Урок № 17

 Тема уроку :  Теоретичні основи механізму горіння та вибуху 

дивитись за посиланням  https://www.znanius.com/18011.html

Під горінням розуміють швидкий фізико-хімічний окислювально-відновний процес з виділенням тепла, здатний до самораспространению і часто супроводжується світінням і утворенням полум'я. Класичні приклади горіння пов'язані з реакціями окислення органічних речовин або вуглецю киснем повітря: горіння кам'яного вугілля, нафти, дров і т. п.

Процес горіння є складним і складається з багатьох пов'язаних між собою окремих процесів, як фізичних, так і хімічних. Фізика горіння зводиться до процесів тепломасообміну і перенесення в реагуючій системі. Хімія горіння полягає в протіканні окисно-відновних реакцій, що складаються зазвичай з цілого ряду елементарних актів і пов'язаних з переходом електронів від одних речовин до інших - від відновлювача до окислювача.

Окислювально-відновні реакції горіння можуть бути міжмолекулярними і внутрішньомолекулярними. Міжмолекулярні реакції протікають зі зміною ступеня окислення атомів у різних молекулах. Внутрішньомолекулярні реакції горіння протікають зі зміною ступеня окислення різних атомів в одній і тій же молекулі (зазвичай це реакції термічного розкладання речовин).

Горіння - відносно швидкий процес. Тому до горіння відносять не всі окислювально-відновні реакції. Повільні реакції (низькотемпературне окислення, біохімічне окислення) і надто швидкі (вибухове перетворення) не входять до поняття горіння. Горіння обумовлюють реакції, час протікання яких зазвичай вимірюється секундами або, частіше, частками секунд.

Горіння супроводжується виділенням тепла. Тому до горіння призводять не будь відносно швидко протікають реакції, а ті, які в сукупності є екзотермічними. Реакції, що з витратою тепла ззовні, не відносяться до горіння. Горіння - самоподдерживающийся за рахунок виділення енергії процес. Тому горіння обумовлюють не будь-які екзотермічні реакції, а лише ті, сумарна теплота яких достатня для того, щоб процес став здатним до самораспространению. На практиці використовують реакції горіння, теплота яких, крім того, достатня для отримання того чи іншого корисного ефекту.

З урахуванням викладеного, в поняття горіння в широкому сенсі можна включити найрізноманітніші хімічні реакції між елементами і їх сполуками, включаючи реакції розпаду сполук. Горіння відбувається не тільки за рахунок утворення оксидів, але також за рахунок утворення фторидів, хлоридів і нітридів. Відомо горіння при утворенні боридів, карбідів і силіцидів ряду металів. Виділення тепла і розвиток процесу горіння можуть також відбуватися при утворенні сульфідів і фосфидов деяких елементів. Все це свідчить про різноманітність можливих реагентів, що беруть участь в горінні, і хімічних процесів між ними.

Енергія, що виділяється при горінні в результаті протікання хімічних реакцій, витрачається на підтримання процесу горіння, створення ефекту, а також розсіюється в навколишній простір. Стаціонарне горіння настає при рівності теплопріхода і тепловитрат на підготовку до горіння чергових порцій речовини.

У процесі горіння, так само як і в інших хімічних процесах, обов'язкові два етапи: створення молекулярного контакту між реагентами і сама взаємодія молекул з утворенням продуктів реакції. Швидкість перетворення вихідних продуктів в кінцеві залежить від швидкості змішування реагентів шляхом молекулярної і турбулентної дифузії і від швидкості хімічних реакцій. У граничному випадку характеристики горіння можуть визначатися тільки швидкістю хімічної взаємодії, тобто кінетичними константами і факторами, що впливають на них (кінетичний режим горіння), або тільки швидкістю дифузії і факторами, що впливають на неї (дифузійний режим горіння).

Речовини, що беруть участь в горінні, можуть бути в газоподібному, рідкому (або загущених) і твердому станах, попередньо перемішані між собою або НЕ перемішані. Якщо у горючій системі відсутні поверхні розділу між реагентами, то таку систему називають гомогенною, якщо є поверхні розділу, систему називають гетерогенної.

Горіння часто супроводжується світінням продуктів згоряння і утворенням полум'я. Під полум'ям розуміють газоподібним середовищем, часом що включає дисперговані конденсовані продукти, в якій відбуваються фізико-хімічні перетворення реагентів. Для газоподібних систем весь процес горіння протікає в полум'ї, тому часто поняття "горіння" і "полум'я" використовують як синоніми. При горінні конденсованих систем частина фізико-хімічних перетворень (нагрівання, плавлення, випаровування, початкове розкладання і взаємодія реагентів) може відбуватися поза полум'ям безпосередньо в початковому зразку і на його поверхні. Відомо безполуменеве горіння, коли процес протікає тільки в конденсованої системі практично без газоутворення і диспергування (горіння деяких термітів і сумішей металів з неметалами). Полум'я або частину його, як правило, характеризується видимим випромінюванням, хоча відомі і прозорі пламена. Найбільш високотемпературну частина полум'я зазвичай називають основною реакційної зоною, поверхнею полум'я або фронтом полум'я.

Після ініціювання процесу горіння в якій-небудь частині обсягу реагентів процес поширюється по всьому об'єму. На відміну від вибуху процес горіння поширюється в реагуючій середовищі зі швидкістю, що не перевищує швидкість звуку.

Якщо реагенти перед початком горіння небилиці перемішані, то горіння і полум'я називають дифузійними, так як змішання пального з окислювачем досягається шляхом дифузії. Найпростішими прикладами є полум'я звичайної свічки і пламена, що утворюються при змішуванні двох газоподібних потоків реагентів, один з яких окислювач, а інший - пальне.

Якщо ж реагенти попередньо перемішані (гомогенна суміш), процес горіння називають горінням попередньо перемішаних сумішей, або гомогенним горінням, а що утворюється полум'я - попередньо перемішаним. Прикладами можуть служити горіння сумішей водню, оксиду вуглецю та вуглеводнів з киснем або повітрям. Треба врахувати, однак, що в техніці при горінні не завжди виконується умова повного попереднього перемішування реагентів і можливі перехідні між гомогенним і дифузійним режими горіння.

Гетерогенне горіння відбувається на поверхні розділу фаз. Одне з реагуючих речовин знаходиться в конденсованій фазі, інше (зазвичай кисень) доставляється за допомогою дифузії з газової фази. При цьому конденсована фаза повинна мати високу температуру кипіння, щоб при температурі горіння практично не відбувалося її випаровування. Прикладами гетерогенного горіння служать горіння вугілля, нелетких металів. Залежно від характеру перебігу газового потоку, що утворює полум'я, розрізняють ламінарні і турбулентні пламена. У ламінарних пламенах протягом ламинарное, або шарувату, всі процеси масообміну і перенесення відбуваються шляхом молекулярної дифузії і конвекції. У турбулентних пламенах протягом турбулентний, процеси масообміну і перенесення здійснюються за рахунок не тільки молекулярної, але й турбулентної дифузії (в результаті макроскопічного вихрового руху). Характеристики горіння різноманітні. Їх можна поділити на такі групи: 1) форма, розмір і структура пламен; 2) випромінювання, температура полум'я і іонізація продуктів горіння; 3) тепловиділення і повнота згоряння; 4) швидкість горіння і межі стійкого горіння. Характеристики горіння можуть змінюватися в широких межах залежно від властивостей горючої системи і умов горіння.

Відомі такі види горіння: горіння газоподібних рідких і твердих речовин і їх сумішей за рахунок взаємодії з навколишнім газоподібної середовищем або з потоком цього середовища; горіння з'єднань за рахунок екзотермічної розпаду і горіння твердих гомогенних палив за рахунок внутрішньомолекулярного окислення.

Для створення максимальних ефектів: реактивної тяги, іонізації продуктів згоряння (плазми), видимого і селективного випромінювання, впливу на матеріали і стан атмосфери - в практиці застосовують різноманітні рецептури сумішей реагентів. Такими сумішами є порох, тверді і рідкі ракетні палива, різні за призначенням піротехнічні склади і термітні суміші.

Речовини, використовувані в якості пального, численні. Однак, на нашу думку, багато закономірностей горіння можуть бути описані і виявлені при розгляді горіння водню, оксиду вуглецю, вуглецю, найпростіших вуглеводнів і декількох високотеплотворних металів у різних активних середовищах. Інші речовини розкладаються або газифікуються на первинних стадіях горіння в основному з утворенням перелічених вище продуктів.

При горінні відбуваються різноманітні складні хімічні процеси:

• 1) розкладання вихідних сполук (вуглеводнів, елементоорганічних сполук, нітросполук, неорганічних окислювачів);
• 2) перетворення продуктів розкладання (освіта вуглецю в полум'ї, реакції метану та водяного газу);
• 3) окислення (водню, оксиду вуглецю, вуглецю, найпростіших вуглеводнів, металевих горючих) і утворення конденсованих оксидів металевого пального;
• 4) дисоціація продуктів згоряння;
• 5) іонізація продуктів згоряння.

Вибухом прийнято називати вкрай швидке виділення великої кількості енергії, пов'язане з раптовою зміною стану речовини, супроводжуване руйнуванням і розкиданням навколишнього середовища, виникненням та розповсюдженням в ній так званої ударної хвилі.

Для вибуху характерні три обов'язкові умови (фактора):

• 1) екзотермічність реакції;
• 2) висока швидкість протікання реакції (час реакції складає 10-4-10-7 с);
• 3) великий тиск газоподібних продуктів, які в процесі розширення здійснюють механічну роботу.

З першого погляду визначення настільки просто і зрозуміло, що здається навіть малозмістовним. Однак при більш уважному підході виявляється, що в ньому простота і ясність поєднуються з глибоким аналізом явища вибуху.

Насамперед з'ясуємо, що означає "дуже швидке" виділення енергії. Швидкість тих чи інших явищ - поняття відносне. Отже, дуже швидке виділення енергії вибуху має порівнюватися з іншими видами виділення або перетворення енергії.

Таким чином, виділення енергії вибухом є суттєво більш швидким, ніж інші форми виділення енергії в умовах. Наприклад, виділення енергії вибухом відбувається значно швидше, ніж виділення енергії при горінні. Найбільш важливим при вибуху є те, що енергія виділяється в межах заряду вибухової речовини швидше, ніж вона потім передається навколишньому середовищу.

Що означає "велика кількість" енергії? Це визначення треба розглядати, порівнюючи енергію вибуху з тією енергією, яка, так чи інакше, міститься в середовищі, що оточує місце вибуху. У цьому визначенні важливо те, що виділяється при вибуху енергія набагато більше енергії, що міститься в навколишньому середовищі.

Необхідно також уточнити поняття "виділення енергії". Як відомо, енергія не може виникати з нічого або зникати безслідно. Тому під виділенням енергії розуміють перетворення в енергію вибуху відповідного запасу енергії, яка накопичена і знаходиться в прихованій, потенційній формі в тому чи іншому місці.

До моменту вибуху звичайної вибухової речовини енергія вибуху міститься в прихованій, потенційній формі в його молекулах, точніше, в електронних оболонках цих молекул. Однак просте виділення енергії ще не означає, що стався вибух. Поняття "вибух" пов'язано з сильним механічним дією, тобто з появою механічних сил, прикладених до середовища і окремим тілам, оточуючим місце вибуху. Якщо цього немає, то немає і вибуху.

Щоб виділилася енергія могла здійснити механічне дію, потрібно робоче тіло, тобто речовина, яка могла б призвести досить великий тиск на навколишнє середовище. З цієї точки зору вибух може розглядатися як результат роботи дуже потужного теплового двигуна, чинного протягом вельми малого часу. При цьому гази, будучи на початку сильно нагрітими і стиснутими, розширюються і виробляють механічну роботу, переміщаючи середу, навколишнє місце вибуху.

Щоб забезпечити сильне нагрівання виділилися при вибуху 1330В і створити в них високий тиск, необхідно, щоб енергія або виділилася в цих газах, або була передана їм до того, поки ще не відбулося помітних втрат енергії і помітного збільшення їх обсягу. Це означає, що процес виділення або передачі енергії повинен поширюватися зі швидкістю, помітно перевершує швидкість розширення вибухових газів.

Зазвичай при вибуху початкова швидкість розширення газів сягає близько 1 км / с. Швидкість поширення процесу вибуху, званого детонацією, у вибухових речовин дещо більше і знаходиться в межах від 2 до 8 км / с.

При вибуху якого-небудь вибухової речовини, наприклад тротилу, відбувається його перетворення в розпечені вибухові гази, що мають високий тиск. При цьому енергія виділяється спочатку у вигляді теплоти, укладеної в сильно стислих газах. Гази діють на навколишнє середовище з такою силою, що ця середу починає стискатися і переміщатися. Тому гази отримують можливість розширюватися виробляючи роботу подібно газам, рушійним поршень двигуна внутрішнього згоряння, але з тією відмінністю, що вибухові гази розсовують навколишнє середовище по всіх можливих напрямах, а гази двигуна внутрішнього згоряння рухають поршень тільки але осі циліндра. При розширенні гази інтенсивно охолоджуються, їх тиск швидко падає і енергія передається навколишньому середовищі з дуже великим коефіцієнтом корисної дії.

Менш потужні вибухи можуть відбуватися і без виділення енергії в результаті будь-яких реакцій або її принесення ззовні. Причиною цього виду вибухів може бути раптове руйнування посудини, що містить сильно стиснений газ або пар. Прикладом таких вибухів є вибухи балонів зі стисненим повітрям або іншими газами, вибухи парових котлів.

Вибухоподібний характер має руйнування сильно стислих тендітних тіл, що супроводжується інтенсивним розльотом їх шматків. Так руйнуються, наприклад, масивні скляні кулі, стискувані гідравлічним пресом.

Вибухом зазвичай закінчуються дуже сильні удари бистродвіжущихся тіл про міцні перепони. Такі вибухи відбуваються при ударі метеорита об поверхню землі.

Отже, явище вибуху є за своєю природою складним фізико-хімічним процесом, що протікає за дуже короткий проміжок часу, рівний часткам мілісекунди, і тому існують певні складнощі в його експериментальному і науковому вивченні. Більш детально механізми виникнення вибухових перетворень і деякі математичні залежності, що описують ці закономірності та механізми виникнення вибуху, будуть розглянуті в розділі 4 даного посібника.