Теплота взрыва
Теплота́ взры́ва (удельная энергия[1]) или теплота взрывчатого превращения[2] — количество тепла, выделяемое при взрывчатом превращении 1 моля или 1 кг взрывчатого вещества, является одной из существенных характеристик взрывчатого вещества[3]; это один из тепловых эффектов в теории взрывчатых веществ наряду с теплотой образования и теплотой сгорания взрывчатых веществ[4]. Количество тепла, выделяющееся при взрыве единицы массы (кг, г), называют удельной теплотой взрыва, при взрыве 1 моля вещества — молярной теплотой взрыва.
Также теплотой взрыва называют общий тепловой эффект химических реакций во фронте детонационной волны и реакций, длящихся при адиабатическом расширении продуктов взрыва по завершении реакций[3].
Единицы измерения: ккал/кг[3], кДж/кг[5], ккал/моль[3], Дж/моль[3], Дж/кг[3][6].
В формулах, как правило, обозначается Qв[6] или Qвзр[3][7].
Теплота взрыва используется для определения способностей того или иного взрывчатого вещества[6].
Расчет и определение теплоты взрыва[править | править код]
Теплоту взрыва определяют:
- экспериментально в калориметрических установках;
- расчётными способами (теоретически)[3][8][9].
Показатели теплоты взрыва, определяемые опытным путём, в настоящее время достигают точности 0,1 %[8]. В качестве типовых условий используют температуры 0 °C и 18 °C, давление 105 Па[9].
Теоретический расчёт теплоты взрыва возможен в случае наличия точной информации о составе продуктов взрыва, который, в свою очередь, определяется как характеристиками заряда, так и свойствами взрывчатого вещества, а также условиями взрывания[3][8][10]. Расчётный способ применяется в тех случаях, когда невозможно провести эксперимент или нужны теоретические данные ещё не синтезированного взрывчатого вещества или взрывчатой системы[8].
Встречающиеся численные значения теплот взрыва различных веществ принимаются как неизменные для каждого из них, в то же время на эти показатели влияет и характеристика заряда, и условия охлаждения, что приводит к изменению теплового эффекта реакции[11]. Таким образом, теплота взрыва — не постоянная величина, она колеблется в определённых пределах, например, у широко применяемых взрывчатых веществ — от 1000 до 1500 ккал/кг[3][12].
Виды теоретических расчётов теплоты взрыва[править | править код]
- Уравнение Малляра — Ле Шателье и Бринкли — Вильсона
Теоретический расчёт теплоты взрыва проводится по общим правилам уравнений распада взрывчатых веществ Малляра — Ле Шателье или Бринкли — Вильсона, особенно для взрывчатых веществ с небольшим отрицательным, нулевым или положительным кислородным балансом. Для веществ с отрицательным кислородным балансом применение уравнений Малляра — Ле Шателье недопустимо, так как результат не соответствует показателям, полученным опытным путём, поэтому применяется уравнение Бринкли — Вильсона, где результат больше соответствует экспериментальным теплотам, но даже в этом случае у тротила результаты завышены[13].
- Закон Гесса
Обычно для расчёта теплоты взрыва используют закон Гесса, как основанный на первом начале термодинамики, согласно которому общий тепловой эффект определяется начальным и конечным состоянием системы[9], то есть в отношении теории взрыва теплота взрыва должна составлять разницу между теплотой образования продуктов взрыва и теплотой образования взрывчатого вещества[3][7]:
- Qвзр = Σqпв – qвв,
где Qвзр — теплота взрыва, Σqпв — теплота образования продуктов взрыва, qвв — теплота образования взрывчатых веществ[7].
- Qвзр = Q2 – Q1,
где Qвзр — теплота взрыва, Q2 — теплота образования продуктов взрыва; Q1 — теплота образования взрывчатого вещества или его составных частей[3][9].
Общая информация[править | править код]
Показатель теплоты взрыва в определённых пределах зависит от толщины и материала оболочки, куда помещен заряд, а с увеличением плотности заряда значения теплоты взрыва повышается по линейному закону[13].
Теплота взрыва разделяется на:
- теплота детонации (или малая теплота взрыва) — минимальный средний показатель теплоты, определяющий детонационный режим, выделяясь в детонационной волне и передаваясь ей полностью; её экспериментальное определение до настоящего времени затруднено. Может изменяться от давления в детонационной волне[10][13].
- фугасная теплота — теплота взрыва в массивной оболочке. Промежуточная между теплотой детонации и максимальной теплотой. Зависит от плотности заряда и толщины оболочки; изменения зависят от давления внешней среды и газодинамических условий процесса расширения продуктов взрыва[10][13].
- максимальная теплота — является константой взрывчатых веществ ввиду того, что определяется исключительно составом взрывчатого вещества, вне зависимости от начального и конечного размеров состояния продуктов взрыва. Позволяет увидеть предельные возможности взрывчатого вещества, в случае, если необходим результат полного превращения химической энергии в тепловую[10][13].
Для установления фугасной теплоты взрывчатого вещества на практике используются следующие приёмы:
- метод свинцовой бомбы;
- метод эквивалентных зарядов;
- метод баллистического маятника;
- метод баллистической мортиры;
- определение фугасной теплоты по объёму воронки выброса;
- измерение параметров воздушных ударных волн[6].
Примеры влияния на показатели теплоты взрыва[править | править код]
В случаях детонации плотных зарядов взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом, которые помещены в массивную оболочку, наблюдается дополнительное выделение тепла без увеличения скорости детонации. Так, при взрыве тротила, спрессованного в латунную оболочку толщиной 4 мм, выделяется на 25 % больше энергии (1080 кал/г), чем при взрыве аналогичного по весу и плотности заряда тротила в слабой стеклянной оболочке толщиной 2 мм (840 кал/г). Такой же эффект наблюдается у пикриновой кислоты, тетрина, гексогена. При этом увеличение теплоты взрыва за счет уплотнения и оболочки отслеживается только у взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом, у других смесевых взрывчатых веществ с небольшим, нулевым или положительным кислородным балансом (ТЭН, глицерин) данный эффект не прослеживается[3][13].
Дополнительное выделение теплоты взрыва может зависеть от медленного протекания химических реакций генераторного газа, не усиливающих детонационную волну[3][7][13].
Росту показателя теплоты взрыва способствует приращивание, измеренного для свободных и утяжеленных зарядов импульса детонационной волны[13].
Примечания[править | править код]
- ↑ Теория горения и взрыва, 2010, с. 154, 156.
- ↑ Теплота взрывчатого превращения // Словарь ракетных и артиллерийских терминов / Ред. В. М. Михалкин. — Москва: Военное издательство, 1988. — С. 218.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Теория горения и взрыва, 2010, с. 156.
- ↑ Станюкович, Баум, Шехтер, 2013, с. 82.
- ↑ Теория горения и взрыва, 2010, с. 156, 163.
- ↑ 1 2 3 4 Архипов, Синогина, 2007.
- ↑ 1 2 3 4 Дубнов, Бахаревич, Романов, 1988, с. 26.
- ↑ 1 2 3 4 Станюкович, Баум, Шехтер, 2013, с. 85—86.
- ↑ 1 2 3 4 Грабчак, Малышев, Комащенко, Федунец, 1997, с. 84.
- ↑ 1 2 3 4 Дубнов, Бахаревич, Романов, 1988, с. 29.
- ↑ Станюкович, Баум, Шехтер, 2013, с. 90.
- ↑ Станюкович, Баум, Шехтер, 2013, с. 94.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Апин, Велина, Лебедев, 1962.
Литература[править | править код]
- Апин A. Я., Велина Н. Ф., Лебедев Ю. А. О полном использовании энергии взрыва // ПМТФ: Журнал прикладной механики и технической физики. — 1962. — № 5. — С. 96—106.
- Архипов В. А., Синогина Е. С. Горение и взрывы. Опасность и анализ последствий: учебное пособие. Часть II. — Томск: ТГПУ, 2007.
- Грабчак Л. Г., Малышев Ю. Н., Комащенко В. И., Федунец Б. И. Проведение горно-разведочных выработок и основы разработки месторождений полезных ископаемых. — М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. — 578 с.
- Дубнов Л. В., Бахаревич Н. С., Романов А. И. Промышленные взрывчатые вещества. — 3-е издание, переработанное и дополненное. — М.: Недра, 1988. — ISBN 5-247-00285-7.
- Станюкович К. П., Баум Ф. А., Шехтер Б. И. Физика взрыва. — Рипол классик, 2013. — 806 с. — ISBN 5458416880.
- Теория горения и взрыва. Конспект лекций / Сост. П. П. Воднев. — Ульяновск: УВАУГА (И), 2010. — ISBN 978-5-7514-0169-6.