрушения или перемещения среды.

Взрывчатые вещества представляют собой относительно неустойчивые в термодинамическом отношении системы, способные под влиянием внешних воздействий к быстрым экзотермическим превращениям, сопровождаемым образованием сильно нагретых паров и газов.

Примером взрыва может служить химическое превращение органического вещества (гексогена) в газообразные продукты и последующее расширение нагретых газов и паров – продуктов взрыва

Взрывчатое превращение веществ характеризуется тремя показателями: экзотермичностью процесса (выделением тепла); скоростью распространения процесса (кратковременность) и образованием газообразных продуктов.

Экзотермичность процесса взрыва является первым необходимым условием, без которого невозможно возникновение и проявление взрыва.

За счет тепловой энергии реакции происходит разогрев газообразных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов, их сильное сжатие в объеме взрывчатого вещества и последующее активное расширение.

Количество тепла, выделяющееся при взрыве 1 кг ВВ, называется теплотой взрыва. Для современных ВВ теплота взрыва изменяется в пределах от 3750 до 7550 кДж/кг.

Выделяющееся при взрыве тепло создает температурные условия, обеспечивающие надлежащую быстроту взрывной реакции (Как известно из общей химии, повышение температуры участвующих в реакции компонентов на 10° ускоряет ход реакции в два-четыре раза. Отсюда можно заключить, какова скорость реакции взрыва, протекающего при температуре 2000-2400°С.).

Однако условие экзотермичности является необходимым, но недостаточным для протекания реакции в форме взрыва. Так, известен целый ряд реакций, протекающих с выделением тепла, но не являющихся взрывчатыми. Например, термитная реакция:

Так как при этой реакции не образуются газообразные вещества, то и работа не совершается.

Большая скорость распространения процесса взрыва является одним из характерных признаков взрыва, резко отличающим его от обычных химических реакций.

Переход исходного ВВ к конечным продуктам взрыва происходит в течение 10^-5…10^-6с, а скорость распространения взрыва по массе вещества составляет 7000…9000 м/с.

Скорость распространения взрыва не зависит от внешних условий, так как любое внешнее воздействие совершается со скоростью, значительно меньшей, чем скорость взрыва, а поэтому не успевает повлиять на его протекание.

Взрывчатое превращение может протекать с постоянной или переменной скоростями.

Скорость взрывчатого превращения является важнейшей характеристикой, определяющей скорость выделения энергии и как следствие – эффективность действия, то есть мощность взрыва.

О мощности ВВ можно получить представление хотя бы по тому, что даже такое слабое ВВ, как дымный порох, способно при взрыве 1 кг произвести работу в 25 млн. лошадиных сил. А мощность взрыва 1 кг гексогена составляет 570 млн. кВт (в 31 раз мощнее; 1кВт=1, 36 л.с.).

Интересный факт: сама по себе энергия взрывчатого вещества невелика. При взрыве 1 кг тротила выделяется в 8 раз меньше энергии, чем при сгорании 1 кг угля, но эта энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при обычных процессах горения.

Образование большого количества газообразных и парообразных продуктов реакции обеспечивает создание в локальном объеме высокого давления и обусловленного им разрушительного эффекта.

Вследствие нагревания до высокой температуры (3500 – 4000К) продукты взрыва оказываются в чрезвычайно сжатом состоянии (давление при взрыве достигает (20…40)*10³МПа) и способны разрушить очень прочные преграды. В процессе расширения продуктов взрыва осуществляется быстрый переход потенциальной химической энергии ВВ в механическую работу или в кинетическую энергию движущихся частиц.

Следовательно, для увеличения разрушительного действия разрывных зарядов боеприпасов следует использовать такие ВВ, при взрывчатом превращении которых образуется наибольшее количество газов и паров.

При взрыве 1 кг штатных ВВ образуется от 0, 75 до 0, 95 м³ газов и паров (для сравнения: при сгорании 1 литра смеси бензина с воздухом образуется 32 литра газов, а при сгорании 1 литра пироксилинового пороха выделяется 1440 литров газов).

Итак, только одновременное сочетание трех основных факторов (экзотермичности, высокой скорости процесса и газообразования), представляющих собой взрывчато-энергетические характеристики, обеспечивает явление взрыва.

Характер взрыва определяется прежде всего скоростью протекания процесса и зависит от вида взрывчатого вещества и от условий, в которых происходит взрыв.

В зависимости от скорости процесса различают три формы взрывчатого превращения: горение (быстрое сгорание); собственно взрыв и детонацию.

Быстрым сгоранием взрывчатого вещества обычно называют процесс, скорость распространения которого по массе ВВ не превышает нескольких метров в секунду, а иногда - даже долей метра в секунду. Характер действия в этом случае - более или менее быстрое нарастание давления газов и производство ими работы разбрасывания или метания окружающих тел. Если процесс быстрого сгорания происходит на открытом воздухе, то он не сопровождается сколько-нибудь значительным эффектом.

Примером такой формы взрывчатого разложения может служить сгорание на открытом воздухе бездымного пороха.

Пороха (особенно бездымные) в закрытом объеме, например в патроннике ружья, разлагаются более энергично, чем на открытом воздухе, причем горение в этом случае сопровождается резким звуком. Это - типичная форма взрывчатого разложения ВВ в форме быстрого сгорания.

Собственно взрыв, называемый иногда обыкновенным взрывом или взрывом второго рода, - это процесс, который может протекать с переменной скоростью, но значительно большей, чем в первом случае, в среднем со скоростью сотен метров в секунду.

Взрывчатые вещества, разлагающиеся в этой форме, характеризуют резкий подъем давления в месте взрыва, удар газов по окружающей среде или производство работы: раскалывание и дробление преграды на небольших расстояниях от места взрыва.

Примером этой формы взрывчатого разложения может служить вызванный лучом огня взрыв прессованного пироксилина в оболочке, протекающий со скоростью нескольких сотен метров в секунду.

Детонацией, или взрывом первого рода, называют процесс, который распространяется по массе вещества с максимальной скоростью, измеряемой обычно тысячами метров в секунду. Например, скорость детонации прессованного тротилового заряда составляет около 6700м/с.

Характер действия при детонации - особенно резкий скачок давления и удар газов, сопровождающийся сильнейшим разрушительным эффектом. Здесь налицо не раскалывание, а дробление преграды на мельчайшие куски.

При детонации разложение ВВ происходит настолько быстро (за время от 10^{− 6} до 10^{− 7} с), что газообразные продукты разложения с температурой в несколько тысяч градусов оказываются сжатыми в объёме, близком к начальному объёму заряда. Резко расширяясь, они являются основным первичным фактором разрушительного действия взрыва.

В сущности обыкновенный взрыв можно рассматривать как неразвившуюся детонацию и, наоборот, детонацию нужно считать высшей формой взрыва.

Сравнивая формы превращения порохов, РТТ и ВВ, можно заметить, что горение и взрыв имеют общие и отличительные признаки.

При определенных условиях горение может переходить во взрыв, а взрыв вырождаться в горение. Эти переходы крайне нежелательны, поскольку переход горения во взрыв приводит к катастрофам, а переход взрыва в горение – к отказу действия боеприпасов у цели.