Пређи на садржај

Брзина детонације

Izvor: Vojna Enciklopedija
(разл) ← Старија измена | Тренутна верзија (разл) | Новија измена → (разл)

Брзина експлозива, такође позната као детонациона брзина или другачије брзина детонације (ВоД), је брзина којом фронт ударног таласа путује кроз детонирани експлозив. Експлозивне брзине су увек веће од локалне брзине звука у материјалу.

Ако је експлозив затворен пре детонације, на пример у артиљеријској гранати, произведена сила је фокусирана на много мању површину, а притисак се значајно појачава. Ово резултира брзином експлозива која је већа него да је експлозив детониран на отвореном. Неограничене брзине су често приближно 70 до 80 процената ограничених брзина. [1]

Брзина експлозије се повећава са мањом величином честица (тј. повећаном просторном густином), повећаним пречником пуњења и повећаним затварањем (тј., вишим притиском). [1]

Типичне брзине детонације за мешавине органске прашине крећу се од 1.400–1.650  м/с. [2] Експлозије гаса могу или дефлагрирати или детонирати на основу затворености; Брзине детонације су углавном око 1.700 м/с [3][4][5] али могу бити и до 3.000  м/с. м/с.[6] Чврсти експлозиви често имају брзине детонације у распону од 4.000 м/с до 10.300 м/с.

Брзина детонације се може мерити методом Даутрицхе. У суштини, овај метод се ослања на временско кашњење између покретања два краја детонирајућег фитиља познате брзине детонације, убаченог радијално на две тачке у експлозивно пуњење на познатој удаљености. Када се експлозивно пуњење детонира, активира један крај фитиља, а затим други крај. Ово узрокује да два фронта детонације путују у супротном смеру дуж дужине детонирајућег фитиља, који се сусрећу на одређеној тачки удаљеној од центра фитиља. Познавајући растојање дуж детонационог пуњења између два краја фитиља, положај судара фронтова детонације и брзину детонације детонационог фитиља, израчунава се брзина детонације експлозива и изражава се у км/с.

Другим речима "ВОД је брзина или брзина ширења хемијског распадања/реакције". А за високе експлозиве је углавном изнад 1.000 м/с.

У случајевима када материјал није прошао наменско тестирање, понекад се користе груба предвиђања заснована на теорији понашања гаса (погледајте Цхапман-Јоугует услов).

Техничка експлозија

Термичка експлозија настаје када се топлота ослобођена егзотермним реакцијама не удаљи од реакционог система довољно брзо кондукцијом, преносом топлоте или зрачењем. Нека брзина стварања топлоте буде у посуди при константној запремини <матх>\Пхи_+ = Р\,\Делта У</матх>, где је <матх>Р</матх> укупна брзина <матх>\Делта У</матх> је промена унутрашње енергије. Да бисмо поједноставили ствари, претпоставимо да је температура иста у целој запремини. [7] У овом случају, стопа губитка топлоте може бити:

<матх>\Пхи_- = \ламбда \фрац{А}{д} (Т-Т_0)</матх>

Ево <матх>\ламбда</матх> коефицијент пропорционалности је топлотна проводљивост супстанце, <матх>Т_0</матх> је температура на зиду посуде, <матх>А, д</матх> су површина и дебљина слоја у вези са преносом топлоте. Из једначине се види да је брзина губитка топлоте директно пропорционална температури, док брзина стварања топлоте експоненцијално зависи од температуре због зависности константи брзине.

Суседна слика приказује ситуације а, б и ц. На кривини а у почетку <матх>\Пхи_+ > \Пхи_-</матх> када се гас у посуди загреје до тачке D. У овом тренутку <матх>\Пхи_+ = \Пхи_-</матх> и постоји стање топлотне равнотеже. У тачки Ф криве а, стварање топлоте из егзотермних реакција поново превазилази пренос топлоте из реакционог суда и реакциона смеша може да се запали. На кривој, ц увек важи <матх>\Пхи_+ > \Пхи_-</матх>, при чему температура реакционе смеше стално расте и брзина реакције се повећава, што доводи до термалне експлозије. У трећој ситуацији (б-крива) постоји критична температура у тачки Е која одговара граници експлозије. При концентрацијама већим од ове присутна је термичка експлозија, док се при нижим концентрацијама гасне реакције одвијају готово изотермно. Имајте на уму да су у тачки Е производња топлоте и губитак топлоте једнаки:

<матх>\фрац{д\Пхи_+}{дТ} = \фрац{д\Пхи_-}{дТ}</матх>

За термичку експлозију није потребно присуство ланчаних реакција.

Диференцијалне једначине реакција водоник/кисеоник

Промена концентрације Х атома ланчане реакције може се написати: [8]

<матх>\фрац{д[Х]}{дт}= ф_0\,-к_2[Х][О_2]+к_3[О][Х_2]+к_1[ОХ][Х_2]-к_4[Х]-к_5[Х][О_2][M]</матх>

Слично, можете написати за ОХ радикал и О атом:

<матх>\фрац{д[ОХ]}{дт}=к_2[Х][О_2]+к_3[О][Х_2]-к_1[ОХ][Х_2]</матх>
<матх>\фрац{д[О]}{дт}=к_2[Х][О_2]-к_3[О][Х_2]</матх>

Претпоставка стационарног стања може се користити за промене у концентрацији и ОХ и О радикала. Исто се не може учинити за атом Х, који је најзначајнији носилац ланца, јер се његова концентрација у великој мери мења у зависности од времена. Корак реакције (2) је приближно 70 кЈ мол-1 ендотермичан, а корак реакције (3) је приближно 10 кЈ мол-1 ендотерман. Од ових, последња реакција је много бржа од претходне:

<матх>\фрац{д[ОХ]}{дт}=\фрац{д[О]}{дт}=0</матх>

Под стандардним условима може се израчунати:

<матх>[О]_{ВТ} = \фрац{к_2[Х][О_2]}{к_3[Х_2]}</матх>
<матх>[ОХ]_{ВТ} = \фрац{к_2[Х][О_2]+к_3[О][Х_2]}{к_1[Х_2]}=\фрац{2к_2[Х][О_2]}{к_1[Х_2]}</матх>

Постављањем ових израза <матх>\фрац{д[Х]}{дт}</матх>:н према закону брзине, добијамо:

<матх>\фрац{д[Х]}{дт}= ф_0\,-к_2[Х][О_2]+к_3 \фрац{к_2[Х][О_2]}{к_3[Х_2]}[Х_2]+к_1 \фрац{2к_2[Х][О_2]}{к_1[Х_2]}[Х_2] - к_4[Х]-к_5[Х][О_2][M]</матх>
<матх>\фрац{д[Х]}{дт}= ф_0 + \,\Биг(2к_2[О_2]-к_4-к_5[О_2][M]\Биг)[Х]</матх>

Напомиње се да је главни ланац носач <матх>[Х]=[н]</матх> показује гранање ланчане реакције <матх>2к_2[О_2]=х</матх>, и представља раскид <матх>к_4+к_5[О_2][M]=г</матх>. Диференцијална једначина се може поједноставити на:

<матх>\фрац{д[н]}{дт}=ф_0+(х-г)[н]</матх>

Ово се може интегрисати са граничним вредностима на почетку ланчане реакције <матх>т=0</матх> и <матх>[н]=0</матх> а током ланчане реакције су <матх>т, [н]</матх>:

<матх>\инт_{0}^{[н]} \фрац {д[н]}{ф_0+(х-г)[н]} = \инт_{0}^{т} дт</матх>

Добија се решење:

<матх>[н]=\фрац{ф_0 \Биг(е^{(х-г)т}-1\Биг)}{(х-г)}</матх>

Постоје два решења ове једначине (погледајте слику):

Гранање и завршетак ланчане реакције
1) <матх>г > х</матх>, у ком случају је завршетак већи од корака гранања ланчане реакције, који се реализује са довољно ниским парцијалним притисцима кисеоника и експонентни део једначине се брзо приближава нули. У овом случају важи претпоставка стандардног стања и <матх>[н]</матх> асимптотски се приближава вредности <матх>\фрац{ф_0}{(х-г)}</матх>.
2) <матх>г < х</матх>, где се фаза гранања ланца одвија брже од завршетка и формира се све више носилаца ланца, што доводи до концентрације радикала <матх>[н]</матх> до експоненцијалног раста. Може се проценити да један центар атома Х изазива 1015 нових Х атома за 0,3 секунде када је температура 800 К и парцијални притисак кисеоника 11 кПа. Тако брзо повећање концентрације радикала се практично посматра као експлозија.

Утицај притиска и температуре

Експлозивност мешавине гаса водоник/кисеоник зависи и од температуре и од притиска. Реакциона смеша не експлодира када је реакциона температура испод 400 °Ц (752 °Ф; 673 К), али може да експлодира када је температура виша од 460 °Ц (860 °Ф; 733 К). Експлозија је такође узрокована гранањем ланчаних реакција, што са друге стране захтева повећање реакциони притисак да настане.

Укупни притисак има кључни утицај на реакције мешавине гаса водоник/кисеоник (види слику).

Границе експлозије са смешом водоник/кисеоник

Са укупним притиском много мањим од <матх>П_1</матх> (је око 500 Па), доминира завршетак. Када је укупан притисак једнак првом критичном притиску, <матх>П_1</матх>, удео гранања ланчане реакције постаје све значајнији фактор. У овом случају долази до изотермне експлозије како се концентрација носилаца ланца повећава. [9] Ово се може манифестовати као детонација, при чему се фронт мешавине гаса који гори напредује брзином од 1000 мс-1. Како се укупни притисак и даље повећава, реакције се одвијају у области експлозије ланца.

Када укупни притисак настави да расте, експлозија ланца је потиснута (још један критичан притисак, <матх>П_2</матх> износи приближно 13 кПа) како термомолекуларна реакциона фаза (5) постаје све значајнија. Истовремено, прелазимо на област сагоревања пламена водоник/кисеоник, где је релативно споро реагујући ХО 2 радикал на ниским температурама један од најважнијих радикала у реакцијама мешавине гаса водоник/кисеоник. Реакције ХО радикала такође постају значајне у овој области. 1937. немачки дирижабл Хинденбургуништен у Лејкхерсту (Њу Џерси, САД) у пожару. Током спуштања, жица дирижабља је оштетила спољну површину, услед чега је водоник почео да цури из гасног блока дирижабла у спољашњи ваздух. Током слетања дошло је до грмљавине, услед чега је спољашња површина дирижабла очигледно била електрично наелектрисана. Када је жица намењена за спајање са јарболом уземљена, кратки спој је створио искру која је запалила мешавину водоника и кисеоника која је настала. Пожар је у почетку напредовао као површински пожар, јер је да би се смањило трење, дирижабл је био премазан лако запаљивим нитроцелулозним лаком. Ширење површинске ватре ослободило је више водоника из других гасних блокова у пламен и ваздушни брод је почео да гори као бакља, али није експлодирао.

Када је укупан притисак веома висок, он одговара трећем критичном притиску, <матх>П_3</матх>. У овом случају, топлота која се ослобађа из егзотермних реакција и других термичких процеса изазива повећање температуре реакционе смеше и истовремено, повећање ефеката ендотермних реакција. У овом случају, све више и више ОХ радикала се формира директно током дисоцијације водоник-пероксида. Ово омогућава [Х] да расте кроз фазу пропагације и даље реакције гранања ланчане реакције. Ослобађање топлоте на крају доводи до термалне експлозије. Уништење Спаце Схуттле Цхалленгер-а је очигледно изазвано термичком експлозијом када је пламен високог притиска чврстог горива успео да продре у резервоар водоник/кисеоник кроз сломљени О-прстен и експлозивно запали смешу течног гаса.

Детонација

Детонација је егзотермна хемијска реакција сагоревања, која је праћена веома јаким ширењем ударног таласа услед промене притиска и значајног повећања реакционе температуре у експлозивној материји. [10][11] Детонација се може десити у мешавини гаса, чврстој или течној. Од њих, у гасној смеши која се састоји од запаљиве супстанце и оксиданса, брзина ударног таласа је најмања. Детонација је објашњена једнодимензионалним моделом, где у почетку веома танак ударни талас изазива локалну концентрацију експлозивних материја. Ова изненадна локална промена притиска омогућава настанак хемијских ланчаних реакција и ослобађање топлотне енергије реакција, што заузврат доводи до протока материјала у супротном смеру од ударног таласа при нижој брзини протока и прекида ланчаних реакција. [12]

Приликом детонације, брзина детонације експлозива је преко 1000 мс-1 , а барута и запаљивих материја је типично око 100 мс-1. Брзина експлозије зависи од експлозивног материјала. На пример, пентрит (2,2-бис(хидроксиметил)-1,3-пропандиол, пентаеритритол тетранитрат) има брзину експлозије од 4.000 до 7.000 мс-1. Овај феномен се експлоатише у експлозивној ватреној жици. Код нових мотора са унутрашњим сагоревањем, овај феномен се користи паљењем мешавине горива и ваздуха из неколико тачака (нпр. Твин Спарк-мотор), у ком случају је сагоревање горива све потпуније. У одговарајуће наелектрисаној металној цеви експлозивно пуњење се истовремено пали на оба краја цеви, тако да ефекти ударних таласа у супротним смеровима формирају тзв. ефекат маказе. Овај догађај ломи цев. Нехомогеност неквалитетног или застарелог експлозива спречава талас да путује у свим правцима истом брзином и тако слаби експлозију. У овом случају, експлозив може остати нереагован у нестабилном стању, изазивајући значајан безбедносни ризик.

Види још

Референце

  1. ↑ 1,0 1,1 „Еxплосивес”. 
  2. ↑ Wолански, Пиотр. „Дуст Еxплосионс”. јстаге.јст.го.јп. Wарсаw Университy оф Тецхнологy, Институте оф Хеат Енгинееринг. Приступљено 21 Септембер 2019. 
  3. ↑ „ТНТ (Цомпарисон то Пентане)”. цх.иц.ац.ук. ЦхемWики. 
  4. ↑ „Глоссарy он Еxплосион Дyнамицс”. схепхерд.цалтецх.еду. Цалифорниа Институте оф Тецхнологy. Приступљено 7 Оцтобер 2019. 
  5. ↑ „Ревиеw оф Вапоур Цлоуд Еxплосион Инцидентс” (ПДФ). хсе.гов.ук. ХСЕ 2017. Архивирано из оригинала (ПДФ) на датум 02. 10. 2017. Приступљено 21 Септембер 2019. 
  6. ↑ Егертон, Алфред C.; Гатес, С.Ф. (1927). „Фуртхер еxпериментс он еxплосионс ин гасеоус миxтурес оф ацетyлене, оф хyдроген анд оф пентане”. Процеедингс оф тхе Роyал Социетy оф Лондон. Сериес А, Цонтаининг Паперс оф а Матхематицал анд Пхyсицал Цхарацтер. Тхе Роyал Социетy. 116 (775): 516—529. дои:10.1098/рспа.1927.0148. Приступљено 21 Септембер 2019. 
  7. ↑ Мицхаел Ј. Пиллинг ја Паул W. Сеакинс, Реацтион Кинетицс, (1976), Оxфорд Университy Пресс, ISBN 0-19-8555528-8 неважећи ISBN
  8. ↑ Јеффреy I. Стеинфелд, Јосепх С. Францисцо, ја Wиллиам L. Хасе, Цхемицал Кинетицс анд Дyнамицс, 2. паинос, (1998), Прентице Халл, ISBN 0-13-737123-2 неважећи ISBN
  9. ↑ Н. Н. Семенов, Соме Проблемс ин Цхемицал Кинетицс анд Реацтивитy, 2. паинос, (1958), Пергамон, ISBN 978-1-4831-6747-3
  10. ↑ Х. Б. Диxон, Пхилос. Транс., вол 175 (1884) с. 617
  11. ↑ Давид L. Цхапман, Пхилос. Маг., вол 47(5) (1899) с. 90
  12. ↑ Јохн вон Неуманн, Цоллецтед Wоркс, 1903–1957 вол 6, сивут 178-218, Пергамон Пресс., ISBN 978-0-08-009566-0

Литература

  • ДИН ЕН 13631-14 Еxплосивстоффе фüр зивиле Зwецке - Спренгстоффе, Теил 14: Бестиммунг дер Детонатионсгесцхwиндигкеит
  • Паул Хöлеманн: Дие Мессунг вон Фламмен- унд Детонатионсгесцхwиндигкеитен беи дер еxплосивен Зерсетзунг вон Азетyлен ин Рохрен. Wестдеутсцхер Верлаг, Кöлн унд Опладен 1957.
  • Хенрикус Стеен (Хрсг.): Хандбуцх дес Еxплосионссцхутзес. 2000. ИСБН 978-3-5272-9848-8.  Wилеy-ВЦХ, Wеинхеим .
  • Wилхелм Јост: Еxплосионс- унд Вербреннунгсворгäнге ин Гасен. Верлаг вон Јулиус Спрингер, Берлин 1939.
  • Јосеф Кöхлер, Рудолф Меyер: Еxплосивстоффе. 1998. ИСБН 3-527-28864-3.  9. üберарбеитете унд ерwеитерте Ауфлаге, Wилеy-ВЦХ, Wеинхеим .

Спољашње везе

Шаблон:Подножје

Преузето из „https://vojnaenciklopedija.com/vojnaenciklopedija/index.php?title=Brzina_detonacije&oldid=16933”