Взрыв. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 взрывы, 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 взрыва не успевает разлететься и образует газ с высокими температурой (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 взрыва достигает неск. км/с. Взрывная волна оказывает механич. действие на окружающие объекты.

Взрывы могут быть вызваны резкими внеш. воздействиями- ударом, трением, ударной волной, порождённой взрывом др. заряда, или возникнуть самопроизвольно (см. ниже). Причина взрывов 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 взрыва может выделяться не только внутр. энергия вещества, но и механич. энергия тел, эл--магн. энергия и др. виды энергий. Так, взрывы 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 взрыва может быть усилено в к--л. направлении (см. Кумулятивный эффект).

Взрывы, 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 температуры, давления, условий теплоотдачи или объёма BB может произойти резкий переход от крайне медленного протекания хим. реакции к её прогрессивному самоускорению, т. е. взрыв или самовоспламенению. Наличие таких критич. условий - характерная черта хим. BB. Автоускорение реакции возникает либо тепловым образом (тепловой взрыв), либо вследствие развития в среде разветвлённой цепной реакции (цепной взрыв).

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 взрыв 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 температуры 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 температуры 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 функции 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 температуре, мало отличающейся от T₀. При повышении T₀ прямые теплоотвода (2 и 3) смещаются вправо, и при нек-рой критич. температуре

прямая 2 касается кривой

; при

точка пересечения (а следовательно, и возможность термич. равновесия) исчезает, хим. экзотермич. реакция самоускоряется - выделение тепла приводит к повышению температуры, что в свою очередь увеличивает скорость тепловыделения: возникает тепловой взрыв.

Условия возникновения теплового взрыва определяются неравенством

, где

- безразмерный параметр, зависящий от величин, характеризующих хим. реакцию, теплоотвод и размеры тела (r):

- число порядка единицы, определяемое формой тела (напр., для шара

=3,32). Тепловой взрыв тем характернее, чем лучше выполняются неравенства:

(с - теплоёмкость BB). Если эти неравенства слабые, тепловой взрыв вырождается - одновременно с ростом температуры происходит быстрое расходование исходного вещества, что смазывает картину взрыва.

Цепной взрыв 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. Если

0, число активных центров лавинообразно (экспоненциально со временем) нарастает, и реакция развивается с огромной скоростью. Критич. условие

0 соответствует возникновению цепного взрыва. Кривая зависимости

0 от температуры 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 взрыва могут осуществляться и при ядерных превращениях - реакциях синтеза и деления ядер (ядерный взрыв).

Взрывы используют в геологии, при строительстве крупных сооружений (плотин, каналов, туннелей), в военном деле. В науч. исследованиях при помощи взрыва достигают экстремально высоких значений давления, температур, плотностей вещества. Исследование взрыва 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 взрывах, характеристики взрывных и детонац. волн и распределение в них физ. параметров (давления, плотности, температуры, спектрального состава эл--магн. излучения, скорости хим. реакций). Для изучения взрывов создана спец. аппаратура - высокоскоростная киносъёмка, электронные приборы, позволяющие следить за развитием процессов, протекающих в чрезвычайно малые промежутки времени (до 10^-11 с).

Литература по взрывам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.