ВЗРЫВ

ВЗРЫВ

       

очень быстрое выделение энергии в ограниченном объёме, связанное с внезапным изменением состояния в-ва и сопровождаемое обычно разбрасыванием окружающей среды. Наиболее характерными явл. В., при к-рых на первом этапе внутренняя химическая (или ядерная) энергия превращается в тепловую. По сравнению с обычным топливом хим. взрывчатые в-ва (В В) обладают небольшим тепловыделением (=4•103 кДж/кг (или =103 ккал/кг)), но из-за малого времени хим. превращения (=10-5 с), к-рое происходит без участия кислорода воздуха, в-во не успевает разлететься в процессе В. и образует газ с высокой темп-рой (2•103— 4•103К) и давлением до 10 ГПа (105атм). Расширение газа приводит в движение окружающую среду — возникает взрывная волна, скорость распространения которой вблизи очага В. достигает несколько км/с. Взрывная волна оказывает механическое действие на окружающие объекты.

При определ. темп-pax, давлении и др. параметрах конденсиров. ВВ и взрывоопасные газовые смеси могут храниться длит. время — хим. реакции в них при этих условиях практически не идут. Однако при небольших изменениях указанных параметров может произойти резкий переход от крайне медленного протекания хим. реакции к её прогрессивному самоускорению (автоускорению), т. е. к возникновению В. или к самовоспламенению (см. ГОРЕНИЕ). Наличие таких критич. условий — характерная черта хим. ВВ.

Тепловой В. осуществляется в условиях, когда оказывается невозможным тепловое равновесие между реагирующим в-вом и окружающей средой. При достаточно больших значениях энергии активации Е (разностях между ср. энергией ч-ц, вступающих в хим. реакцию, и ср. энергией всех ч-ц в реагирующей системе) скорость хим. реакции w быстро возрастает с увеличением темп-ры Т ВВ по закону Аррениуса: w=zexp(-E/RT), где R — универсальная газовая постоянная, z — предэкспоненц. множитель, значение к-рого зависит от механизма элем. акта реакции. Таким же образом растёт и скорость тепловыделения Q+ в объёме в-ва V:

Q+=Vqzexp(-E/RT)

(q — тепловой эффект реакции). Теплоотвод же во внеш. среду Q- через поверхность S зависит от Т гораздо слабее:

Q-=l/r(T-T0)S

(l — коэфф. теплопроводности, r — линейный размер тела, Т0 — темп-ра среды). Условию теплового равновесия соответствует равенство Q+=Q-, т. е. выделяющаяся в ходе реакции теплота должна полностью отводиться через поверхность ВВ. Вследствие сильной нелинейности ф-ции тепловыделения Q+(T)

Рис. 1. Диаграмма Семёнова.

такое равновесие не всегда возможно. На рис. 1 приведены графики скоростей тепловыделения Q+ и теплоотвода Q- (прямые 1—3) при различных Т0 (диаграмма Семёнова). При низких Т0 (подкритич. состояние) графики Q+ (T) и Q-(T) пересекаются. Точка их пересечения а соответствует медленному течению реакции при темп-ре Г, мало отличающейся от Т(1)0. При повышении Т0 прямые теплоотвода смещаются вправо, и при нек-рой критич. темп-ре Т о прямая 2 касается Q+(T), точка пересечения отсутствует, и, следовательно, тепловое равновесие невозможно. Если Т0>T*0 (надкритич. состояние), хим. экзотермич. реакция самоускоряется — выделение теплоты приводит к повышению Т, что, в свою очередь, увеличивает скорость тепловыделения — возникает тепловой В.

Условие возникновения теплового В. формулируется в виде неравенства d>d*, где безразмерный параметр d зависит от величин, характеризующих хим. реакцию, условия теплоотвода и размеры тела:

а d*— число, определяемое только формой тела (напр., для шара d*=3,32, причём в этом случае r — радиус шара).

Тепловой В. выражен тем ярче, чем лучше выполняются неравенства RT0/E<-1 и cRT20(Eq)<-1 (с — теплоёмкость ВВ). Если эти неравенства выполняются плохо, тепловой взрыв вырождается — одновременно с ростом Т происходит быстрое выгорание исходного в-ва, к-рое смазывает картину В.

Цепной В. осуществляется в таких системах, где хим. реакция развивается как разветвлённая цепная реакция, в процессе к-рой возникают большие концентрации (сравнимые с концентрациями исходных в-в) активных ч-ц — радикалов, ведущих реакцию. В простейшем случае скорость изменения концентрации n радикалов описывается ур-нием:

dn/dt=w0+(f-g)n,

где t — время, w0 — скорость спонтанного зарождения радикалов, f и g — факторы разветвления и обрыва цепей. От знака j=f-g зависит ход

Рис. 2. Область самовоспламенения стехиометрич. смеси водорода с кислородом (заштрихована).

цепного процесса. При j<0 концентрация активных центров n=w0/|j|, ничтожна из-за малой скорости их зарождения, и реакция практически не идёт. Если j>0, число активных центров лавинообразно (экспоненциально) растёт. Критич. условие j=0 соответствует возникновению цепного В. Кривая j(Т, р)=0 (р — давление; 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 яд. превращениях — реакциях синтеза и деления ядер (см. ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ).

В. могут быть вызваны резкими внеш. воздействиями — ударом, трением, ударной волной, возникшей при В. другого заряда. Причиной В. при ударе, по-видимому, явл. локальный разогрев в-ва. Ударная волна вызывает специфич. вид взрывного превращения, к-рое происходит не одновременно по всему заряду, а распространяется в пр-ве с пост. скоростью,— возникает детонация.

К В. относятся также процессы, в к-рых выделяется не внутр. энергия в-ва, а энергия внеш. источника. Примерами могут служить В. при ударе тел, движущихся с большими скоростями (падение крупных метеоритов); В. проволочек металла, испаряемых под действием сильного импульса электрич. тока; В. в среде, в к-рой сфокусировано мощное лазерное излучение (лазерная искра); В. при внезапном освобождении сжатого газа (разрушение стенок газовых баллонов) и т. п.

В. используют в геологии, при строительстве плотин, каналов, тоннелей, в военном деле. Действие В. может быть усилено в определ. направлении (см. КУМУЛЯТИВНЫЙ ЭФФЕКТ).

В научных исследованиях при помощи В. достигаются экстремально высокие значения р, Т и плотностей в-ва r. Его используют для получения магн. полей высокой напряжённости, для осуществления фазовых переходов и получения новых в-в (см. ДАВЛЕНИЕ ВЫСОКОЕ).

При эксперим. исследовании взрывных процессов изучаются энерговыделение разл. в-в, хар-ки взрывных и детонационных волн и распределение в них физ. параметров (р, r, Т, спектр. состава эл.-магн. излучения, скорости хим. реакций). Для изучения В. создана спец. аппаратура — высокоскоростные киносъёмочные аппараты, электронные приборы, позволяющие следить за развитием процессов, протекающих за чрезвычайно малые промежутки времени (до 10-11 с).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.