Энергия взрыва

Главные преимущества ВВ перед другими источниками энергии заключаются в компактности, транспортабельности и в том, что выделение энергии может протекать за короткие времена, позволяя развивать огромные мощности. Так, при взрыве сферического заряда массой 1 кг и плотностью 1,65 г/см3, который изготовлен из мощного ВВ – гексогена, возбуждаемого (инициируемого) в центре, скорость распространения взрывчатого превращения по веществу (детонация) составляет 8300 м/с. Путь r (радиус заряда), который пройдет детонация, определяется из равенства

где Gup – соответственно масса и плотность заряда.

Время реализации процесса – τ = r/D (D – скорость детонации).

Мощность N (кДж/e), развиваемую при взрыве, можно оценить, зная выделяющееся количество тепла q при взрывчатом превращении 1 кг гексогена:

(4.25)

Для гексогена q = 5420 кДж/кг. Рассчитанная мощность завышена, так как не было учтено время, в течение которого расширяющиеся газы совершают работу. Следует отметить, что она превышает мощность самых больших электростанций мира. Взрывчатые вещества, способные к столь быстрому превращению, называют бризантными.

Из бризантных взрывчатых веществ выделяют инициирующие ВВ, практически не имеющие самостоятельного применения и используемые лишь для приготовления средств взрывания. Средства взрывания (капсюли-детонаторы, взрывные патроны, взрыватели, детонирующие шнуры и т.д.) объединяют в специальную подгруппу. Бризантные ВВ, пороха и средства взрывания составляют группу взрывчатых материалов. Как при детонации, так и при сгорании при выстреле, на превращение ВВ в газы накладываются дополнительные условия: для порохов – устойчивое с расчетной скоростью горение при разных давлениях, для бризантных ВВ – чрезвычайно большая скорость распространения превращения по веществу.

Однако взрывчатые вещества способны не только к быстрым превращениям. Если поджечь небольшое количество ВВ обычными средствами и дать ему гореть в атмосферных условиях, не затрудняя отвод газов, то сгорание пройдет медленно и спокойно. На этом основан метод уничтожения негодных ВВ сжиганием, при квалифицированном выполнении достаточно безопасный и удобный. При неправильном сжигании могут возникнуть обстоятельства, при которых горение самопроизвольно перейдет в детонацию с более быстрым превращением ВВ в газы.

Что же такое взрыв? Взрывом называют физическое или химическое превращение вещества, при котором его энергия быстро переходит в энергию сжатия и движения самого вещества или продуктов его превращения и окружающей среды Энергия взрыва может быть различной. Выделение химической, электрической, ядерной, термоядерной, тепловой, кинетической энергий, энергии упругого сжатия способно сопровождаться взрывными процессами. Например, при электроискровом способе разрушения материалов используются микровзрывы, источником энергии которых служит электрический разряд, а носителем энергии – продукты испарения и разложения или просто нагрева среды, в которой разряд осуществляется. Взрыв, вызванный разрушением баллонов со сжатым газом, паровых котлов, сосудов высокого давления, также может протекать с большой скоростью и вызывать серьезные повреждения в окружающем пространстве.

Однако основное значение имеет использование потенциальной химической энергии, которая у многих веществ в определенных условиях (в результате химической реакции) может быстро переходить в энергию сжатых газов. Вещества, способные к таким превращениям, называются взрывчатыми, а взрыв – химическим. В дальнейшем под взрывом, без специальных оговорок, будем понимать только химический взрыв, а все рассматриваемые процессы относить к процессам, протекающим при химическом взрыве.

Взрыв можно характеризовать количеством выделяющейся энергии. Поскольку этот процесс иногда задается параметрами аппаратуры (например, у пневматических излу чателей – объемом камеры и давлением сжатого воздуха), нужно уметь определять его энергию. Для пневматического излучателя она равна PV/(k – 1), где Р – давление сжатого газа; V – объем камеры; k – поправочный коэффициент (для воздуха k = 1,4), для электроискрового излучателя – UC2/2, где С – емкость, U – напряжение. Энергию химических взрывчатых веществ чаще всего задают теплотой взрыва в килоджоулях на килограмм. Естественно, что сравнение источников предполагает перевод энергии из одних единиц в другие (калорий в джоули и др.).

В связи с рассмотрением взрыва коснемся процесса, в известной мере противоположного ему, – имплюзиона, который начинают применять в технике. При взрыве заряда ВВ уровень энергии позволяет газам благодаря расширению совершать работу над внешней средой. При имплюзионе вещество среды, окружающей источник, обладает более высоким давлением, чем в самом источнике, и при снятии разделяющей преграды получает возможность устремляться внутрь источника. Такой процесс может стать причиной волновых возмущений. Простейший пример имплюзиона – колба электрической лампочки (она вакуумирована), разбиваемая на воздухе. Чем выше давление среды, тем больше энергии может выделиться при схлопывании полости. В глубоких скважинах она становится значительной даже у малых полостей. Аналогичное явление наблюдается при подводном взрыве, когда происходит схлопывание перерасширившихся продуктов взрыва под действием гидростатического давления. В сейсмике это регистрируется как второй удар взрыва, производимого в водоеме, при достаточной глубине расположения заряда в нем.

Химический взрыв – самораспространяющееся химическое превращение вещества, протекающее с большой скоростью, выделением тепла и образованием газов, сжатых до высокого давления. Детонация – частный случай взрыва, осуществляемого с постоянной, максимальной для данного вещества скоростью.

Прежде всего нужно оценить энергию (количество тепла), выделяющуюся при взрыве. Реакции бывают двух типов – с выделением тепла (экзотермические) и с поглощением (эндотермические). Теплоты образования молекул – соединений из атомов (теплота образования последних равна нулю) – могут быть как отрицательные (на их образование из элементов нужно дополнительно тратить энергию), так и положительные. Выделение тепла у ВВ обычно вызывается реакцией между горючими составляющими и окислителем (кислородом), входящим в его состав. Если ВВ – индивидуальное химическое соединение, то ими будут разные группы в молекуле, если смесевое – то разные вещества, входящие в состав смеси. Их соотношение определяет кислородный баланс вещества. Когда кислорода недостаточно для полного окисления горючей составляющей ВВ – баланс отрицательный. У веществ с положительным кислородным балансом часть кислорода при взрыве остается неиспользованной и непроизводительно теряется. Свойства смесевых взрывчатых веществ можно менять путем подбора соответствующих окислителей и горючих.

Кислородный баланс определяется как недостаток или избыток (в граммах) кислорода, необходимого для окисления или остающийся при окислении 100 г взрывчатого вещества. Для тетранитрометапа C(ΝO2)4 он равен +49, аммиачной селитры ΝH4ΝΟ3 – +20, тротила С7Н5N3O6 – -74, гексогена (СH2N2)3 – -21,6. Максимальный отрицательный кислородный баланс, по определению, – у водорода (-794), максимальный положительный – у кислорода (+100).

Примером ВВ, имеющего отрицательный кислородный баланс, может служить тротил – распространенное бризантное взрывчатое вещество. Химическое название его – тринитротолуол, встречаются названия тол, ТНТ. Как видно из структурной формулы, горючие составляющие – атомы водорода и углерода и окислитель – кислород, входящий в состав нитрогруппы (NO2), в молекуле тротила еще не связаны между собой:

Исходя из формулы вещества, можно указать, по какому направлению пойдет в нем реакция, какие продукты могут образоваться при этом. Для тротила реакция взрывчатого разложения имеет следующий вид:

(4.26)

Состав продуктов зависит от условия взрыва и их конечного состояния (степени расширения). У многих взрывчатых систем первыми реализуются те реакции, которые характеризуются максимальным выделением энергии. Так, в веществе, имеющем формулу вида СаН4МcОd, при сравнительно небольшой нехватке кислорода [d < (2а + b/2)] в первую очередь происходит реакция водорода с кислородом, как наиболее выгодная, поскольку при образовании Н2O на единицу кислорода выделяется 255 кДж, а при образовании СO2 – 187 кДж (теплота образования СО2 – 379 кДж/моль).

Подход к расчету теплоты превращения ВВ, при котором записываются те из возможных продуктов реакции, образование которых обеспечивает ее максимальный тепловой эффект, называют принципом максимальной работы. Расчет в известной мере идеализирует процесс и дает наибольшую точность для систем с положительным или со слабоотрицательным кислородным балансом. В действительности состав продуктов взрыва (ПВ) обычно не отвечает такому расчету. Последнее обусловлено тем, что в ПВ некоторое время после взрыва продолжается взаимодействие и устанавливается равновесие между продуктами реакций, идущих как с положительными, так и с отрицательными тепловыми эффектами. Примером последних служат реакции

или

Для приближенных расчетов систем с отрицательным кислородным балансом можно воспользоваться методом Ле Шателье, основанным на принципе максимального объема, причем если объемы одинаковы, то приоритет имеет реакция с большим выделением тепла. Метод наиболее справедлив для определения конечного состояния продуктов взрыва. Преобладающей реакцией считается окисление углерода до СО. Если кислород недорасходован, то он в равной степени расходуется на доокисление СО и Н2. Реакция разложения гексогена в этом случае записывается так:

(4.27)

Более точный расчет составов продуктов взрыва выполняется с учетом кинетики и условий протекания реакций. Точность этих вычислений не всегда достаточна из-за отсутствия достоверных сведений о состоянии вещества при высоких температурах и давлениях. Данные о теплоте и о составе продуктов взрыва получают и экспериментально, для чего разработаны и успешно применяются специальные методы исследования взрыва.

Как уже отмечалось, энергию взрыва характеризуют теплотой взрывчатого превращения ВВ. Зная теплоту образования исходных веществ и продуктов взрыва и пользуясь законом Гесса (тепловой эффект процесса зависит не от пути превращения, а от начального и конечного состояний веществ), можно рассчитать теплоту и ряд других параметров взрыва. Такие расчеты могут встретиться и в практике работы инженера-геофизика, поскольку смесевые ВВ и пороха применяются и будут применяться в увеличивающихся количествах.

Выполним расчет дешевой взрывчатой смеси типа игданитов из гранулированной аммиачной селитры с жидким горючим. Для простоты расчета вместо используемых нефтепродуктов – солярового масла или керосина, являющихся смесью веществ, – возьмем бензол (C6H6). Рассмотрим случай, когда взрывчатая смесь задается указанием компонентов и кислородного баланса. Пусть дано, что смесь из бензола и аммиачной селитры должна иметь кислородный баланс -10, иначе у нее для полного окисления 100 г смеси будет не хватать 10 г кислорода. Для начала определим, какой состав должна иметь смесь, чтобы удовлетворить заданию.

С целью упрощения решения представим, что наше ВВ как бы состоит из двух частей – одного из компонентов (в рассматриваемом случае – горючего, поскольку баланс отрицательный), взятого в количестве, обеспечивающем нужный баланс, и смеси заданных веществ нулевого кислородного баланса (последнюю иногда называют стехиометрической). Если к расчетному количеству горючего добавить такой смеси, доведя общий вес до 100 г, получим состав с заданным кислородным балансом.

Последовательно проведем вычисления.

На окисление молекулы бензола (его молекулярный вес – 78)

потребуется 15 атомов кислорода. Соответственно количество бензола x1, на окисление которого нужно 10 г кислорода, получим из пропорции "бензол – требуется кислорода":

Добавив к этому количеству (100 – х1) г смеси нулевого кислородного баланса, получим смесь заданного состава.

Перейдем к вычислению содержания компонентов в 96,75 г стехиометрической смеси. Определим избыток кислорода в окислителе. Селитра, разлагаясь, выделяет кислород:

причем 80 г окислителя (молекулярный вес аммиачной селитры 80) выделит 16 г кислорода. Реакция между бензолом и аммиачной селитрой в смеси нулевого кислородного баланса запишется в виде

Тогда получаем пропорцию:

Следовательно, в 96,75 г смеси будут входить 5,85 г бензола и 90,85 г аммиачной селитры. Таким образом, окончательный состав смеси с заданным кислородным балансом и состав продуктов взрыва, рассчитанный по принципу максимальной работы, будут:

(4.28)

Не прибегая к расчету, можно было сразу записать ОГЛАВЛЕНИЕ в продуктах взрыва свободного углерода, поскольку именно его наличие и будет определять отрицательный кислородный баланс смеси. Поскольку для полного окисления 12 г углерода требуется 32 г кислорода, 10 г кислорода смогут окислить г углерода, или долей моля углерода. Эти соображения хорошо использовать для проверки правильности сделанных вычислений.

Приготовить подобную смесь весьма просто: нужное количество селитры надо смешать с бензолом. Имея исходные компоненты и зная состав продуктов взрыва, легко рассчитать теплоту взрыва системы. Теплоту образования исходных компонентов и продуктов взрыва находят в соответствующих справочниках. Так, для 1 моля бензола она составляет (в кДж/моль) -39,1, аммиачной селитры – +410,8, СO2 – +444,2, Н2O – +271,7.

Тепловой эффект взрыва Qx заряда в задаче можно определить из уравнения

(4.29)

Он составит 374 кДж/100 г смеси, или 3740 кДж/кг.

Объем образующихся газообразных продуктов (в литрах) можно рассчитать по уравнению реакции путем перемножения числа молей газа на 22,4 (объем граммолекулы). Естественно, что при этом следует учитывать, в каком состоянии находится вещество. Так, углерод (температура возгонки выше 3700°С при нормальном атмосферном давлении) не даст газовой фазы, вода, естественно, будет паром. Объем продуктов взрыва, отнесенный к нормальным атмосферным условиям, называют приведенным объемом. В задаче, рассмотренной выше, он составит около 800 л/кг.

Если известны теплота и состав продуктов взрыва, то их температура Твз может быть определена из соотношения Твз = = Q/Cvcр, где Сv cp – средняя теплоемкость продуктов взрыва (при постоянном объеме) для интервала Τ0–Τвз. Существенно отметить, что теплоемкость является функцией температуры.

Последнее вносит некоторые (чисто технические) усложнения в расчет, поскольку вид зависимости известен. Однако проще воспользоваться готовыми данными по теплосодержанию газов при разных температурах (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Изменение теплосодержания (внутренняя энергия) некоторых газов (кДж/моль)

Температура, К	Н2	O2	N2	СО	CO2	H2O	С (графит)
300	0,045	0,045	0,045	0,045	0,062	0,054	0,0188
600	1,542	1,646	1,562	1,573	2,534	1,958	0,962
1000	3,591	4,069	3,771	3,826	6,639	4,889	2,839
1400	5,752	6,682	6,199	6,295	11,233	8,239	5,006
1800	8,081	9,407	8,762	8,889	16,087	11,955
2200	10,555	12,233	11,407	11,560	21,092	15,949	-
2600	13,145	15,124	14,105	14,278	26,202	20,128	-
3000	15,829	18,112	16,839	17,029	31,382	24,466	14,894
3600	19,987	22,725	20,993	21,199	39,294	31,114	-
4000	22,828	25,874	23,783	24,003	44,615	35,679	21,364
4600	27,173	30,697	28,007	28,234	52,687	42,537	-
5000	30,118	33,943	30,840	30,971	58,118	70,57

Задавшись температурой и зная состав продуктов взрыва, можно найти их теплоОГЛАВЛЕНИЕ и сопоставить его с теплотой взрыва. Сравнение позволит определить характер ошибки, сделанной при выборе температуры. Повторяя операцию, но уже с иной (скорректированной) температурой, можно методом приближений найти температуру взрыва.

Следует заметить, что энергия, выделяющаяся при взрыве, сравнительно невелика: наиболее мощные ВВ имеют теплоту взрыва 6500-6700 кДж/кг. При взрыве 1 кг тротила на воздухе выделяется приблизительно 4000 кДж тепла, при сгорании 1 кг солярового масла – около 44 000 кДж. Но теплота сгорания 1 кг смеси солярового масла с кислородом составит уже только 10 000 кДж, а 1 кг смеси солярового масла и воздуха – 2670 кДж. Неоднократно подчеркивалось, что кроме выделения энергии взрыв характеризуется образованием продуктов, находящихся в газообразном состоянии при тех температурах, которые достигаются при взрыве.

Хотя теплота реакции термита

примерно в 2,3 раза выше теплоты взрывного разложения тротила, его горение протекает спокойно; образующиеся продукты, даже при тех температурах, до которых они разогреваются, остаются жидкими. Но стоит только подмочить термит, как картина меняется: тепло превращает воду в пар, и горение сопровождается взрывоподобными процессами. У взрывчатого вещества в объеме, занимаемом зарядом, при взрыве сразу образуются сжатые до огромного давления газы – продукты реакции, обеспечивая реализацию выделившейся энергии в форме работы, совершаемой расширяющимися газами.

Создавая взрывчатое вещество, мы, естественно, заинтересованы в том, чтобы при сто взрыве выделялось больше энергии и образовывались сжатые газы, способные реализовать энергию нужным образом. Иногда эти требования вступают в противоречие. Так, энергию взрывчатого разложения можно увеличить за счет подбора соответствующих горючих, в частности введения в состав ВВ металлов, например алюминия (теплота образования А12О3 – 1599 кДж/моль). Продукты окисления алюминия – твердые вещества. Добавка (до определенного предела) алюминия в состав некоторых взрывчатых смесей способна повышать работоспособность последних. Существуют взрывчатые вещества с повышенной теплотой взрыва, содержащие в своем составе металлы. Как уже отмечалось, состав продуктов взрыва зависит не только от взрывчатого вещества, но и от условий взрыва: способа инициирования, размеров и конструкции заряда и оболочки, условий среды, в которой проводится взрыв. Если исходные продукты остаются постоянными, а состав продуктов взрыва меняется, то будет меняться и тепловой эффект взрыва, поэтому для некоторых ВВ приводятся разные значения теплот взрыва в зависимости от условий, в которых он осуществляется. В качестве примера в табл. 4.2 приведен (по данным Р. Шмидта) состав продуктов взрыва тротила (плотность 1,52) при возбуждении взрыва заряда слабым и сильным инициаторами.

Чтобы превращение ВВ вследствие начавшейся быстрой химической реакции прошло по всему заряду, процесс должен быть самораспространяющимся. Для этого химическая реакция должна обладать соответствующими кинетическими характеристиками, а выделение энергии – компенсировать неизбежные потери. Скорость реакции, способность к самораспространению, экзотермичность, газообразование тесно взаимосвязаны и влияют друг на друга и на границы осуществления взрывного процесса.

Таблица 4.2

Состав продуктов взрыва тротила

Инициатор	ОГЛАВЛЕНИЕ, моль/кг
	С	CO2	СО	H2O	Н	CH4	СmHn	N2	HCN	С2N2
Слабый	6,6	1,78	18,63	4,25	5,34	0,1	0,9	4,74	1,1	1,2
Сильный	15	5,3	8,79	7,05	1,69	0,03	0,05	5,2	1,4	0,1

В табл. 4.3 приведены характеристики ряда взрывчатых веществ и порохов, используемых промышленностью.

Таблица 4.3

Взрывные характеристики некоторых взрывчатых веществ

Наименование ВВ	Теплота взрыва. кДж/кг	Скорость детонации. м/с	Приведенный объем продуктов взрыва, л/кг
Дымный порох	2500		280
Бездымные пороха	2500-5300	-	750-970
Тротил (r = 1,61 г/см3)	3800-4200	7000	750-870
Аммоний № 6 (r = 1,15 г/см3)	4100	4500	900
Гексоген (r = 1.65 г/см3)	5800	8400	890-950
Нитроглицерин	6100	8000	690

ВВ при взрыве выделяет энергию за счет того, что небольшой объем твердого или жидкого ВВ превращается в огромный объем газов, нагретых до температуры тысяч градусов. Для разных типов ВВ объем выделяющихся газов на 1 кг ВВ, имеющего начальный объем не более 0,8-1 л, составляет величину от 300 до 1000 л и более. Образовавшиеся при взрыве горячие газообразные продукты распада ВВ начинают расширяться, производя механическую работу. Таким образом, ВВ имеют запас скрытой химической энергии, освобождающийся при взрыве. Однако скрытой энергией обладают не только ВВ, а, например, бензин, уголь, дрова и другие горючие вещества. Эта энергия горючих веществ может выделяться при горении. Почему же для целей разрушения и метания применяются ВВ и пороха, а не, например, бензин? Известно, что в 1 кг бензина энергии содержится в 10 раз больше, чем в 1 кг тротила, и в 12 раз больше, чем в бездымном пироксилиновом порохе. Но заряд ВВ и заряд пороха с громадной скоростью превращаются в газы, а бензин или любое топливо не может гореть без достаточного количества воздуха или свободного кислорода. Для сгорания 1 кг бензина требуется столько кислорода, сколько его содержится в 15,5 кг воздуха. Поэтому теплоту горения (энергию) топлива нужно рассчитывать на 1 кг его смеси с необходимым для его полного сгорания кислородом. При таком расчете разница в энергии сгорания смеси бензина с кислородом и энергии взрыва заряда ВВ того же количества меньше, чем приведено выше, однако и в этом случае количество выделяющейся при сгорании бензина энергии больше: бездымный порох – 2860 кДж/кг, тротил – 4100 кДж/кг, смесь бензина с кислородом – 11 000 кДж/кг. Следовательно, не величина энергии, заключенная в ВВ и порохах, является основной причиной их применения для целей разрушения и метания. Основная причина заключается не в величине энергии, а в очень быстром ее выделении. Если сгорание 1 кг бензина в автомобильном двигателе происходит (в зависимости от мощности двигателя и его нагрузки) за 10– 60 мин, то 1 кг пороха сгорает в зарядной камере артиллерийского орудия за несколько тысячных долей секунды, а взрыв 1 кг тротила длится всего лишь 30-40 стотысячных долей секунды. Энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при сгорании топлив. Этим и объясняется колоссальная мощность взрыва. Однако мощность взрыва правильнее вычислять не по времени детонации всего заряда, а но времени превышения продуктами взрыва уровня нормального атмосферного давления, достижение такого уровня по результатам скоростных съемок взрывного процесса возникает в течение нескольких миллисекунд. В этом случае мощность 1 кг тротила выражается величиной более 1 МВт. Но и эта мощность в реальных условиях не может быть реализована полностью из-за кратковременности ее действия, инерции масс перемещаемого или разрушаемого материала, на которые она действует, а также потерь на нагрев окружающей среды, на излишнее измельчение и разбрасывание ее, на остаточное тепло в продуктах взрыва после их окончательного расширения и на неизбежные химические потери. В итоге полезная механическая работа часто не превышает 1-2%, а при взрывах в твердой среде – 8-9% энергии, содержащейся в ВВ. Однако огромное количество потенциальной энергии, содержащейся в ВВ и порохах, делает их незаменимыми, несмотря на неполное се использование при взрыве. Большая мощность характерна для ВВ и в случае применения их для целей метания снарядов. Мощность порохового заряда артиллерийского выстрела крупного калибра составляет 10 МВт.