7. Взрывы газопаровоздушных смесей и взрывчатых веществ

7. 1. Условия возникновения взрыва

Взрыв – быстрое экзотермическое химическое превращение взрывоопасной среды, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных проводить работу (ГОСТ 12.1.010 – 76).

Под взрывом понимается явление, связанное с внезапным изменением состояния вещества, сопровождающимся резким звуковым эффектом и быстрым выделением энергии, приводящим к разогреву, движению и сжатию продуктов взрыва и окружающей среды. Возникновение повышенного давления в области взрыва вызывает образование в окружающей среде ударной волны с сильным разрушающим действием.

При взрыве исходная потенциальная энергия вещества превращается, как правило, в энергию нагретых сжатых газов, которая в свою очередь при их расширении переходит в энергию движения, сжатия, разогрева среды. Часть энергии остается в виде внутренней (тепловой) энергии расширившихся газов (см. рис. 7.1).

В результате взрыва происходит быстрое выделение большого количества энергии, связанное с внезапным изменением состояния вещества, сопровождаемое разрушением и разбрасыванием окружающей среды, возникновением и распространением в ней так называемой ударной волны.

Выделение энергии происходит главным образом в результате образования большого количества тепла при переходе начальной системы с малой энергией связи между ее частицами в систему с частицами, энергия связи которых больше. Из физики известно, что переход системы из менее устойчивого состояния в более устойчивое всегда сопровождается выделением кинетической энергии. Увеличение же кинетической энергии движущихся частиц эквивалентно повышению их температуры. Следовательно, реакции, сопровождающиеся явлением взрыва, всегда будут экзотермическими – это первое условие взрыва.

Рис. 7.1. Превращение энергии при взрыве

Например, при химическом взрывчатом превращении, свойственном обычно ВВ, когда нарушаются связи атомов молекулы, происходит экзотермическое превращение этих веществ в другие, более устойчивые, преимущественно газообразные вещества. При этом выделяется около 1000 ккал тепла с 1 кг ВВ.

При ядерном взрывчатом превращении (ядерном взрыве) нарушаются не внутримолекулярные, а внутри­ядерные связи и соответственно выделяется большое коли­чество энергии. Так, например, при делении всех ядер, со­держащихся в 1 кг урана, должно выделятся около 2^.10¹⁰ ккал тепла.

Особо от этих двух видов взрывчатого превращения находится явление взрыва, при котором не происходит ни химической, ни ядерной реакции, а причиной взрыва явля­ется большое давление газообразных продуктов, образовы­ваемых внутри герметически закрытого сосуда. В этом слу­чае происходит «взрыв», подобный взрывам паровых кот­лов и баллонов со сжатым газом. Основанные на этом принципе системы в виде патронов «кардокс», «гидрокс» и им подобные применяются в шахтах, весьма опасных по газу или пыли, где не допустим взрыв, сопровождающийся выделе­нием пламени.

Количество выделяемой энергии зависит от скорости, быстроты этого процесса, ибо скорость выделения энергии (тепла) является вторым обязательным условием взрывной реакции.

Например, при сгорании 1 кг камен­ного угля выделяется 7-8 тыс. ккал тепла. Однако сгорание угля, идущее по поверхностным слоям, прогрев внутренних слоев и подвод кислорода происходят настолько медленно, что образовавшееся тепло успевает отводиться в окружающую среду и не может выполнить механическую работу.

При взрывчатом превращении обычных ВВ, дающих всего около 1000 ккал/кг, реакция в их массе идет настолько быстро (несколько километров в се­кунду), что тепло не успевает отводиться в окружающую среду, а газообразные продукты такой экзотермической реак­ции (продукты взрыва) бывают нагреты до 2500-45000 ⁰С.

Скорость протекания реакции обусловливается тем, что в самой массе ВВ содержится доста­точное количество кислорода, необходимое для превраще­ния исходного вещества в газообразные продукты взрыва.

Наличие газообразных продуктов реакции – третье обязательное условие взрыва. Объем этих продуктов в сот­ни раз больше объема исходного вещества. При сильном на­греве их и крайне быстром образовании взрыва в этих продуктах, находящихся в начальный момент в объеме исход­ного вещества, создается давление в десятки и сотни тысяч атмосфер. В результате газообразные продукты взрыва, стремительно расширяясь, действуют на окружающую сре­ду в виде мощного удара, возбуждая в ней возникновение ударной волны и производя разрушение, дробление и раз­брасывание этой среды.

Значение газообразных продуктов можно видеть на примере термита, реакция которого и экзотермична, и быстропротекаема, но при полном отсутствии газообразных продуктов. И явление взрыва при этом не наблюдается.

Таким образом, явление взрыва возможно при наличии трех обязательных факторов: экзотермичности реакции, весьма большой скорости ее про­текания и большого давления газообразных продуктов, ко­торые в процессе расширения совершают механическую ра­боту.