4) Образование газов

Кроме энергетических и кинетических характеристик вещества, возможность и особенно скорость самораспространения реакции зависят также от условий передачи энергии.

Если вся энергия выделяется в виде тепла, то передача её происходит только путем относительно медленного процесса теплопередачи; соответственно скорость распространения реакции будет мала. Этот случай имеет место при горении взрывчатого материала. Повышение давления при отсутствии оболочки будет очень мало и механическое действие продуктов реакции незначительно.

Если же при местном прохождении химической реакции с тем же энергетическим эффектом возникает большое давление, то передача энергии в известных условиях может осуществляться путем распространения, так называемой ударной волны. Скорость передачи энергии таким путем несравненно больше скорости теплопередачи, соответственно быстрее распространяется и химическая реакция. Повышение давления при ней весьма велико, равно как и обусловленное им разрушительное действие. Это детонация взрывчатого материала.

Необходимым условием такого режима распространения реакции является наличие среди её продуктов (при соответствующей температуре) газов. В этом и заключается значение образования газов как условия возможности детонационного самораспространения химической реакции.

Таким образом, из сказанного ясно, что одно и то же химическое превращение может протекать совершенно различно в отношении скорости его распространения и характера внешнего механического эффекта в зависимости от того, каков механизм передачи энергии от продуктов реакции непрореагировавшему веществу. Сами по себе характеристики химической реакции превращения ВМ – её энергия, энергия активации, агрегатное состояние продуктов реакции – не обуславливают неизбежно взрывной характер превращения. Это видно из того, что ВМ могут не только детонировать или гореть, но способны и к медленному химическому превращению.

Наиболее устойчивые формы взрывчатого превращения нормальное горение и нормальная детонация.

Горение

Самораспространяющийся, высокотемпературный, физико-химический процесс распространения ярко выраженной зоны химической реакции с механизмом передачи энергии из зоны реакции к слою исходного ВМ путем теплопередачи и массопереноса.

Поскольку процессы теплопередачи и массопереноса протекают сравнительно медленно, то и горение процесс медленный, дозвуковой. Конденсированные взрывчатые системы горят со скоростями, от нескольких долей мм/с до сотен мм/с, газовые взрывчатые системы – от метров до десятков метров в секунду.

При нормальном горении газообразные продукты реакции, расширяясь, движутся в сторону противоположную направлению распространения фронта горения. При этом ударная волна сформироваться не может.

Рис. 1 Схема процесса горения ВМ

Процесс горения протекает за счет взаимодействия горючего с окислителем. Эти компоненты обязательно входят в состав горючих систем как смесевых, так и индивидуальных.

Например:

(NH₄)₂Cr₂O₇, 2Al+Fe₂O₃

Необходимые условия горения:

• реакция должна быть сильно экзотермической;

• скорость такой реакции должна в значительной степени зависеть от температуры.

Достаточные условия:

• должны выполняться критические условия (по диаметру заряда, температуре, давлению и т.д.), при которых скорость теплоприхода за счет химической реакции оказывается больше теплопотерь в окружающую среду.

Горение наблюдается в газовых, жидких, твердых и смешанных горючих смесях.

Например: CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O

2Ti+N₂=2TiN

В качестве продуктов горения могут быть также различные по агрегатному состоянию вещества. Не обязательно, чтобы продуктами горения были газы.

Горючие системы могут гореть только при определенных соотношениях горючего и окислителя, т.е. только в определенных концентрационных пределах.

Наиболее высокие скорости и температуры горения наблюдаются при соотношении горючего и окислителя близком к стехиометрическому.

Этот эффект хорошо виден при изучении газовых горючих систем (ГГС)- смеси газообразного или парообразного горючего с газообразным окислителем. Воспламенить ГГС можно двумя путями: