Краткие теоретические сведения. Цель работы:закрепление теоретических знаний и получение практических навыков по определению основных термодинамических характеристик взрыва заряда ВВ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ, ОБЪЕМА, ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ ПРИ ВЗРЫВЕ ЗАРЯДА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Цель работы: закрепление теоретических знаний и получение практических навыков по определению основных термодинамических характеристик взрыва заряда ВВ расчетным способом.

Теплота, объем, температура и давление газов при взрыве ВВ за­висят от состава образующихся продуктов взрыва и их количества.

Состав продуктов взрыва и реакции превращения промышленных ВВ в значительной степени определяются их кислородным балансом.

С точки зрения построения реакций взрывчатого превращения, ВВ делятся на три группы.

К первой относятся ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного окисления горючих элементов. ВВ этой группы имеют ну­левой или положительный кислородный баланс. Например, реакция раз­ложения нитроглицерина имеет вид

Ко второй группе относятся ВВ с количеством кислорода, доста­точным для полного газообразования. Часть кислорода, входящего в со­став ВВ, сначала окисляет водород в воду, углерод в окись углерода, а затем оставшаяся часть кислорода образует с окисью углерода углекис­лый газ. Примером может служить реакция разложения тэна:

К третьей относятся ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород окисляется в воду, а часть углерода - в окись углерода, выделяя свободный углерод. На­пример, приведем реакцию разложения тротила:

Определение теплоты взрыва. Теплотой взрыва называется ко­личество тепла, которое выделяется при взрывчатом разложении одного моля, или 1 кг ВВ.

Теплота взрывчатого превращения может быть вычислена и оп­ределена экспериментально. В качестве стандартных условий принима­ют температуру 18 °С (иногда 25 °С) и давление 1,01-10⁵ Па.

Вычисление теплоты взрыва основано на законе Гесса, согласно кото­рому тепловой эффект зависит не от направления протекания реакции, а только от начального и конечного состояний химической системы. В этом случае те­плота взрыва равна алгебраической
сумме теплоты образования ВВ и тепло­ты продуктов взрыва. Рассмотрим три состояния, графически описываемых треугольником Гесса (рис. 2.1).

Первоначальному состоянию отвечают свободные

Рис. 2.1. Треугольник Гесса: 1 – элементы, из которых состоит ВВ, второму - собственно

свободные химические элемен- ВВ, а третьему, конечному состоя­нию, - продукты

ты; 2 – взрывчатое вещество; взрыва. Реакция может идти по двум направлениям:

3 – продукты взрыва

1.Из свободных элементов образуется ВВ. Эта реакция характе­ризуется положительным или отрицательным тепловым эффектом Q_1-3. Далее при взрыве ВВ образуются продукты взрыва с выделением тепло­ты Q_2-3.

1. Из свободных элементов получаются продукты взрыва ВВ и выделяется теплота их образования Q_1-3.

В соответствии с законом Гесса

и теплота взрыва

(2.1)

Величина Q_2-3 характеризует теплоту взрыва при постоянном дав­лении Qp.

При охлаждении продуктов взрыва до температуры окружающей среды 15 °С (288 К) теплота взрыва при постоянном объеме Qv связана с Qp выражением

. (2.2)

Если температура продуктов взрыва снижается до 25 °С (298 К), то

(2.3)

где n - число молей газообразных продуктов взрыва. Выделившаяся теплота при расчете на 1 кг ВВ

(2.4)

где М_вв - молекулярная масса ВВ.

Из вышеуказанного следует, что для расчета теплоты взрыва не­обходимо знать уравнение взрывчатого превращения ВВ.

Характеристики ВВ, их компонентов и продуктов взрыва приведены в табл. 2.1.

Пример 1. Определить теплоту взрыва нитроглицерина, взрыв­чатое превращение которого протекает по уравнению

Решение. Теплота образования нитроглицерина Q_1-2=351 кДж/моль (табл. 2.1).

Теплота образования продуктов взрыва

кДж/моль,

где q_co2 = 396 кДж/моль и q_H2O⁼ 241 кДж/моль - теплота образования углекислого газа и паров воды соответственно. Теплота взрыва

кДж/моль.

Приняв температуру среды, равной в 15 °С, по формуле (2.2) вы­числяем теплоту взрыва при постоянном объеме:

кДж/моль.

Выделившаяся теплота при молекулярной массе нитроглицерина М_ВB = 227 в расчете на 1 кг ВВ (2.4)

кДж/моль.

Температура газов взрыва. Температуру газов взрыва (°С) вы­числяют по формуле

(2.5)

где Q_v - теплота взрыва ВВ, Дж/моль; c_v - средняя теплоемкость всех продуктов взрыва при постоянном объеме в интервале от 0 до Т °С, Дж/(моль∙°С).

Таблица 2.1

Вещество	Химическая формула	Относи- тельная молекулярная масса	Теплота образования при постоянном объёме, кДж/моль	Кислородный баланс, %
Вода (жидкая)	H2O
Вода(газ)	H2O
Углекислота (газ)	CO2
Окись углерода (газ)	CO			-57
Метан (газ)	CH3			-200
Окись азота (газ)	NO		90,5	+52,2
Окись алюминия	Al2O3
Окись кальция	CaO		631,8
Углекислый калий	K2CO3
Аммиачная селитра	NH4NO3			+20
Азотнокислый калий	KNO3			+39,6
Азотнокислый натрий	NaNO3		-	+42,4
Тротил	C7H5(NO2)3		56,5	-74
Динитронафталин	C10H6O4N2		35,2	-139,4
Тетрил	C7H5O8N5		41,8	-47,2
Гексоген	C3H6O6N6		87,4	-21,6
Тэн	C5H8O12N4		512,9	-10,1
Нитроглицерин	C3H5(ONO2)3		350,7	+3,5
Нитрогликоль	C2H4(ONO2)2		233,6
Коллойдный хлопок (12,2 %)	C22,5H28,8O36N8,7		2722,2	-33,5
Гремучая ртуть	Hg(CNO)2	284,5	273,6	-11,3
Стеарат кальция	C36H70O4Ca			-274,1
Бумага (целлюлоза)	C10H6O5		946,9	-180
Древесная мука	C15H22O10		-	-137
Парафин	C24H5O	338,5	-	-346
Алюминий	Al		-	-89
Хлористый натрий	NaCl	58,5	-
Хлористый калий	KCl	74,5	-
Сернокислый калий	K2SO4		1442,2
Аммиак	NH3			-141
Хлористый аммоний	NH4Cl	53,5	-	-59,8
Тринитрофенолят аммония	C6H2(NO2)3ONH4		113,2	-52

Теплоемкость в зависимости от температуры определяют по формуле

(2.6)

где a, b - коэффициенты, найденные опытным путем.

Решив совместно уравнения (2.5) и (2.6), получим

(2.7)

Теплоемкость следующих газов в зависимости от температуры находят по формулам:

Дж/(моль∙°С) - двухатомные; (2.8)

Дж/(моль∙°С) - четырехатомные; (2.9)

Дж/(моль∙°С) - пары воды; (2.10)

Дж/(моль∙°С) - углекислый газ; (2.11)

Дж/(моль∙°С) - твердые продукты; (2.12)

Теплоемкость смеси газов рассчитывают по формулам (2.8)-(2.12), учитывая долевое участие каждого из составляющих и выполняя их почленное сложение, чтобы найти суммарные величины ∑а и ∑Ь. При этом расчетная формула принимает вид

(2.13)

Рассмотрим порядок расчета температуры взрыва ВВ на примере.

Пример 2. Вычислить температуру взрыва нитроглицерина, если теплота взрыва нитроглицерина равна 1443 кДж/моль.

Решение. Теплоемкость всех продуктов взрыва (см. пример 1) определяем на основе вышеприведенных формул.

Для ЗСO₂ она равна;

для

Итого

Следовательно,

Подставив найденные значения в формулу (2.7), получим