Явление взрыва

ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ФИЗИКИ ВЗРЫВА И УДАРА

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.

Взрывы могут быть вызваны различными физическими или химиче­скими явлениями. Можно привести следующие примеры взрывов, обусловленных физи­ческими причинами.

«Взрыв» парового котла 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.

Взрывы, возникающие при мощных искровых разрядах, например мол­ниях, или при пропускании электрического тока высокого напряжения через тонкие металлические 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 сотен тысяч градусов), что в свою очередь приводит к силь­ному подъему давления воздуха в месте разряда и распространению интен­сивного возмущения в окружающей среде.

Взрывы проволочек под действием электрической энергии обусловлены внезапным переходом металла в парообразное состояние; температура при этом достигает величины порядка 20 000°.

Взрывы, основанные на подобных физических явлениях, находят весьма ограниченное применение и являются главным образом предметом специаль­ных научных исследований.

Мы будем рассматривать лишь взрывы, вызванные процессами химиче­ского превращения взрывчатых веществ (ВВ).

Взрывчатые вещества представляют собой относительно неустойчивые 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.

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.

Экзотермичностъ реакции. Выделение тепла является первым необхо­димым условием, без которого возникновение взрывного процесса вообще невозможно. Если бы реакция не сопровождалась выделением теплоты, то самопроизвольное развитие ее, а следовательно, и самораспространение взрыва было бы исключено. Очевидно, что вещества, требующие для своего распада постоянного притока энергии извне, не могут обладать взрывчатыми свойствами. За счет тепловой энергии реакции происходит разогрев газо­образных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов и после­дующее их расширение. Чем больше теплота реакции и скорость ее распро­странения, тем больше разрушительное действие взрыва.

Теплота реакции является критерием работоспособности ВВ и важней­шей их характеристикой. Для современных ВВ, нашедших наиболее широкое применение в технике, теплота взрывчатого превращения колеблется в пре­делах от 900 до 1800 ккал/кг.

Большая скорость процесса. Наиболее характерным признаком взрыва, резко отличающим его от обычных химических реакций, является большая скорость процесса. Переход к конечным продуктам взрыва происходит за стотысячные или даже миллионные доли секунды. Большая скорость выделения энергии определяет преимущества взрывчатых веществ по срав­нению с обычными горючими. В то же время по общему запасу энергии, отнесенной к равным весовым количествам, даже наиболее богатые энергией ВВ не превосходят обычные горючие системы, однако при взрыве достигает­ся несравненно более высокая объемная концентрация, или плотность, энергии.

Горение обычных горючих веществ протекает сравнительно медленно, что приврдит к значительному расширению продуктов реакции в ходе про цесса и существенному рассеиванию выделяемой энергии путем теплопровод­ности и излучения. По этим причинам в данном случае достигается лишь относительно низкая объемная плотность энергии в продуктах горения.

Взрывные процессы, наоборот, протекают столь. быстро, что можно считать, что вся энергия практически успевает выделиться в объеме, заня­том самим ВВ, что приводит к таким высоким концентрациям энергии, кото­рые не достижимы в условиях обычного протекания химических реакций.

Особенно большие плотности энергии достигаются при взрыве конден­сированных (твердых или жидких) ВВ, которые, собственно, и находят широкое применение в технике. Объясняется это тем, что эти ВВ обладают по сравнению с горючими газообразными смесями значительно меньшим удельным объемом (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Теплоты взрыва и объемная плотность энергии некоторых ВВ и горючих смесей.

Газообразование. Высокие давления, возникающие при взрыве, и обу­словленный ими разрушительный эффект не смогли бы быть достигнуты, если бы химическая реакция не сопровождалась образованием достаточна большого количества газообразных продуктов. Эти продукты, находящиеся в момент взрыва в чрезвычайно сжатом состоянии, являются теми физиче­скими агентами, в процессе расширения которых осуществляется крайне быстро переход потенциальной энергии ВВ в механическую работу или кине­тическую энергию движущихся газов.

На 1 кг обычных ВВ образуется около 1000 л газообраз­ных продуктов, которые находятся в момент взрыва под очень большим дав­лением. Максимальное давление при взрыве конденсированных ВВ дости­гает сотен тысяч атмосфер. Подобные давления, естественно, не могут быть реализованы в условиях протекания обычных химических реакций.

При взрыве газообразных систем увеличения объема обычно не происхо­дит, а в, некоторых случаях взрывчатое превращение даже сопровождается уменьшением объема. Примером такой реакции может служить взрыв гре­мучего газа, в результате которого происходит сокращение объема на одну треть. Однако это уменьшение объема компенсируется экзотермичностыо и скоростью процесса, благодаря чему давление при взрыве все же достигает величины порядка 10 атм.