Самоподдерживающиеся режимы химического превращения

Горение

Горение ВВ –это самораспространяющееся химическое превращение, обусловленное тем, что энергия реагирующих слоёв ВВ передаётся следующим слоям путём теплопередачи, и протекающее с некоторой непостоянной дозвуковой скоростью от десятков до сотен метров в секунду, зависящей от давления окружающей среды.

При рассмотрении условий воспламенения ВВ при его контакте со стенкой, нагретой до постоянной и высокой температуры, был отмечен случай, когда превращение вещества начинается не по механизму объемного теплового взрыва, то есть за счет накопления тепла во всем объеме, а в узкой зоне вблизи нагретой стенки, когда отстоящие от поверхности слои ВВ остаются практически холодными. Полное химическое превращение всего объема ВВ, наблюдаемое в опыте, говорит о том, что зона, в которой первоначально выделилось тепло реакции, в дальнейшем сыграла роль нагретой стенки для воспламенения последующего близлежащего слоя ВВ, который в свою очередь воспламенил следующий слой и так далее. Иными словами, взрывчатое превращение всего объема произошло за счет распространения волны химической реакции, последовательно «переработавшей» все исходное вещество.

Перемещение этой узкой зоны волны химического превращения большинства ВВ часто является распространением пламени. Пламя в каждый момент времени отделяет исходное, практически не затронутое химической реакцией вещество, от конечных продуктов его превращения. Границу, разделяющую состояния вещества, называют фронтом процесса.

В основе рассмотрения движения пламени в большинстве ВВ, а также в газах при высоких давлениях лежит представление о тепловой природе ускорения химической реакции. Учет наличия цепных и автокаталитических механизмов превращения позволяет уточнить картину процесса. Согласно закону Аррениуса скорость реакции (тепловыделение) экспоненциально растет с увеличением температуры, причем при малых температурах ее можно считать равной нулю. За счет этого основное тепловыделение происходит только в узкой зоне, в которой среда разогрета до температур, очень близких к максимальной температуре в продуктах превращения. Для того чтобы превращение охватило весь объем, необходим механизм, который обеспечивал бы перемещение волны химической реакции относительно холодных слоев ВВ.

Распространение пламени за счет теплопередачи называют горением.

Если теплопередача осуществляется теплопроводностью или излучением, то говорят о так называемом «нормальном» горении, которое, как правило, реализуется для каждого ВВ в определенном диапазоне условий. Вне этого диапазона ВВ либо не горят, либо горят в режимах отличных от нормального, например, в режиме конвективного горения при развитой конвективной теплопередаче.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. Если ВВ гомогенное, то есть его можно рассматривать либо как совокупность молекул одного сорта, способных к реакции, либо как равномерно перемешанную на молекулярном уровне смесь окислителя и горючего. В этом случае скорость горения определяется только температурой и концентрацией реагентов и реакция, как правило, на определяющей стадии проходит гомогенно.

Гомогенно горят также и смеси окислителя с горючим перемешанные на молекулярном уровне. В этом случае говорят о гомогенном горении гетерогенного ВВ.

Если ВВ представляет собой смесь отдельных частиц горючего и окислителя, либо взвесь частиц горючего в окислителе (реже наоборот) таких размеров, что время перемешивания до гомогенного состояния больше времени их нагрева до температур интенсивной реакции, то процессы окисления будут проходить по поверхности раздела компонентов горящего образца. В этом случае скорость энерговыделения определяется не только температурой и концентрацией реагентов в объеме, но и такими, ставшими уже определяющими, факторами как величина поверхности соприкосновения горючего и окислителя через продукты реакции. Процесс горения при этом является гетерогенным.

 

Детонация

При определённых условиях, способствующих быстрому подъёму давления, например, при взрыве ВВ в замкнутом прочном объёме или при горении на открытом воздухе больших количеств ВВ, горение ВВ может перейти в детонацию.

Детонация – это самораспространяющееся химическое превращение, обусловленное прохождением ударной волны по ВВ и протекающее для данного ВВ при данном его состоянии и при определённых условиях с постоянной сверхзвуковой скоростью порядка нескольких тысяч метров в секунду. Детонация является естественной формой химического превращения промышленных ВВ. Все другие формы паразитные, поэтому на практике с ними ведут борьбу и разрабатывают способы их недопущения. Термины «взрыв» и «детонация» употребляют применительно к ВВ как синонимы.

Для объяснения явления детонации были выдвинуты различные теории и гипотезы. Из современных наибольшим признанием пользуется гидродинамическая теория, согласно которой детонация возбуждается и распространяется ударной волной, проходящей по взрывчатому веществу.

Ударной волной называется скачкообразное изменение давления, распространяющееся в среде со сверхзвуковой скоростью. Эта волна обладает следующими отличительными свойствами:

- скорость ударной волны очень высока и всегда сверхзвуковая;

- при прохождении ударной волны в среде наблюдается движение потока вещества вслед за ударной волной;

- в ударной волне имеет место очень большое давление, нарастание которого (∆ Р) происходит мгновенно, скачкообразно (рис. 2).

P1

Рис. 2 – Геометрическая форма ударной волны

Как следствие этих особенностей во фронте ударной волны (в зоне сжатия, ширина которой весьма мала) наблюдается очень высокая температура и повышенная плотность среды. Повышение температуры является следствием адиабатического сжатия вещества в ударной волне. Температура и плотность возрастают также мгновенно, скачкообразно как и давление. За фронтом ударной волны давление, температура и плотность среды быстро уменьшаются. Сжатие приводит к разрушению молекул ВВ. Освободившись от первоначальных связей, нагретые до высокой температуры горючие элементы и кислород вступают в зоне за фронтом ударной волны в интенсивную химическую реакцию с выделением теплоты и превращением ВВ в газообразное состояние (рис. 3).

Рис. 3 – График детонационной волны (волна движется влево)

Относительно узкая зона, в которой происходит интенсивная химическая реакция, называется зоной химической реакции, или фронтом химического превращения. Впереди фронта находится исходное ВВ, позади – продукты детонации. Распространяющаяся по ВВ ударная волна (зона сжатия) и прилегающая к ней зона химической реакции обобщаются понятием детонационной волны. Передний фронт этой волны принято называть фронтом детонационной волны (детонационным фронтом, фронтом детонации).

Зона химической реакции заканчивается условной границей, называемой плоскостью (поверхностью) Чепмена–Жуге (звуковой поверхностью ). Когда ударная волна выйдет за пределы заряда ВВ, то её энергия, не поддерживаемая более теплотой взрывных химических реакций, быстро угасает. Амплитуда и крутизна фронта волны уменьшаются, и ударная волна переходит в звуковую. Газообразные продукты взрыва, образовавшись за фронтом детонационной волны (в зоне реакций), не остаются на месте, а движутся вслед за нею с массовой скоростью, в 4...10 раз меньшей скорости детонации. Позади детонационной волны давление и плотность продуктов взрыва быстро уменьшаются из-за расширения вещества.

Скорость распространения детонации. Скоростью детонации принято называть скорость, с которой распространяется детонационная волна по заряду ВВ. Обозначается и выражается в м/с, реже – в км/с.Взрывчатые вещества по своему сокрушительному действию уступают только ядерному взрыву. Чем же обусловлена способность ВВ производить чрезвычайно большую работу? Кажется довольно естественным, что в ВВ содержится громадный запас энергии, который выделяется при взрыве. Однако расчёт показывает, что такое объяснение в корне ошибочно: в 1 кг ВВ содержится и выделяется при взрыве значительно меньше энергии, чем при сгорании топлива, например, 1 кг угля или бензина (4200...6700 и 34500...42000 кДж/кг соответственно). Действительная же причина заключается в том, что энергия при взрыве выделяется крайне быстро. Если 1 кг бензина сгорает за 5...6 мин, то для взрыва 1 кг ВВ требуется только одна- две стотысячные доли секунды, т. е. взрыв происходит в десятки миллионов раз быстрее. Таким образом, высокую мощность взрыва ВВ, их сокрушительное действие определяет в основном скорость детонации.