Теория горения и взрыва
Рощина Г.С.
В основе пожаров и большинства взрывов лежат процессы горения. И знание теоретических основ возникновения и протекания процессов воспла-менения, горения и взрыва позволит Вам:
во-первых, прогнозировать вероятность возникновения пожара и взрыва в конкретных производственных условиях или ЧС;
во-вторых, определять пожаро- и взрывоопасность веществ, техноло-гических процессов и промышленных производств;
в-третьих, применять правильные меры, методы и средства защиты от взрывов и тушения пожаров.
Следует подчеркнуть, что практические решения по обеспечению по-жаро- и взрывобезопасности на основе знания курса ТГВ будут изучаться Вами в дисциплине «Пожаровзрывобезопасность».
Таким образом, цель курса ТГВ – изучить научные, теоретические ос-новы процессов воспламенения, горения и взрыва веществ и методов подав-ления взрывов и тушения пожаров.
Что такое горение, пожар, взрыв? Горением называется быстро проте-кающая химическая реакция, которая сопровождается выделением тепла и свечением (пламенем). Пламя – это светящиеся продукты горения. Выде-лившееся тепло раскаляет продукты горения, и они светятся.
К горению способны вещества в любом агрегатном состоянии: газа, жидкости или твердого тела. Газы – это вещества, не имеющие ни объема, ни формы. Жидкости имеют объем, но не имеют форму. Твердые вещества имеют и объем и форму.
Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб.
Взрыв – это крайне быстрое химическое или физическое превращение вещества, сопровождающееся выделением большого количества газов, теп-ловой энергии и, как следствие, резким повышением давления и возникнове-нием ударной (взрывной) волны, что приводит в итоге к пожарам, разруше-ниям и травмам людей.
Различают физический, химический и ядерный взрывы, исходя из про-цессов, которые вызывают взрыв.
Физический взрыв происходит при быстром переходе вещества из од-ного состояния в другое. Например: взрыв парового котла, когда перегретая жидкая вода мгновенно превращается в пар, или взрыв баллона, когда силь-но сжатый негорючий газ мгновенно сбрасывает давление.
Химический взрыв – это химическое превращение веществ при горе-нии, когда в закрытых аппаратах или помещениях воспламеняется смесь го-рючего вещества и окислителя. Чаще всего окислителем служит кислород воздуха.
Ядерный взрыв – это мгновенное высвобождение атомной энергии радиоактивных веществ.
Мы в нашем курсе будем рассматривать только процессы, происходя-щие при химическом взрыве, т.е. горении.
Теория горения и взрыва основана на законах физики, химии, химиче-ской термодинамики, физической химии.
Фундаментальной базой ТГВ является молекулярно-кинетическая тео-рия газов, потому что горение газов, жидкостей и большинства твердых ве-ществ протекает в газовой фазе. А молекулярно-кинетическая теория позво-лит представить физический смысл явлений в газах с точки зрения атомно-молекулярной теории строения веществ с помощью движения газовых час-тиц. Согласно этой теории молекулы газа находятся в постоянном движении. Каждая частица обладает определенной кинетической энергией, которая и определяет взаимосвязь температуры, объема, давления, массы газов и др.
Теория – в переводе с греческого означает «исследование, наблюде-ние». Это система логических научных обобщений опыта, который люди пы-таются отражать объективные закономерности развития природы.
Основой любой науки является опыт, эксперимент. На основе обобще-ния полученных данных находят закономерность, которую называют прави-лом, принципом, законом. А установленную закономерность объясняет тео-рия, которая отвечает на вопрос: «Почему это так происходит?».
Таким образом, теория абстрактно выражает внутреннюю сущность за-кономерностей и явлений и объясняет их. Надо только помнить, что теория оправдывается лишь в рамках условий, в которых проводились опыты. Мож-но, и всегда делаются попытки распространить теорию на более широкую область применения, но тогда это должно быть подтверждено практикой.
Сущность теории объясняется чаще всего с помощью моделей. Модели бывают физические, химические и математические.
Физические модели, например, объясняют строение кристаллических решеток, или молекул с помощью шаров.
Химические модели, например, объясняют состав и взаимосвязь моле-кул с помощью химических формул:
Вода: H2O, или H-O-H, но не H-H-O;
Перекись водорода: H2O2, или H-O-O-H;
Бензол: C6H6, или Полиэтилен: n(СН2), или
т.е. только такой структурной формулой объясняется строение молекулы во-ды или бензола. При этом черточки означают химические связи (валент-ность) между атомами.
Другой пример: химическая модель горения водорода в виде химиче-ских уравнений: 2H2+O2=2H2O в соответствии с законом сохранения материи (атомов).
Математические модели с помощью математических уравнений. И чаще всего математическое объяснение внутренних аналогий с помощью уравнений и называют теорией.
Например: экспериментаторы выявили в опытах закономерность изменения давления какого-то газа от его объема в замкнутом сосуде и построили графическую зависимость:
Рис. 1. Зависимость изменения давления газа от его объема в замкнутом сосуде.
Графическая зависимость может быть выражена прямой линией, пара-болой, гиперболой, экспонентой, которые описываются математически в ви-де уравнений.
В нашем случае после математической обработки получаем закон Бой-ля-Мариотта:
PV=const (1.1)
т.е. при неизменных температуре (Т) и массе вещества (М) произведение давления (Р) на объем есть постоянная величина.
Кстати, это один из основных законов молекулярно-кинетической энер-гии газов.
1.1. Параметры состояния
Величины, которые характеризуют физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно определить 3-мя параметрами – уд. объемом (υ), температурой (Т), давлением (Р). Удельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе.υ = V / m , [м3/кг] , (1.1)
Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества.ρ = m / V , [кг/м3] , (1.2) υ = 1 / ρ ; ρ = 1 / υ ; υ • ρ = 1 . (1.3)
Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.
Р = F / S ; [Па] = [Н/м2] (1.4)
Внесистемные единицы давления: 1 кгс/м2 = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст. 1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см2 = 98,1 кПа. 1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст. 1 ат. = 0,968 атм. 1 мм.рт.ст. = 133,32 Па. 1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па. Различают избыточное и абсолютное давление. Избыточное давление (Ри)– разность между давлением жидкости или газа и давлением окружающей среды. Абсолютное давление (Р)– давление отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является т/д параметром состояния. Абсолютное давление определяется: 1). При давлении сосуда больше атмосферного: Р = Ри + Ро ; (1.5)
2). При давлении сосуда меньше атмосферного: Р = Ро - Рв ; (1.6)
где Ро – атмосферное давление; Рв – давление вакуума.
Температура – характеризует степень нагретости тел, представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем вышетемпература тела. За т/д параметр состояния системы принимают термодинамическую температуру (Т), т.е. абсолютную температуру. Она всегда положительна, При температуре абсолютного нуля (Т=0) тепловые движения прекращаются и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры.
1.2. Теплота и работа
Тела, участвующие при протекании т/д процесса обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами. 1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем э/м волн. При этом энергия передается от более нагретого к менее нагретому. Количество энергии, переданной 1-м способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты – Q [Дж], а способ – передача энергии в форме теплоты. 2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, То есть передачи энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой – L [Дж], а способ передача энергии в форме работы. Количество энергии, полученное телом в форме работы называется работой совершенной над телом, а отданную энергию – затраченной телом работой. Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера т/д процесса.