ПРЕДМЕТ І МЕТОДИ ФІЗИКИ ВИБУХУ І УДАРУ
Вибух, в широкому сенсі цього слова, являє собою процес вельми швидкого фізичного або хімічного перетворення системи, що супроводжується переходом її потенційної енергії в механічну роботу. Робота, що здійснюється під час вибуху, обумовлена швидким расширени третьому газів або парів, незалежно від того, чи існували вони до або образо-валися під час вибуху.
Найсуттєвішою ознакою вибуху є різкий стрибок тиску в середовищі, що оточує місце вибуху. Це служить безпосередньою причиною руйнівної дії вибуху.
Вибухи можуть бути викликані різними фізичними або химиче-ськими явищами. Можна навести такі приклади вибухів, обумовлених фізкабінет-ними причинами.
«Вибух» парового котла або бомби зі стисненим газом. У першому випадку явище викликане швидким переходом перегрітої води в пароподібний відбутися у-яние, у другому випадку - підвищеним тиском газу в бомбі. В обох випадках вибух виникає внаслідок подолання опору стінок резервуара, а його руйнівний ефект залежить від тиску, під яким пари або гази перебували в резервуарі.
Вибухи, що виникають при потужних іскрових розрядах, наприклад мовляв-пах, або при пропущенні електричного струму високої напруги через тонкі металеві нитки.
При потужних розрядах різниця потенціалів вирівнюється за проме-страшні часу близько 10
7 сек, завдяки чому в зоні розряду досягнень-гается колосальна щільність енергії і надзвичайно високі температури (порядку сотень тисяч градусів), що в свою чергу призводить до силь-ному підйому тиску повітря в місці розряду і поширенню интен-сивного обурення в навколишньому середовищі.
Вибухи зволікань під дією електричної енергії обумовлені раптовим переходом металу в пароподібний стан; температура при цьому досягає величини порядку 20 000 °.
Вибухи, засновані на подібних фізичних явищах, знаходять досить обмежене застосування і є головним чином предметом спеціаль-них наукових досліджень.
Ми будемо розглядати лише вибухи, викликані процесами химиче-ського перетворення вибухових речовин (ВВ).
Вибухові речовини являють собою відносно нестійкі термодинамическом сенсі системи, здатні під впливом зовнішніх впливів до вельми швидким екзотермічним перетворенням, що супроводжується утворенням сильно нагрітих газів або парів. Газоподібні продукти вибуху завдяки виключно великій швидкості хімічної реакції практично займають в перший момент обсяг самого ВВ і, як правило, знаходяться в сильно стислому стані, внаслідок чого в місці вибуху різко підвищується тиск.
З викладеного випливає, що здатність хімічних систем до вибух-чатим перетворенням визначається наступними трьома факторами: зекзотермічностью процесу, великою швидкістю розповсюдження даного вірусу і наявністю газоподібних (пароподібні) продуктів реакції. Ці властивості можуть бути у різних ВВ виражені в різному ступені, однак тільки їх сукупність-ність надає явищу характер вибуху.
Екзотермічност' реакції. Виділення тепла є першим необ-дімим умовою, без якого виникнення вибухового процесу взагалі неможливо. Якби реакція не супроводжувалася виділенням теплоти, то мимовільне розвиток її, а отже, і самораспространения вибуху було б виключено. Очевидно, що речовини, що вимагають для свого розпаду постійного припливу енергії ззовні, не можуть володіти вибуховими властивостями. За рахунок теплової енергії реакції відбувається розігрів газо-образних продуктів до температури в кілька тисяч градусів і після-ший їх розширення. Чим більше теплота реакції і швидкість її поширенням странения, тим більше руйнівну дію вибуху.
Теплота реакції є критерієм працездатності ВВ і важливішого-шей їх характеристикою. Для сучасних ВВ, що знайшли найбільш широке застосування в техніці, теплота вибухового перетворення коливається в пре-справах від 900 до 1800 ккал / кг.
Велика швидкість процесу. Найхарактернішою ознакою вибуху, різко відрізняє його від звичайних хімічних реакцій, є велика швидкість процесу. Перехід до кінцевих продуктів вибуху відбувається за стотисячні або навіть мільйонні частки секунди. Велика швидкість виділення енергії визначає переваги вибухових речовин по срав-рівняно зі звичайними горючими. У той же час за загальним запасом енергії, віднесеної до рівних вагових кількостей, навіть найбільш багаті енергією ВВ не перевищують звичайні горючі системи, однак при вибуху досягає-ся незрівнянно вища об'ємна концентрація, або щільність, енергії.
Горіння звичайних горючих речовин протікає порівняно повільно, що пріврдіт до значного розширення продуктів реакції в ході про процесу і суттєвого розсіюванню енергії, що виділяється шляхом теплопровідності-ності і випромінювання. З цих причин в даному випадку досягається лише відносно низька об'ємна щільність енергії в продуктах горіння.
Вибухові процеси, навпаки, протікають настільки. швидко, що можна вважати, що вся енергія практично встигає виділитися в обсязі, заня-те самим ВВ, що призводить до таких високих концентрацій енергії, кото-які недосяжні в умовах нормального перебігу хімічних реакцій.
Особливо велика щільність енергії досягаються при вибуху кондом-сірованних (твердих або рідких) ВВ, які, власне, і знаходять широке застосування в техніці. Пояснюється це тим, що ці ВВ мають у порівнянні з горючими газоподібними сумішами значно меншим питомим об'ємом (табл. 1.1).
Таблиця 1.1. Теплоти вибуху і об'ємна щільність енергії деяких ВВ і горючих сумішей.
Назва ВВ або горючої суміші
Теплота вибуху, або теплотворна здатність, відне-сінна до 1 кг ВВ або горючої суміші, ккал
Густина енергії, віднесена до 1 л ВВ або горю-чий суміші, ккал / л
Газоутворення. Високі тиску, що виникають під час вибуху, і обу-спійманих ними руйнівний ефект не змогли б бути досягнуті, якщо б хімічна реакція не супроводжувалася утворенням достатня великої кількості газоподібних продуктів. Ці продукти, що знаходяться в момент вибуху в надзвичайно стислому стані, є тими фізич-ськими агентами, в процесі розширення яких здійснюється вкрай швидко перехід потенційної енергії ВВ в механічну роботу або кине-тичну енергію рухомих газів.
На 1 кг звичайних ВВ утворюється близько 1000 л газообраз-них продуктів, які знаходяться в момент вибуху під дуже великим давши-ленням. Максимальний тиск при вибуху конденсованих ВВ досягнень-Гаета сотень тисяч атмосфер. Подібні тиску, природно, не можуть бути реалізовані в умовах протікання звичайних хімічних реакцій.
Під час вибуху газоподібних систем збільшення обсягу зазвичай не відбувається із-дит, а в, деяких випадках вибухове перетворення навіть супроводжується зменшенням об'єму. Прикладом такої реакції може служити вибух греко-мучего газу, в результаті якого відбувається скорочення обсягу на одну третину. Однак це зменшення обсягу компенсується екзотермічностио і швидкістю процесу, завдяки чому тиск при вибуху все ж досягає величини порядку 10 атм.