Теплота взрыва

Теплота́ взры́ва (удельная энергия^[1]) или теплота взрывчатого превращения^[2] — количество тепла, выделяемое при взрывчатом превращении 1 моля или 1 кг взрывчатого вещества, является одной из существенных характеристик взрывчатого вещества^[3]; это один из тепловых эффектов в теории взрывчатых веществ наряду с теплотой образования и теплотой сгорания взрывчатых веществ^[4]. Количество тепла, выделяющееся при взрыве единицы массы (кг, г), называют удельной теплотой взрыва, при взрыве 1 моля вещества — молярной теплотой взрыва.

Также теплотой взрыва называют общий тепловой эффект химических реакций во фронте детонационной волны и реакций, длящихся при адиабатическом расширении продуктов взрыва по завершении реакций^[3].

Единицы измерения: ккал/кг^[3], кДж/кг^[5], ккал/моль^[3], Дж/моль^[3], Дж/кг^[3][6].

В формулах, как правило, обозначается Q_в^[6] или Q_взр^[3][7].

Теплота взрыва используется для определения способностей того или иного взрывчатого вещества^[6].

Расчет и определение теплоты взрыва

Теплоту взрыва определяют:

• экспериментально в калориметрических установках;
• расчётными способами (теоретически)^[3][8][9].

Показатели теплоты взрыва, определяемые опытным путём, в настоящее время достигают точности 0,1 %^[8]. В качестве типовых условий используют температуры 0 °C и 18 °C, давление 10⁵ Па^[9].

Теоретический расчёт теплоты взрыва возможен в случае наличия точной информации о составе продуктов взрыва, который, в свою очередь, определяется как характеристиками заряда, так и свойствами взрывчатого вещества, а также условиями взрывания^[3][8][10]. Расчётный способ применяется в тех случаях, когда невозможно провести эксперимент или нужны теоретические данные ещё не синтезированного взрывчатого вещества или взрывчатой системы^[8].

Встречающиеся численные значения теплот взрыва различных веществ принимаются как неизменные для каждого из них, в то же время на эти показатели влияет и характеристика заряда, и условия охлаждения, что приводит к изменению теплового эффекта реакции^[11]. Таким образом, теплота взрыва — не постоянная величина, она колеблется в определённых пределах, например, у широко применяемых взрывчатых веществ — от 1000 до 1500 ккал/кг^[3][12].

Виды теоретических расчётов теплоты взрыва

Уравнение Малляра — Ле Шателье и Бринкли — Вильсона

Теоретический расчёт теплоты взрыва проводится по общим правилам уравнений распада взрывчатых веществ Малляра — Ле Шателье или Бринкли — Вильсона, особенно для взрывчатых веществ с небольшим отрицательным, нулевым или положительным кислородным балансом. Для веществ с отрицательным кислородным балансом применение уравнений Малляра — Ле Шателье недопустимо, так как результат не соответствует показателям, полученным опытным путём, поэтому применяется уравнение Бринкли — Вильсона, где результат больше соответствует экспериментальным теплотам, но даже в этом случае у тротила результаты завышены^[13].

Закон Гесса

Обычно для расчёта теплоты взрыва используют закон Гесса, как основанный на первом начале термодинамики, согласно которому общий тепловой эффект определяется начальным и конечным состоянием системы^[9], то есть в отношении теории взрыва теплота взрыва должна составлять разницу между теплотой образования продуктов взрыва и теплотой образования взрывчатого вещества^[3][7]:

• Q_взр = Σ_qпв – q_вв,

где Q_взр — теплота взрыва, Σ_qпв — теплота образования продуктов взрыва, q_вв — теплота образования взрывчатых веществ^[7].

• Q_взр = Q₂ – Q₁,

где Q_взр — теплота взрыва, Q₂ — теплота образования продуктов взрыва; Q₁ — теплота образования взрывчатого вещества или его составных частей^[3][9].

Общая информация

Показатель теплоты взрыва в определённых пределах зависит от толщины и материала оболочки, куда помещен заряд, а с увеличением плотности заряда значения теплоты взрыва повышается по линейному закону^[13].

Теплота взрыва разделяется на:

• теплота детонации (или малая теплота взрыва) — минимальный средний показатель теплоты, определяющий детонационный режим, выделяясь в детонационной волне и передаваясь ей полностью; её экспериментальное определение до настоящего времени затруднено. Может изменяться от давления в детонационной волне^[10][13].
• фугасная теплота — теплота взрыва в массивной оболочке. Промежуточная между теплотой детонации и максимальной теплотой. Зависит от плотности заряда и толщины оболочки; изменения зависят от давления внешней среды и газодинамических условий процесса расширения продуктов взрыва^[10][13].
• максимальная теплота — является константой взрывчатых веществ ввиду того, что определяется исключительно составом взрывчатого вещества, вне зависимости от начального и конечного размеров состояния продуктов взрыва. Позволяет увидеть предельные возможности взрывчатого вещества, в случае, если необходим результат полного превращения химической энергии в тепловую^[10][13].

Для установления фугасной теплоты взрывчатого вещества на практике используются следующие приёмы:

• метод свинцовой бомбы;
• метод эквивалентных зарядов;
• метод баллистического маятника;
• метод баллистической мортиры;
• определение фугасной теплоты по объёму воронки выброса;
• измерение параметров воздушных ударных волн^[6].

Примеры влияния на показатели теплоты взрыва

В случаях детонации плотных зарядов взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом, которые помещены в массивную оболочку, наблюдается дополнительное выделение тепла без увеличения скорости детонации. Так, при взрыве тротила, спрессованного в латунную оболочку толщиной 4 мм, выделяется на 25 % больше энергии (1080 кал/г), чем при взрыве аналогичного по весу и плотности заряда тротила в слабой стеклянной оболочке толщиной 2 мм (840 кал/г). Такой же эффект наблюдается у пикриновой кислоты, тетрина, гексогена. При этом увеличение теплоты взрыва за счет уплотнения и оболочки отслеживается только у взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом, у других смесевых взрывчатых веществ с небольшим, нулевым или положительным кислородным балансом (ТЭН, нитроглицерин) данный эффект не прослеживается^[3][13].

Дополнительное выделение теплоты взрыва может зависеть от медленного протекания химических реакций генераторного газа, не усиливающих детонационную волну^[3][7][13].

Росту показателя теплоты взрыва способствует приращивание, измеренного для свободных и утяжеленных зарядов импульса детонационной волны^[13].