ВЗРЫВЫ ГАЗОПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ И
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Условия возникновения взрыва
Взрыв – быстрое экзотермическое химическое превращение взрывоопасной среды, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных проводить работу (ГОСТ 12.1.010 – 76).
Под взрывом понимается явление, связанное с внезапным изменением состояния вещества, сопровождающимся резким звуковым эффектом и быстрым выделением энергии, приводящим к разогреву, движению и сжатию продуктов взрыва и окружающей среды. Возникновение повышенного давления в области взрыва вызывает образование в окружающей среде ударной волны с сильным разрушающим действием.
При взрыве исходная потенциальная энергия вещества превращается, как правило, в энергию нагретых сжатых газов, которая в свою очередь при их расширении переходит в энергию движения, сжатия, разогрева среды. Часть энергии остается в виде внутренней (тепловой) энергии расширившихся газов (см. рис. 7.1).
В результате взрыва происходит быстрое выделение большого количества энергии, связанное с внезапным изменением состояния вещества, сопровождаемое разрушением и разбрасыванием окружающей среды, возникновением и распространением в ней так называемой ударной волны.
|
|
Выделение энергии происходит главным образом в результате образования большого количества тепла при переходе начальной системы с малой энергией связи между ее частицами в систему с частицами, энергия связи которых больше. Из физики известно, что переход системы из менее устойчивого состояния в более устойчивое всегда сопровождается выделением кинетической энергии. Увеличение же кинетической энергии движущихся частиц эквивалентно повышению их температуры. Следовательно, реакции, сопровождающиеся явлением взрыва, всегда будут экзотермическими – это первое условие взрыва.
Рис. 7.1. Превращение энергии при взрыве
Например, при химическом взрывчатом превращении, свойственном обычно ВВ, когда нарушаются связи атомов молекулы, происходит экзотермическое превращение этих веществ в другие, более устойчивые, преимущественно газообразные вещества. При этом выделяется около 1000 ккал тепла с 1 кг ВВ.
При ядерном взрывчатом превращении (ядерном взрыве) нарушаются не внутримолекулярные, а внутриядерные связи и соответственно выделяется большое количество энергии. Так, например, при делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, должно выделятся около 2.1010 ккал тепла.
Особо от этих двух видов взрывчатого превращения находится явление взрыва, при котором не происходит ни химической, ни ядерной реакции, а причиной взрыва является большое давление газообразных продуктов, образовываемых внутри герметически закрытого сосуда. В этом случае происходит «взрыв», подобный взрывам паровых котлов и баллонов со сжатым газом. Основанные на этом принципе системы в виде патронов «кардокс», «гидрокс» и им подобные применяются в шахтах, весьма опасных по газу или пыли, где не допустим взрыв, сопровождающийся выделением пламени.
|
|
Количество выделяемой энергии зависит от скорости, быстроты этого процесса, ибо скорость выделения энергии (тепла) является вторым обязательным условием взрывной реакции.
Например, при сгорании 1 кг каменного угля выделяется 7-8 тыс. ккал тепла. Однако сгорание угля, идущее по поверхностным слоям, прогрев внутренних слоев и подвод кислорода происходят настолько медленно, что образовавшееся тепло успевает отводиться в окружающую среду и не может выполнить механическую работу.
При взрывчатом превращении обычных ВВ, дающих всего около 1000 ккал/кг, реакция в их массе идет настолько быстро (несколько километров в секунду), что тепло не успевает отводиться в окружающую среду, а газообразные продукты такой экзотермической реакции (продукты взрыва) бывают нагреты до 2500-45000 0С.
Скорость протекания реакции обусловливается тем, что в самой массе ВВ содержится достаточное количество кислорода, необходимое для превращения исходного вещества в газообразные продукты взрыва.
Наличие газообразных продуктов реакции – третье обязательное условие взрыва. Объем этих продуктов в сотни раз больше объема исходного вещества. При сильном нагреве их и крайне быстром образовании взрыва в этих продуктах, находящихся в начальный момент в объеме исходного вещества, создается давление в десятки и сотни тысяч атмосфер. В результате газообразные продукты взрыва, стремительно расширяясь, действуют на окружающую среду в виде мощного удара, возбуждая в ней возникновение ударной волны и производя разрушение, дробление и разбрасывание этой среды.
Значение газообразных продуктов можно видеть на примере термита, реакция которого и экзотермична, и быстропротекаема, но при полном отсутствии газообразных продуктов. И явление взрыва при этом не наблюдается.
Таким образом, явление взрыва возможно при наличии трех обязательных факторов: экзотермичности реакции, весьма большой скорости ее протекания и большого давления газообразных продуктов, которые в процессе расширения совершают механическую работу.