Изгаряне и експлозия 1984 Ландау Л
Изгаряне и експлозия
За да започне горенето, е необходимо, както знаете, да донесете горяща клечка към горим предмет. Но кибритът не се запалва сам, трябва да се удари върху кутията. Следователно, за да започне такава химическа реакция, е необходимо предварително загряване. Запалването създава в началния момент необходимата за реакцията температура. Освен това топлината, която се отделя по време на реакцията, поддържа високата температура.
Първоначалното локално нагряване трябва да е достатъчно, за да гарантира, че отделянето на топлина по време на реакцията надвишава преноса на топлина към околната студена среда. Следователно всяка реакция има своя собствена, както се казва, температура на запалване. Горенето започва само ако началната температура е над температурата на запалване. Например температурата на запалване на дървото е 610°C; бензин - около 200 ° C, бял фосфор - 50 ° C.
Изгарянето на дърва, въглища или масло е химическа реакция на комбинацията от тези вещества с атмосферния кислород. Следователно такава реакция идва от повърхността: докато външният слой не изгори, следващият не може да участва в изгарянето. Това обяснява относителната бавност на горенето. Не е трудно да се провери на практика истинността на казаното. Ако раздробите горивото, тогава скоростта на горене може значително да се увеличи. За тази цел в много пещни устройства въглищата се пулверизират в пещи.
Горивото в цилиндъра на двигателя също се раздробява и смесва с въздуха. Горивото в двигателя не е въглища, а по-сложни вещества, като бензин. Молекулата октан, която е част от това вещество (фиг. 7.2 вляво), се състои от 8 въглеродни атома и 18 водородни атома, свързани, както е показано на фигурата. По време на горене тази молекула е подложена на ударите на кислородните молекули. Срещите с кислородните молекули разрушават октановата молекула.Силите, които обединяват един или два въглеродни атома с водороден атом в една октанова молекула, както и силите, които обединяват два кислородни атома в една кислородна молекула, не могат да устоят на по-силния, както казват химиците, "афинитет" между кислородните атоми, от една страна, и въглеродните и водородните атоми, от друга. Поради това старите връзки между атомите на молекулите се разкъсват, атомите се пренареждат и създават нови молекули. Както е показано на фиг. 7.2 вдясно, нови молекули - продукти на горене - и в този случай са въглероден диоксид и вода. Водата се произвежда под формата на пара
Ситуацията е съвсем различна в случая, когато въздушната атмосфера не е необходима и всичко необходимо за реакцията се съдържа вътре в веществото. Пример за такова вещество е смес от водород и кислород (нарича се експлозивен газ). Реакцията не протича от повърхността, а се извършва вътре в веществото. За разлика от горенето, цялата енергия, генерирана по време на реакцията, се отдава почти мигновено, в резултат на което налягането рязко се повишава и възниква експлозия. Експлозивният газ не гори, а избухва.
Така че експлозивът трябва да съдържа в себе си атомите или молекулите, необходими за реакцията. Ясно е, че могат да се приготвят експлозивни газови смеси. Има и твърди експлозиви. Те са експлозивни именно защото съдържат всички атоми, необходими за химическа реакция, която произвежда топлина и светлина.
Химическата реакция, която възниква по време на експлозия, е реакция на разпад, разделяне на молекула на парчета. На фиг. 7.3 показва пример за експлозивна реакция - разделянето на молекула на нитроглицерин на части. Както може да се види от дясната страна на диаграмата, молекулите на въглеродния диоксид, водата и азота се образуват от първоначалната молекула. В състава на реакционните продукти откриваме обичайните продукти на горенето, но горенето е настъпилобез участието на молекулите на кислорода на въздуха - всички атоми, необходими за изгаряне, се съдържат в молекулата на нитроглицерина.
Как експлозията се разпространява през експлозив, като експлозивен газ? При запалване на експлозив възниква локално нагряване. Реакцията протича в загрят обем. Но по време на реакцията се отделя топлина, която чрез пренос на топлина преминава в съседните слоеве на сместа. Тази топлина е достатъчна за протичане на реакция в съседния слой. Новоосвободената топлина ще навлезе в следващите слоеве детониращ газ и така със скоростта, свързана с преноса на топлина, реакцията се разпространява в цялото вещество. Скоростта на такова предаване е около 20-30 m / s. Разбира се, много е бързо. Метрова тръба с газ експлодира за 1/20 s, т.е. почти мигновено, докато скоростта на изгаряне на дърва или парчета въглища, възникваща от повърхността, а не в обем, се измерва в сантиметри в минута, т.е. няколко хиляди пъти по-малко.
Въпреки това, тази експлозия може да се нарече и бавна, тъй като е възможна друга експлозия, стотици пъти по-бърза от описаната.
Бързата експлозия се причинява от ударна вълна. Ако налягането се повиши рязко във всеки слой на веществото, тогава от това място ще започне да се разпространява фронт на повишено налягане. В този случай се говори за ударна вълна. Тази вълна води до значителен температурен скок, който се предава от слой на слой. Повишаването на температурата предизвиква експлозивна реакция, а експлозията води до повишаване на налягането и поддържа ударна вълна, която иначе би изчезнала бързо, докато се разпространява. Така ударната вълна предизвиква експлозия, а експлозията от своя страна поддържа ударната вълна.
Експлозията, която описахме, се нарича детонация. Тъй като детонацията се разпространява през веществото с ударни скоростивълни (от порядъка на 1 km/s), тогава той наистина е стотици пъти по-бърз от "бавна" експлозия.
Кои вещества експлодират "бавно" и кои "бързо"? Не е така да се постави въпросът: едно и също вещество при различни условия може както да експлодира "бавно", така и да детонира, а в някои случаи "бавната" експлозия се превръща в детонация.
Някои вещества, като азотен йодид, експлодират при докосване на сламка, при леко нагряване, при проблясък на светлина. Експлозив като TNT не експлодира, ако бъде изпуснат, дори ако е изстрелян с пушка. Експлозията изисква силна ударна вълна.
Има вещества, които са още по-малко чувствителни към външни влияния. Торовата смес от амониев нитрат и амониев сулфат не се смяташе за експлозивна до трагичния инцидент, който се случи през 1921 г. в немския химически завод в Oppau. Използван е експлозивен метод за раздробяване на уплътнената смес там. В резултат на това складът и целият завод излетяха във въздуха. Инженерите на завода не могат да бъдат обвинени в нещастие: около двадесет хиляди експлозии преминаха добре и само веднъж бяха създадени условия, благоприятни за детонация.
Веществата, които експлодират само под действието на ударна вълна, но при нормални условия съществуват стабилно и дори не се страхуват от огън, са много удобни за експлозивна технология. Такива вещества могат да се произвеждат и съхраняват в големи количества. За да се приведат в действие обаче тези инертни експлозиви, са нужни подбудители или, както се казва, инициатори на взрива. Такива иницииращи експлозиви са незаменими като източници на ударни вълни.
Примери за иницииращи агенти са оловен азид или живачен фулминат. Ако зърно от такова вещество се постави върху лист калай и се запали, тогава възниква експлозия tпробиване на дупка в калай. Експлозията на такива вещества при всякакви условия е детонация.
Ако върху вторичния експлозивен заряд се постави малко оловен азид и се запали, експлозията на инициатора произвежда ударна вълна, достатъчна да детонира вторичния експлозив. На практика експлозията се извършва с капсула-детонатор (1-2 g иницииращо вещество). Грундът може да се подпали от разстояние, например с помощта на дълъг кабел (фикфордов шнур); ударната вълна, излъчвана от капака, ще детонира вторичния експлозив.
В някои случаи технологията трябва да се справи с детонационните явления. В двигателя на автомобилния двигател при нормални условия се получава "бавна експлозия" на смес от бензин с въздух. Понякога обаче се получава детонация. Ударните вълни в двигателя като системно явление са напълно неприемливи, тъй като под тяхното действие стените на цилиндрите на двигателя бързо ще се повредят.
За борба с детонацията в двигателите е необходимо или да се използва специален бензин (така наречения бензин с високо октаново число), или да се смесват специални вещества в бензина - антидетонатори, които предотвратяват развитието на ударна вълна. Един често срещан антидетонатор е тетраетил олово (TEP). Това вещество е силно токсично и инструкциите предупреждават шофьорите да боравят с такъв бензин внимателно.
Детонацията трябва да се избягва при проектирането на артилерийски оръдия. При изстрел вътре в цевта не трябва да се образуват ударни вълни, в противен случай пистолетът ще се провали.