взрыв

ВЗРЫВ - очень быстрое выделение энергии в ограниченном объёме, связанное с внезапным изменением состояния вещества и сопровождаемое обычно разбрасыванием и разрушением окружающей среды. Наиболее характерными являются В., при к-рых на нач. этапе внутр. хим. (или ядерная) энергия превращается в тепловую. Хим. взрывчатые вещества (BB) при хим. превращении (происходящем обычно без участия кислорода воздуха) по сравнению с обычным топливом выделяют небольшое кол-во теплоты (~4*10³ кДж/кг, или 10³ккал/кг), вовремя хим. превращения мало (~10^-5 с), поэтому вещество в процессе В. не успевает разлететься и образует газ с высокими темп-рой (2*10³-4*10³ К) и давлением (до 10 ГПа). Расширение газа приводит в движение окружающую среду - возникает взрывная волна, скорость распространения к-рой вблизи очага В. достигает неск. км/с. Взрывная волна оказывает механич. действие на окружающие объекты.

В. могут быть вызваны резкими внеш. воздействиями- ударом, трением, ударной волной, порождённой В. др. заряда, или возникнуть самопроизвольно (см. ниже). Причина В. при ударе, по-видимому, лежит в локальном разогреве вещества. Ударная волна - специфич. вид взрывного превращения, к-рое распространяется в пространстве с пост. скоростью (см. Детонация ).В процессе В. может выделяться не только внутр. энергия вещества, но и механич. энергия тел, эл--магн. энергия и др. виды энергий. Так, В. могут происходить при ударе тел, движущихся с большими скоростями (падение крупных метеоритов), испарении металлич. проволоки под действием сильного импульса электрич. напряжения, фокусировании мощного лазерного излучения в среде, при внезапном освобождении сжатого газа (разрушение стенок газовых баллонов) и т. п. Действие В. может быть усилено в к--л. направлении (см. Кумулятивный эффект).

В., при к-рых выделяется внутр. энергия (при хим. или ядерной реакции), происходят в условиях прогрессивного самоускорения, в результате к-рого медленно протекающий в нач. момент процесс достигает очень больших скоростей. При определ. внеш. условиях конденсир. BB и взрывоопасные газовые смеси могут храниться длит. время (хим. реакции практически не идут). Однако при небольших изменениях темп-ры, давления, условий теплоотдачи или объёма BB может произойти резкий переход от крайне медленного протекания хим. реакции к её прогрессивному самоускорению, т. е. В. или самовоспламенению. Наличие таких критич. условий - характерная черта хим. BB. Автоускорение реакции возникает либо тепловым образом (тепловой В.), либо вследствие развития в среде разветвлённой цепной реакции (цепной В.).

Рис. 1. Диаграмма Семёнова. 1 - подкритическое, 2 - критическое, 3 - надкритическое состояния системы.

Рис. 2. Область самовоспламенения (заштрихована) смеси водорода с кислородом (в пропорциях 2 : 1).

Тепловой В. осуществляется в условиях, когда термич. равновесие между реагирующим веществом и окружающей средой оказывается невозможным. При достаточно больших значениях энергии активации (истинной или эффективной) скорость хим. реакции быстро возрастает с увеличением темп-ры T - по закону Аррениуса , R - универсальная газовая постоянная, z - предэкспоненциальный множитель (см. Кинетика химическая ).T. о. растёт и скорость тепловыделения в объеме вещества V:

(q - тепловой эффект реакции). Теплоотвод во внеш. среду - через поверхность S зависит от темп-ры гораздо слабее: (- коэф. теплопроводности, r - линейный размер тела, T₀ - темп-pa среды). Условию теплового равновесия соответствует равенство - выделяющееся в ходе реакции тепло полностью отводится через поверхность BB. Вследствие сильной нелинейности ф-ции тепловыделения такое равновесие не всегда возможно, что хорошо видно на диаграмме Семёнова (рис. 1). При низких темп-pax кривая и прямая 1, изображающая зависимость при , имеют точку пересечения, т. е. возможно термич. равновесие,- реакция протекает медленно при темп-ре, мало отличающейся от T₀. При повышении T₀ прямые теплоотвода (2 и 3) смещаются вправо, и при нек-рой критич. темп-ре прямая 2 касается кривой ; при точка пересечения (а следовательно, и возможность термич. равновесия) исчезает, хим. экзотермич. реакция самоускоряется - выделение тепла приводит к повышению темп-ры, что в свою очередь увеличивает скорость тепловыделения: возникает тепловой В.

Условия возникновения теплового В. определяются неравенством , где - безразмерный параметр, зависящий от величин, характеризующих хим. реакцию, теплоотвод и размеры тела (r):

а - число порядка единицы, определяемое формой тела (напр., для шара =3,32). Тепловой В. тем характернее, чем лучше выполняются неравенства: и (с - теплоёмкость BB). Если эти неравенства слабые, тепловой В. вырождается - одновременно с ростом темп-ры происходит быстрое расходование исходного вещества, что смазывает картину В.

Цепной В. осуществляется в системах, в к-рых развиваются разветвлённые цепные реакции. В процессе таких реакций возникают активные частицы - атомы или радикалы, ведущие реакцию. В простейшем случае скорость изменения концентрации п радикалов описывается ур-нием

где t - время, - скорость спонтанного зарождения радикалов, f и g - соответственно факторы разветвления и обрыва цепей. Ход цепного процесса кардинально зависит от знаке разности . При 0 концентрация активных центров ничтожна, т. к. скорость их зарождения мала и реакция практически не идёт. Если0, число активных центров лавинообразно (экспоненциально со временем) нарастает, и реакция развивается с огромной скоростью. Критич. условие 0 соответствует возникновению цепного В. Кривая зависимости 0 от темп-ры T и давления р (рис. 2) ограничивает область самовоспламенения, имеющую обычно вид полуострова. Границы полуострова наз. верхним и нижним пределами цепного В.

Тепловой и цепной режимы протекания В. могут осуществляться и при ядерных превращениях - реакциях синтеза и деления ядер (ядерный взрыв).

В. используют в геологии, при строительстве крупных сооружений (плотин, каналов, туннелей), в военном деле. В науч. исследованиях при помощи В. достигают экстремально высоких значений давления, темп-р, плотностей вещества. Исследование В. играет важную роль в физике неравновесных процессов, для получения магн. полей высокой напряжённости, для осуществления фазовых переходов и получения новых веществ (см. Давление высокое). Экспериментально исследуются энерговыделение разл. веществ при В., характеристики взрывных и детонац. волн и распределение в них физ. параметров (давления, плотности, темп-ры, спектрального состава эл--магн. излучения, скорости хим. реакций). Для изучения В. создана спец. аппаратура - высокоскоростная киносъёмка, электронные приборы, позволяющие следить за развитием процессов, протекающих в чрезвычайно малые промежутки времени (до 10^-11 с).

Лит.: Семенов H. H., Цепные реакции, Л., 1934; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., M., 1967; Зельдович Я. Б., Компанеец А. С., Теория детонации, M., 1955; Физика взрыва, 2 изд., M., 1975; Андреев К. К, Беляев А. Ф., Теория взрывчатых веществ, M., 1960; Щелкин К. И., Трошин Я. К., Газодинамика горения, M , 1963, Математическая теория горения и взрыва, M., 1980. Б. В. Новожилов

   <<      Предметный указатель      >>