Вопрос № 9. Цепная теория горения.

2. Вопрос № 20. Условия воспламенения горючих смесей.

3. Вопрос № 27. Классификация взрывчатых веществ.

4. Вопрос № 38. Экспериментальное определение скорости горения и детонации.

5. Вопрос № 50. Опишите воздействие взрыва на организм человека.

Цепная теория горения, разработанная Н. Н. Семеновым, не отрицая серьезного влияния, оказываемого на процесс горения тепловым состоянием системы топливо — воздух, объясняет процесс горения также кинетикой цепных реакций. Изучение основных реакций горения показало, что действительный механизм этих реакций вовсе не соответствует тем простейшим химическим уравнениям, которыми они описываются. Например, реакция горения водорода, описываемая уравнением на самом деле протекает по разветвленной цепной схеме через промежуточные образования атомов водорода и кислорода.

Реакции (Нб) и (Нв) имеют энергию активации соответственно 6000 и 10 000 ккалмоль, в то время как реакция (На) HMeet энергию активации 18 000 ккалмоль. Поэтому реакция (На) протекает медленнее других и определяет суммарную скорость процесса. Атомы водорода являются основными активными центрами реакции. Результирующая реакция (III) показывает, что вступление в реакцию одного атома Н вызывает появление трех новых атомов водорода, что и является разветвлением цепи, вызывающим за собой нарастающее лавинообразное развитие реакции горения водорода. Схему этого развития можно представить следующим образом.

Подтверждение этой схемы развития реакции горения водорода было получено экспериментально обнаружением атомарного кислорода, водорода и радикала и определением их концентраций; причем оказалось, что их концентрация значительно выше равновесных. Из этого нового, цепного характера реакции скорость ее находится по уравнению (IV) для определяющей реакции (Па).

Сопоставляя уравнения (IV) и (V) можно заключить, что скорость реакции по уравнению (V) должна падать по мере выгорания из смеси водорода, а по уравнению (IV) вследствие цепного характера реакции она должна возрастать в результате накопления атомарного водорода. Эксперименты подтверждают возрастание скорости реакции по мере ее протекания, что также свидетельствует о разветвленном цепном ходе реакции. Цепной характер имеют также реакции горения окиси углерода и углеводородов.

Н.Н.Семенов и его ученики установили, что большинство химических превращений веществ представляют собой сложную последовательность элементарных химических реакций, в ходе которых образуются и реагируют активные промежуточные частицы - свободные атомы, радикалы, активные комплексы и т.д.: так, взаимодействие хлора и водорода на свету идет по так называемому неразветвленному цепному механизму с участием свободных атомов водорода и хлора. Главная заслуга Н.Н.Семенова состоит в создании теории разветвленных цепных реакций - реакций в которых происходит резкий переход от практического ее отсутствуя, к взрывному протеканию при очень малых изменениях температуры, давления и размеров реакционного сосуда. Его книга "Цепные реакции" (1934 г.) оказала большое влияние на овладение человеком атомной энергией. Теория Н.Н.Семенова помогла объяснить процессы горения в топках печей, в двигателях внутреннего сгорания и в ракетных двигателях.

Порохами, или метательными взрывчатыми веществами, называются взрывчатые вещества, для которых основной формой взрывчатого превращения является быстрое сгорание со скоростью u_в»(1÷10) м/с. Пороха применяются в качестве источников энергии движения снарядов, пуль, мин, реактивных снарядов. Кроме того, пороха используются в качестве вспомогательных средств–воспламенителей, газогенераторов и т.д.

Пороха делятся на две группы – механические смеси и пороха коллоидного типа.

К механическим смесям относятся следующие составы.

· Смесевые высокоэнергетические материалы и твердые ракетные топлива.

Основой всех коллоидных порохов является пироксилин. В зависимости от характера растворителя коллоидные пороха делятся на следующие группы.

· Пироксилиновые пороха (на летучем растворителе).

· Нитроглицериновые пороха (на труднолетучем растворителе).

· Тротиловые пороха (на нелетучем растворителе).

Дымный или черный порох – это механическая смесь калиевой селитры, серы и древесного угля (S, KNO₃, C). Более 500 лет дымный порох был единственным взрывчатым веществом, применявшемся в военном деле для изготовления зарядов в артиллерийском и стрелковом оружии и для подрывных работ. Только во второй половине XIX века для боевых зарядов вместо дымного пороха начали применять пироксилиновый порох. Наиболее оптимальный состав дымного ружейного пороха был установлен в конце XVIII века на основе работ М.В. Ломоносова. Состав дымного пороха приведен в табл. 6.3.

При увеличении его содержания, скорость горения пороха уменьшается. Сера является цементатором, связывающим селитру с углем, а также горючим веществом, облегчающим воспламеняемость дымного ружейного пороха (сера воспламеняется при более низкой температуре, чем уголь). С увеличением содержания серы скорость горения и сила пороха уменьшается. Дымный ружейный порох получается тщательным перемешиванием измельченных составных частей, прессованием смеси и дроблением прессованной лепешки на зерна различных размеров. Порох чувствителен ко всем видам механического воздействия (удар, трение, искра и т.д.). При попадании пули в пороховой заряд почти всегда происходит его взрыв. Вместе с тем, черный порох не детонирует. При сгорании дымного ружейного пороха образуется 45% газообразных и 55% твердых продуктов (дым, нагар в канале ствола). В настоящее время в боевых зарядах дымный ружейный порох не применяется (малая сила пороха, демаскировка дымом, опасность в обращении, гигроскопичность). Применяется для изготовления воспламенителей, а также в запалах ручных гранат.

Аммонийный порох состоит из аммонийной селитры (90%) и древесного угля (10%). Получается смешиванием компонентов и прессованием в виде элементов заданной формы (кольца, сегменты). Аммонийный порох – твердое вещество серого цвета. В отличие от дымного пороха все его продукты сгорания – газообразные. Чувствительность к механическим воздействиям – слабая. Очень гигроскопичен и непригоден для хранения. Применяется в военное время для замены (25÷35)% заряда пироксилинового пороха.

Смесевые высокоэнергетические материалы и смесевые твердые ракетные топлива (СТРТ) представляют собой широкий класс энергоемких веществ, использующихся в качестве источников энергии в газогенераторах различного назначения и в ракетных двигателях на твердом топливе. В состав СТРТ входят полимерное горючее–связующее (бутилкаучук), окислитель (перхлорат аммония или нитрат аммония) и металлическое горючее (порошкообразный алюминий).

Пироксилиновый бездымный порох изготавливается из смеси двух сортов пироксилина – № 1 и № 2 в разных соотношениях. Смесь этих сортов растворяется в спиртово-эфирной смеси. Получаемая однородная желеобразная масса продавливается через специальные фильтры. После резки и сушки получаются пороховые зерна (ленточные, трубчатые, цилиндрические, многоканальные пороха). В состав пироксилинового пороха вводят до 3% примесей – стабилизаторов, флегматизаторов и пламегасителей. Стабилизаторы (дифениламин) замедляют разложение пороха и увеличивают срок хранения до 20 лет (без стабилизаторов порох хранится в течение 10 лет). Флегматизаторы (камфара) уменьшают скорость горения. Пламегасители (канифоль, дибутилфталат) уменьшают пламя при выстреле. Они поглощают часть энергии пороха и снижают температуру продуктов сгорания. Большой вклад в разработку бездымных порохов внес Д.И. Менделеев. Пироксилиновый порох имеет ряд преимуществ перед дымным ружейным порохом.

· При сгорании не образует дыма и нагара в стволе орудия
(98.5% – газообразные продукты).

· Позволяет изготавливать заряды разнообразной величины и формы, что дает возможность регулирования продолжительности горения заряда.

· Сохраняет свои свойства при длительном хранении, нечувствителен к удару.

Нитроглицериновый бездымный порох изготавливается из пироксилина, в качестве растворителя применяется нитроглицерин. В зависимости от марки пироксилина различают баллиститы (пироксилин № 2) и кордиты (пироксилин № 1). Преимущества нитроглицериновых порохов перед пироксилиновыми состоят в следующем:

· Меньшая затрата времени на их производство – (5÷7) часов вместо нескольких суток.

Применяются для минометов, реактивных систем залпового огня, ракетных двигателей на твердом топливе.

Тротиловый порох изготавливается из смеси пироксилина и тротила. Порох получается путем специальной обработки при повышенной температуре и при большом давлении. В нем отсутствует летучий растворитель, поэтому тротиловый порох более стабилен по своим качествам, чем пироксилиновые и нитроглицериновые пороха. В последнее время получает все большее применение.

Вискозный порох (порох без растворителя) представляет собой пронитрованную и стабилизированную предварительно уплотненную целлюлозу. Эти пороха еще плохо изучены. Применяются для изготовления зарядов к винтовкам и пистолетам.

Пиротехнические составы применяются для снаряжения специальных снарядов, пуль, ракет и так далее. Многие пиротехнические составы являются взрывчатыми веществами, однако взрывчатые свойства у них выражены значительно слабее, чем у обычных взрывчатых веществ. Энергия, высвобождающая при горении пиротехнических составов, затрачивается не на производство механической работы, а на образование пиротехнического эффекта (освещение местности, инициирование пожара и т.д.). Пиротехнические составы представляют собой механические смеси из горючего, окислителя, цементатора и специальных примесей. В качестве горючего применяются алюминий, магний, их сплавы, бензин, керосин, нефть, скипидар, крахмал и т.д.. В качестве окислителей – соли азотной, хлорной и хлорноватой кислоты, оксиды металлов (окись железа, переокись бария, двуокись марганца и др.). В качестве цементаторов – олифа, канифоль, шеллак, искусственные смолы (бакелит и др.). Они служат для связывания состава и придания ему механической прочности. Специальные примеси служат для окрашивания пламени или дыма.

По характеру применения пиротехнические составы делятся на следующие группы.

Осветительные составы применяются для снаряжения осветительных патронов, снарядов и авиабомб и служат для освещения местности или отдельных объектов.Наиболее употребительный состав имеет 18% алюминия, 4% магния, 75% азотнокислого бария, 3% олифы. Осветительные составы прессуются в цилиндрическую оболочку, с одной стороны которой запрессовывается воспламенительный состав (дымный порох). Схема осветительного патрона приведена на рис. 6.6.

Характеристики некоторых осветительных составов приведены в табл. 6.4.

Характеристики некоторых осветительных составов

Зажигательные составы применяются для снаряжения пуль, снарядов и авиабомб. Они делятся на три группы.

· Термитно-зажигательные составы, содержащие в качестве окислителя оксиды металлов.

· Зажигательные составы – кислородосодержащие смеси (соли).

· Зажигательные составы, не содержащие окислитель.

1–гильза; 2–капсюль; 3–заряд дымного пороха;

4–воспламенительный состав; 5–осветительный состав; 6-пыж

Термитно–зажигательные составы изготавливаются на основе термита (смесь 25% алюминия и 75% окиси железа) с температурой горения порядка 2500⁰С. В чистом виде термит не применяется, так как имеет небольшой радиус зажигания. Пример термитного зажигательного состава для 76 мм снаряда приведен в табл. 6.5.

Зажигательные составы с окислителем в виде различных солей дают высокую температуру горения и легко воспламеняются. Эти составы используются для снаряжения зажигательных малокалиберных снарядов и пуль. Зажигательные составы без окислителя горят за счет кислорода воздуха. В качестве примера приведем авиабомбу с корпусом из электрона (сплав 92% магния и 8% алюминия), заполненным термитным составом. При горении такой бомбы развивается температура до (700 ÷ 900)⁰С и образуются раскаленные искры, которые разлетаются на большое расстояние.

К зажигательным составам относится отвержденное горючее (напалм) – студнеобразная масса, получаемая смешиванием стеариновой кислоты и спиртового раствора едкого натра с нефтепродуктами. Легко воспламеняется и дает яркое объемное пламя.

Самовоспламеняющиеся вещества – белый фосфор и смеси с ним легко воспламеняются на воздухе (Т» 1000^оС). Примером использования данного вещества являются бутылки для поджигания танков, широко применявшиеся во время Великой Отечественной Войны («Коктейль Молотова»). Они содержат горючее и фосфор, растворенный в сероуглероде. При испарении растворителя фосфор воспламеняется на воздухе, и зажигаются сначала пары сероуглерода, а затем и основное горючее.

Сигнальные составы дают при горении цветное пламя, например красного, желтого, зеленого, белого цвета. Сигнальные составы с пламенем синего цвета не применяют, так как синее пламя плохо различимо на большом расстоянии. Для получения красного пламени в состав вводят соединения стронция, зеленого пламени – соединения бария, желтого – соли натрия, белого – соли бария и калия. Для увеличения яркости в сигнальные составы вводят до 5% алюминия или сплава алюминия с магнием. Сигнальные составы применяются в 26 мм патронах (ракетницах). Высота подъема ракеты составляет 90 м, время горения заряда – 6.5 с, сила света пламени – 10000 свечей.

Дымовые составы предназначены для маскировки объектов и задымления боевых порядков противника. Применяются для снаряжения дымовых шашек, снарядов, мин. По характеру процесса дымообразования делятся на три группы.

· Дымообразование в результате взаимодействия состава с влагой воздуха.

· Дымообразование в результате термической возгонки.

К первой группе относится белый фосфор. При температуре + 50^оС, он воспламеняется и горит с образованием густого белого дыма. Ко второй группе относятся трехокись серы, четыреххлористое олово, хлорсульфоновая кислота. К третьей группе относятся дымовые шашки (шашки Ершова), которые состоят из калийной селитры (10%), хлористого аммония (40%), бертолетовой соли (20%), древесного угля (10%), нафталина (20%). При горении смеси Ершова происходит возгонка хлористого аммония и нафталина, конденсация паров которых приводит к образованию дыма.

Трассирующие составы служат для обозначения пути полета пули или снаряда (белая или красная трасса). Примеры трассирующих составов приведены в табл. 6.6.

Пиротехнические составы, наряду с рассмотренными выше примерами применения для военных целей, широко используются в качестве зарядов для снаряжения ракет и пиротехнических устройств при проведении салютов, организации красочных фейерверков и других праздничных зрелищ. Используемые при этом пиротехнические заряды являются комбинацией различных составов.

Или бомба переменного давления. Давление в ней создается при сгорании исследуемого вещества в замкнутом объеме небольшой величины. В такой бомбе легче достичь весьма высоких давлений, она позволяет определять не только большинство баллистических характеристик порохов ВВ, но и состав газов. Широко применяется при исследовании устойчивости горения.

При горении ГВС в замкнутом объеме продукты горения, нагретые до высоких температур, и находящиеся при давлениях, больше, чем исходная смесь, играют роль поршня, сжимающего исходный газ, и приводящего его в движение. Повышения давления в исходной ГВС приводит к увеличению скорости горения. При самоускорении процесса формируются волны сжатия, сложение которых формирует в исходной ГВС ударную волну, способную вызвать быстрое химическое превращение-детонацию (рис. 7).

Рис. 7 t,x – диаграмма процесса перехода горения в детонацию для ГВС.

Основной причиной перехода горения в детонацию для конденсированных ВС является увеличение поверхности горения. Это может происходить за счет проникновения раскаленных продуктов горения:

За счет увеличения поверхности горения происходит повышение давления, которое увеличивает скорость горения. Переходу горения в детонацию способствует замкнутость объема, в котором находится заряд ВВ.

В процессе перехода горения в детонацию послойное горение переходит в процесс конвективного горения (рис. 8) – горение в порах, трещинах. Повышенное давление в зоне горения формирует волны сжатия и низкоскоростной режим носит уже волновой характер (процесс химического превращения инициируется слабой ударной волной), распространяющейся со скоростью ~800-3500 м/с.

Рис 8 t,x – диаграмма перехода горения в детонацию для конденсированных ВС.

3 – низкоскоростной режим взрывчатого превращения

ри определенных условиях (наличие оболочки, большой диаметр заряда) низкоскоростной режим перерастает в детонационный с нормальной скоростью (до 7-9 км/с). Для некоторых систем стадия (2,3) (рис 6) может и отсутствовать. Изучение переходных процессов зачастую осложнено быстротечностью самого процесса (рис 9).

Рис 9 Переход горения (1) в детонацию (2) для гремучей ртути.

2. Вопрос № 20. Условия воспламенения горючих смесей.

3. Вопрос № 27. Классификация взрывчатых веществ.

4. Вопрос № 38. Экспериментальное определение скорости горения и детонации.

5. Вопрос № 50. Опишите воздействие взрыва на организм человека.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: