2.6.2.Горение и взрыв

Быстропротекающие экзотермические реакции химического превращения веществ (взрывчатые превращения) могут осуществляться в режимах горения или взрыва. При их протекании отдельные части системы имеют различную температуру и различный химический состав. Реакции, возникающие в какой-либо части системы, самоускоряются, достигают максимально возможной скорости и распространяются на всю систему.

При протекании взрывчатых превращений в системе можно выделить три области (рис.2.12): область исходных веществ, область химической реакции и область продуктов реакции. Необходимо отметить, что исходные вещества и продукты реакции можно рассматривать как системы, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. В относительно узкой зоне – области химических реакций – происходит инициирование процесса и собственно процесс превращения исходных веществ в продукты реакции. Эта область движется по объему вещества с большой скоростью.

Рис. 2.12. Схема развития процесса горения и взрыва: v – скорость и направление движения области химической реакции; Т₁, р₁ – температура и давление в области исходных веществ, Т₂, р₂ – в области химической реакции, Т₃, р₃ – в области продуктов реакции

Для того чтобы процесс был самораспространяющимся, температура исходных веществ, находящихся вблизи области химической реакции, должна достигнуть определенной величины. Это осуществляется относительно медленно в случае горения, когда температура исходных веществ повышается за счет теплопередачи от продуктов реакции. Повышение температуры исходных веществ и соответственно инициирование реакций может происходить также при распространении ударной волны (волны сжатия), которая, сжимая вещество, разогревает его. Ударная волна вызывается увеличением давления в области протекания реакции (р₂) за счет роста температуры Т₂ и образования большого количества газообразных продуктов.

Линейная скорость (v) движения области химических реакций при горении составляет величину  10^-3-10² мс, а при взрыве достигает ~ 10³-10⁴ мс (максимальная скорость распространения ударной волны равна скорости звука в веществе).

Инициирование и развитие взрывчатого превращения, распространение области химических реакций определяются как процессами теплопередачи, так и диффузией различных веществ, содержащихся в реагирующих веществах, в промежуточных и конечных продуктах химического превращения.

Частицы промежуточных продуктов реакции могут служить активными центрами ее развития, и поэтому скорость их переноса часто оказывает решающее влияние на скорость распространения взрывчатого превращения. Особое значение эти процессы имеют при инициировании и развитии взрывчатого превращения за счет протекания цепных реакций с разветвленными цепями (цепной взрыв).

Рассмотрим условия протекания взрывчатого превращения при тепловом инициировании (тепловой взрыв). Н.Н. Семенов показал, что если в замкнутой системе протекает экзотермическая реакция, то температура вещества будет зависеть от скорости поступления тепла за счет химической реакции (теплоприход) и скорости отвода тепла в окружающую среду за счет теплопередачи (теплоотвод).

Теплоприход Q₊ увеличивается экспоненциально с ростом температуры, поскольку экспоненциально растет скорость химической реакции:

~,v~,~,

v – скорость химической реакции; _rH < 0 – тепловой эффект реакции; E_ак –  энергия активации химической реакции.

Теплоотвод Q_- за счет теплопередачи через поверхность площадью S линейно зависит от разности температур системы Т и окружающей среды Т₀:

~ S(T–T₀),

 – коэффициент теплопередачи. Так как температура окружающей среды – величина постоянная (Т₀-const), теплоотвод линейно увеличивается с ростом температуры.

В зависимости от природы взрывчатых веществ и условий осуществления взрывчатого превращения возможны следующие соотношения скоростей теплоприхода и теплоотвода (рис.2.13).

Если при протекании экзотермической химической реакции существует температура Т_г, при которой скорость теплоотвода равна скорости прихода тепла (рис.2.13, а), то температура в системе стабилизируется и химическая реакция будет протекать с постоянной скоростью. Данное условие соответствует процессу горения. Верхняя точка соответствует состоянию неустойчивого равновесия. Случайное понижение температуры на малую величину приведет систему в состояние устойчивого равновесия за счет превышения теплоотвода. При увеличении температуры на малую величину в результате превышения теплоприхода с системе произойдет самоускорение химических реакций, переходящее во взрыв.

Рис. 2.13. Зависимости от температуры количеств тепла, выделяющихся

(теплоприхода Q₊) и отводимых в единицу времени (теплоотвода Q_–)

Если скорость тепловыделения больше, чем скорость теплоотвода (рис. 2.13, б) процесс химического превращения переходит во взрыв при любой температуре.