2.4. Определение объема, давления и теплоты газов при взрыве [6]

Сила взрыва зависит в значительной степени от объема газов, образующихся при взрыве ВВ. Объем газов характеризует энергию взрыва того или иного взрывчатого вещества.

Образующееся количество газов при взрыве 1 кг ВВ принято выражать в литрах. Расчет объема газов производят условно для температуры 0°С и давлении 760 мм рт. Ст. и обозначают через V₀. Объем газов V_t при любой другой температуре выше нуля определяется по формуле

.

Используется теоретический способ вычисления объема газов по реакции превращения ВВ. При этом способе число образовавшихся молекул газообразных продуктов взрыва умножается на объем грамм-молекулы (при 0°С и давлении 760 мм рт. ст.), равный 22,4 л (по закону Авогадро)

,

где Σ_n – количество молей газов взрыва.

Удельный объем газов взрыва

,

где М – молекулярный вес исходного ВВ.

Определим объем газообразных продуктов взрыва 1 моля гремучей ртути, которая при взрыве образует 4 г моль газов по уравнению

Hg(CNO)₂ = Hg + 2CO + N₂.

Молекулярный вес гремучей ртути равен 284 г. Объем 4 г моль газов (при 0°С и давлении 760 мм рт. ст.) составляет

V₀ = 4 • 22,4 = 89,6 л/моль.

Удельный объем газов взрыва

.

Если ВВ состоит из смеси, то расчет объема газов производится по формуле

,

где M₁, M₂ – молекулярные веса отдельных составных частей исходной взрывчатой смеси; N₁, N₂ – число молей составных частей взрывчатой смеси; Σ_n – общее число молей всех газов, образующихся при взрыве.

Наряду с данным способом для определения объема газов взрыва используется также экспериментальный способ (лабораторный), который осуществляется с помощью стальной бомбы (Бихеля, Долгова) или специальной взрывной камеры.

При экспериментальном способе объем сухих газообразных продуктов, полученных при нормальных условиях на 1 кг ВВ, вычисляют по формуле

,

где V_г – суммарный объем образовавшихся газов взрыва при атмосферном давлении и 0°С, л/кг; V_σ – объем бомбы, л; р – абсолютное давление в бомбе после взрыва за вычетом остаточного давления перед взрывом, мм; ω – упругость водяных паров, насыщающих воздух при температуре Т,, мм; Т – абсолютная температура тела бомбы в момент замера давления, град; а вес испытуемого заряда, г.

Перед взрывом определяют разрежение в бомбе, а после взрыва – избыточное давление против атмосферного. Поскольку абсолютное давление равно сумме избыточного и атмосферного давлений, а остаточное давление в бомбе равно разности между атмосферным и давлением разрежения (вакуумом), то

p=(p_изб + р_атм) – (р_атм – р_разр) = р_изб + р_разр.

К вычисленному объему газов необходимо добавить объем водяных паров, образующихся при взрыве.

Учет объема паров воды связан с определением количества образовавшейся в бомбе воды посредством продувания бомбы сухим воздухом с последующим поглощением влаги в хлоркальциевых трубках или вымораживанием ее.

Вычисление объема паров воды, приведенного к нормальным условиям, производится по формуле

,

где V_в – объем паров воды л/кг; b – найденное количество воды, г; а – вес заряда ВВ в бомбе, г; 18 – молекулярный вес воды.

Суммарный объем газообразных продуктов взрыва

V₁ = V_г + V_в .

Экспериментально полученный объем газообразных продуктов взрыва дан в табл. 3.

Таблица 3

Объем газообразных продуктов взрыва отдельных ВВ,

полученных экспериментальным способом

Взрывчатые вещества	Плотность ВВ, г/см3	Удельный объем газообразных продуктов взрыва при нормальных условиях, л/кг
		Вода жидкая	Вода - пар
Аммонит № 6 Гексоген Тротил Тетрил	1,3 1,5 1,5 1,55	430 700 610 620	890 890 750 740

С началом взрывчатого превращения ВВ в бомбе или зарядной камере давление образующихся газов резко возрастает и в конце реакции становится максимальным. Это давление пропорционально плотности заряжания, количеству образующихся га­зов и температуре взрыва. Для определения давления газообраз­ных продуктов взрыва Ван-дер-Ваальсом предложено уравнение

.

Отсюда

.

Здесь р - давление газов взрыва, кГ/см²; V₀ - .объем газов при нормальных условиях и газообразной воде, л; р_о - нормальное атмосферное давление, равное 1,033 кГ/см²; Т - абсолютная температура взрыва, град; V - объем зарядной камеры, л; а - коволюм газов взрыва, т. е. несжимаемая часть их объема.

По Маляру и Ле Шателье, величина коволюма приближенно принимается равной 0,001 V₀. Если, по Сухаревскому, выразить объем зарядной камеры V в зависимости от плотности заряжания ( Δ – плотность заряжания), то уравнение примет вид

,

где - энергия ВВ.

Взрыв любого ВВ сопровождается выделением большого количества газов и тепла. Работоспособность ВВ зависит от количества тепла, образуемого при взрыве. Количество тепла, выделяемого при взрывчатом разложении 1 кг ВВ, называется теплотой взрыва. Теплота взрыва измеряется в калориях на моль или в килокалориях на килограмм.

Теплота взрыва ВВ определяется в калориметрической бомбе опытным путем или может быть рассчитана теоретически по реакции взрыва.

Основываясь на законе сохранения энергии, теплота взрыва равна разности энергии образовавшегося и первоначального соединений

Q=Q_п.п - Q_вв,

где Q_пп - теплота образования продуктов взрывчатого превращения; Q_вв - теплота образования ВВ или его составных частей (при наличии смеси).

В основу вычисления теплоты взрыва положен закон Гесса - количество теплоты, выделяющейся при реакции, зависит только от начального и конечного состояния системы. С учетом реакции взрыва закон Гесса может быть изложен в следующей формули­ровке: количество теплоты, полученной при взрыве, равно разности между теплотой образования конечных продуктов взрыва и самого ВВ

Q = (n₁Q₁+n₂Q₂+n₃Q₃+…) – (m₁Q₁^{`</sup>+ m<sub>2</sub>Q<sub>2</sub><sup>`}+m₃Q₃^`+…),

где Q - теплота взрывчатого превращения 1 моля ВВ при постоянном давлении в ккал (стандартное условие: р=1 кГ/см²); Q₁, Q₂, Qз и т. д. - теплота образования продуктов взрыва, ккал; n₁, n₂, n₃ и т. д. - число грамм-молекул продуктов взрыва; Q'₁, Q'₂, Q'₃ и т.д. - теплота образования 1 моля ВВ, ккал; m₁, m₂, m₃ и т. д. - число грамм-молекул ВВ или составляющих его частей. Теплота реакции взрыва 1-го кг взрывчатой смеси при постоянном давлении рассчитывается по формуле

где М₁, М₂ и т. д. - молекулярные веса составных частей взрывчатой смеси.

Теплота образования отдельных веществ приводится в табл.4.

По условиям практического использования ВВ размещаются в различных средах, например, в грунтах, воде, воздухе. Это позволяет считать, что взрывчатое превращение их происходит при постоянном объеме. Постоянство объема обеспечивается оболочкой среды, в которой размещен заряд ВВ.

Таблица 4

Количество теплоты, полученной при взрывчатом

превращении некоторых веществ

Вещество	Молекулярный вес, г	Теплота образования при t = 15°С и р=760мм.рт.ст. кал/моль
Тротил Окись углерода Вода (пар) Вода (жидкость) Аммиачная селитра Пироксилин Нитротолуол Окись азота Гремучая ртуть	227 28 18 18 80 1143 137 30 284	+17,5 +26,0 +58 +68 +88 +639 -10,7 -22 -64,1

Детонация заряда в любой среде сопровождается большой скоростью превращения взрывчатого вещества в газообразные продукты взрыва. При этом до конца реакции превращения ВВ окружающая среда не успевает сдвинуться с места. Если за окружающую среду принять воздух, то его оболочка будет соответствовать объему заряда ВВ.

В данном случае с учетом постоянного объема количество тепла, получающееся при взрывчатом превращении ВВ, будет больше на величину, соответствующую тепловому эквиваленту произведенной внешней работы. Эта работа затрачивается на расширение газообразных продуктов взрыва до нормального объема

q=0.5725Σn,

где Σn - суммарное количество молей газов взрыва.

Теплота взрыва 1 моля ВВ при постоянном объеме

Q=Qp+0.5725Σn,

а теплота взрыва 1 кг ВВ

.