|
|
Теория горения и взрыва. ЛЕКЦИЯ 1. ФИЗ.-ХИМ. ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ испр.. Лекция 1 Физикохимические основы горения Общие сведения о горении и взрыве
Взрывные процессы. Типы взрывов
Пожары и взрывы тесно связаны друг с другом. Очень часто случайно возникший взрывной процесс (взрыв) приводит к пожару. А пожар может сопровождаться взрывом. Особенно часто при пожаре взрываются закрытые емкости (цистерны, баллоны) со сжатыми или сжиженными газами.
По своей сути взрывные процессы (взрывы) - это очень быстрое превращение большого количества потенциальной химической или физической энергии системы в кинетическую энергию продуктов взрыва (газы, осколки). На практике взрывы подразделяют на два типа: физические и химические.
Если при взрывном процессе в кинетическую энергию переходит потенциальная физическая энергия, то такие взрывы относят к физическим взрывам.
Если при взрывном процессе в кинетическую энергию переходит потенциальная химическая энергия, то такие взрывы относят к химическим взрывам.
Взрывы могут быть вызваны различными физическими или химическими явлениями.
Можно привести следующие примеры взрывов, обусловленных физическими причинами:
1. «Взрыв» парового котла, баллона или бомбы со сжатым газом. В первом случае явление вызвано быстрым переходом перегретой воды в парообразное состояние, во втором случае — повышенным давлением газа в бомбе. В обоих случаях взрыв возникает вследствие преодоления сопротивления стенок резервуара, а его разрушительный эффект зависит от давления, под которым пары или газы находились в резервуаре.
Причиной физических взрывов является не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобождением внутренней энергии сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от величины давления внутри сосуда.
2. Взрывы, возникающие при мощных искровых разрядах, например молниях, или при пропускании электрического тока высокого напряжения через тонкие метталические нити.
При мощных разрядах разность потенциалов выравнивается за промежутки времени порядка 10-6—10-7 сек, благодаря чему в зоне разряда достигается колоссальная плотность энергии и чрезвычайно высокие температуры (порядка десятков тысяч градусов), что в свою очередь приводит к сильному подъему давления воздуха в месте разряда и распространению интенсивного возмущения в окружающей среде.
3. К физическим взрывам относят взрывы, при которых происходит очень быстрое освобождение потенциальной энергии внутриядерных связей, например, при взрыве атомных и водородных бомб, а также термоядерных взрывах, происходящих иногда на поверхности звезд.
Взрывы, основанные на подобных физических явлениях, находят весьма ограниченное применение и являются главным образом предметом специальных научных исследований.
В дальнейшем мы будем рассматривать лишь взрывы, вызванные процессами химического превращения взрывчатых веществ (ВВ).
К физическим взрывам относится также явление так называемой физической детонации. Это явление возникает при смешении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, выливание расплавленного металла в воду). В образовавшейся парожидкостной смеси испарение может протекать взрывным образом вследствие развивающихся процессов тонкой фрагментации капель расплава, быстрого теплоотвода от них и перегрева холодной жидкости с сильным ее парообразованием. Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях более тысячи атмосфер. Соответствующие процессы наблюдались на практике при взаимодействии, например, расплавленного алюминия с водой при аварии в атомном реакторе, контакте с ней расплавленной стали в литейном цехе или расплава солей (Na2СO3 и Nа2S) в бумажной промышленности.
Взрыв вулкана Кракатау в 1883 г. - пример физической детонации, так как он возник в результате взаимодействия расплавленной лавы с морской водой. Гул взрыва был слышен на расстоянии 5000 км в течение четырех часов после события.
Взрывные процессы могут протекать за время порядка 10-2 - 10-3 с.
Так как взрывные процессы очень скоротечны, то мощность взрыва может достигать колоссальных величин. Мощность химических взрывов оценивается в (8-15)10 кВт (
16•10 л-с). Но самыми мощными являются термоядерные взрывы, которые происходят на поверхности звезд. При термоядерном взрыве мощность взрыва в 100 миллионов раз превосходит мощность химических взрывов.
Взрыв, в широком смысле этого слова, представляет собой процесс весьма быстрого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу. Работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров, независимо от того, существовали ли они до или образовались во время взрыва.
Самым существенным признаком взрыва является резкий скачок давления в среде, окружающей место взрыва. Это служит непосредственной причиной разрушительного действия взрыва.
Достаточно мощные химические взрывы могут происходить при горении предварительно перемешанных парогазовых смесей (взрывчатая система: углеводородное «горючее + окислитель»). Например, сгорание парогазовых смесей типа
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q
или
С2Н5ОН + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О + Q
сопровождается взрывным эффектом.
При взрыве горение углеводородных топлив в смеси с воздухом, как правило, протекает в автотурбулентном режиме. Скорость распространения пламени при автотурбулентном горении может достигать нескольких десятков и даже сотен метров в секунду. Горение газообразных топлив (метан, ацетилен, водород и т. д.) в смеси с кислородом может протекать не только в автотурбулентном режиме, но и в режиме детонации, когда скорость распространения процесса сгорания составляет 1000-2000 м/с. Сгорание углеводородных топлив в автотурбулентном режиме и режиме детонации обеспечивает быстрый переход потенциальной химической энергии в кинетическую энергию. Химическое взрывчатое превращение свойственно взрывчатым веществам.
Взрывчатые вещества - это химические соединения, содержащие в своем составе кислород. Экзотермические окислительно-восстановительные реакции при взрыве взрывчатых веществ протекают с участием кислорода, входящего в состав молекулы. Поэтому химические реакции, протекающие при взрыве взрывчатых веществ, происходят без участия кислорода воздуха.
Химический взрыв взрывчатых веществ в режиме детонации протекает со скоростью порядка 6000-8000 м/с.
Величина избыточного давления в газообразных продуктах взрыва и ударных волнах во многом определяет разрушающее и поражающее действие взрыва. Установлено, что избыточное давление в ударной волне порядка 0,05-105 Па разрушает остекление зданий, а давление более 0,2-105 Па может нанести легкие повреждения строительным конструкциям. Принято считать безопасным для человека давление порядка (0,12-0,2)105 Па.
Взрывчатые вещества представляют собой относительно неустойчивые в термодинамическом смысле системы, способные под влиянием внешних воздействий к весьма быстрым экзотермическим превращениям, сопровождающимся образованием сильно нагретых газов или паров.
Газообразные продукты взрыва благодаря исключительно большой скорости химической реакции практически занимают в первый момент объем самого ВВ и, как правило, находятся в сильно сжатом состоянии, вследствие чего в месте взрыва резко повышается давление.
Газообразные вещества, обладая большой кинетической энергией, начинают расширяться с такой скоростью, что действуют на окружающую среду как резкий удар. По этой причине в окружающей среде образуются ударные волны. Ударные волны - это область повышенного давления, которая перемещается по среде со скоростью больше скорости звука.
Из изложенного следует, что способность химических систем к взрывчатым превращениям определяется следующими тремя факторами: экзотермичностью процесса, большой скоростью его распространения и наличием газообразных (парообразных) продуктов реакции. Эти свойства могут быть у различных ВВ выражены в различной степени, однако только их совокупность придает явлению характер взрыва.
В зависимости от условий возбуждения химической реакции, характера ВВ и некоторых других факторов процессы взрывчатого превращения могут распространяться с различной скоростью и вместе с тем обладать существенными качественными различиями.
По характеру и скорости своего распространения все известные нам взрывные процессы делятся на следующие основные виды: горение, взрыв и детонация.
Процессы горения протекают сравнительно медленно и с переменной скоростью — обычно от долей сантиметра до нескольких метров в секунду. Скорость горения существенно зависит от внешнего давления, заметно возрастая с повышением последнего.
На открытом воздухе этот процесс протекает сравнительно вяло и не сопровождается сколько-нибудь значительным звуковым эффектом.
В ограниченном же объеме процесс протекает значительно энергичнее, характеризуется более или менее быстрым нарастанием давления и способностью газообразных продуктов горения производить работу метания подобно тому, как это имеет место при выстреле. Горение является характерным видом взрывчатого превращения порохов.
Собственно взрыв по сравнению с горением представляет собой качественно иную форму распространения процесса.
Отличительными чертами взрыва являются: резкий скачок давления в месте взрыва, переменная скорость распространения процесса, измеряемая тысячами метров в секунду и сравнительно мало зависящая от внешних условий. Характер действия взрыва — резкий удар газов по окружающей среде, вызывающий дробление и сильные деформации предметов на относительно небольших расстояниях от места взрыва.
Детонация представляет собой взрыв, распространяющийся с постоянной и максимально возможной для данного ВВ и данных условий скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. Детонация не отличается по характеру и сущности явления от взрыва, но представляет собою его стационарную форму.
Скорость детонации является при заданных условиях для каждого ВВ вполне определенной константой и одной из важнейших его характеристик. В условиях детонации достигается максимальное разрушительное действие взрыва.
Процессы взрыва и детонации существенно отличаются от процессов горения по характеру своего распространения: горениепередается по массе ВВ путем теплопроводности, диффузии и излучения, взрыв и детонация — путем сжатия вещества ударной волной.
|
|
|
Скачать 229.97 Kb.