- •7. Взрывы газопаровоздушных смесей и взрывчатых веществ
- •7. 1. Условия возникновения взрыва
- •7. 2. Классификация взрывов
- •7.3. Особенности горения взрывчатых веществ
- •7.4. Взрыв газопаровоздушных смесей, классификация взрывоопасных смесей
- •7.5. Механизм образования взрывной волны и ее распространение
- •7.6. Основные параметры взрыва
- •Факторы, влияющие на давление взрыва. Давление взрыва зависит от:
- •7.7. Возможные последствия взрыва
- •Вопросы для самоконтроля
7. Взрывы газопаровоздушных смесей и взрывчатых веществ
7. 1. 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.