Взрывные процессы. Типы взрывов

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: горение передается по массе ВВ путем теплопроводности, диффузии и излучения, взрыв и детонация — путем сжатия вещества ударной волной.