Главная Обратная связь

Дисциплины:






Расчет теплоты взрыва



Теплоту взрыва рассчитывают на основе закона Гесса, согласно которому «тепловой эффект химического превращения системы зависит только от начального и конечного ее состояния и не зависит от промежуточных состояний, т.е. от пути перехода». На основании этого закона выделившаяся при взрыве теплота равна разности теплот образования исходного вещества и конечных продуктов:

 

Qv = Q1 – Q2,

 

где Q1 – сумма теплот образования продуктов взрыва; Q2 – теплота образования ВВ.

 

Значения теплот Q1 и Q2 приведены в [6]. При расчетах теплоты взрыва применяют несколько методов.

1. Основной метод определения теплоты взрыва индивидуальных ВВ.

При вычислении теплоты взрыва по этому методу используют следующие исходные данные:

· теплоты образования ВВ;

· теплоты образования продуктов взрыва;

· уравнение реакции взрывчатого разложения.

 

Теплота взрыва 1 кг ВВ определяется по формуле

 

,

 

где nj – число молей j-го продукта взрывчатого разложения в уравнении реакции; Qvj – теплота образования j-го продукта взрывчатого разложения при постоянном объеме, кДж/моль; Qvвв – теплота образования ВВ при постоянном объеме, кг/моль; М – масса ВВ, численно равная его молярной массе, кг/моль.

 

Последовательность расчета теплоты взрыва:

· написать уравнение взрывчатого разложения;

· найти значения Qvj и Qvвв по соответствующим таблицам;

· при необходимости произвести пересчет теплот образования веществ Qр (при постоянном давлении) в Qv (при постоянном объеме);

· рассчитать теплоту взрыва данного ВВ.

Пересчет Qр в Qv осуществляется по формуле

 

Qv = Qр + q = Qр + 0,58 · n, ккал/моль,

 

где 0,58 – множитель, представляющий собой выраженную в ккал работу расширения 1 моль газов при их нагревании от 00 до 180С, связанного с изменением объема при постоянном давлении равном 101325 Па; n – число молей ВВ и газообразных продуктов соответственно.

 

Пример: Определить теплоту взрыва 1 кг тэна С5Н8N4O12. М = 316, теплота образования Qр = 129,37 ккал/моль.

 

Пишем уравнение реакции взрывчатого разложения:

 

С5Н8N4O12 = 4Н2О + 2СО + 3СО2 + 2N2.

 

Выбираем из таблиц величины теплот образования продуктов разложения:

· вода (газ) Н2О – 57,78ккал/моль;

· оксид углерода СО – 26,88 ккал/моль;

· диоксид углерода СО2 – 94,51 ккал/моль;

· азот (газ) N2 – 0,00 ккал/моль.

 

Вычисляем суммарную теплоту образования продуктов взрыва при постоянном давлении:

 

Qр = 4 · 57,78 + 2 · 26,88 + 3 · 94,51 = 568,72 ккал/моль.

 

Произведем пересчет Qр в Qv ВВ (тэна):



 

Qvвв = Qр + 0,58n = 129,37 +0,58·1 = 129,95 ккал/моль,

4,19 · 129,95 = 544,5 кДж/моль;

 

Qvnв = Qр + 0,58n = 568,72 + 0,58(4 + 2 + 3) = 573,94 ккал/моль,

4,19 · 573,94 = 2404,81 кДж/моль.

 

Примечание: 1 кал = 4,19 Дж; 1 Дж = 0,239 кал.

 

Рассчитываем теплоту взрыва 1 кг тэна:

 

.

 

2. Метод Г.А. Авакяна [11]

Данный метод позволяет рассчитать теплоту взрыва индивидуальных веществ, не прибегая к написанию уравнения реакции взрывчатого разложения. В основе метода лежит гипотеза о том, что суммарная теплота образования продуктов взрыва есть однозначная функция кислородного коэффициента ВВ:

 

,

 

где а, b и d – число атомов соответственно углерода, водорода и кислорода, входящих в ВВ (условная формула СаНbNcOd).

 

Теплота взрыва по этому методу определяется по формулам

 

Qv = К(94а + 28,7b) – Qвв, ккал/моль при αк ≥ 100%;

Qv = К(47d + 5,25b) – Qвв, ккал/моль при αк < 100%.

 

где К = 0,32 – «коэффициент реализации», согласующий результаты расчета с экспериментальными данными.

 

Пример: Определить теплоту взрыва 1 кг тэна С5Н8N4O12; М = 316;

Qр = 129,37 ккал/моль.

 

Решение:Определяем αк (кислородный коэффициент):

 

.

 

Производим пересчет QP в QV:

 

QVBB = QP + 0,58n = 129,37 + 0,58 ∙ 1 = 129,95 ккал/моль.

 

Вычисляем теплоту взрыва 1 моля ТЭНа:

 

= 0,32 ∙ 85,70,24 (47 ∙ 12 + 5,25 ∙ 8) – 129,95 =

= 0,32 ∙ 2,91 ∙ 606 – 129,95 = 564,31 – 129,95 = 434,36 ккал/моль.

 

Рассчитываем теплоту взрыва 1 кг ТЭНа в размерности СИ:

QV =4,19 ∙ 1000 = 4,19 ∙ 1000 = 5759,4 кДж/кг.

3. Метод ориентировочного определения теплоты взрыва смесевых ВВ [11].

Для грубой оценки теплоты взрыва QV cмесевых веществ можно воспользоваться правилом аддитивности (значение величины целого равно сумме величин частей), полагая, что каждый компонент вносит вклад в теплоту взрыва пропорционально своему содержанию в смеси:

 

, кДж/кг,

 

где Vi и QVi – массовая доля и теплота взрыва i-го компонента в смеси.

 

Пример: Определить теплоту взрыва 1 кг смеси тротила с гексогеном ТГ 50/50 (тротила и гексогена по 50% по массе).

 

Решение.

1. Из таблицы находим Qккал/кг тротила 1010, гексогена 1320.

2. Определяем теплоту взрыва смеси ТГ 50/50:

 

3. Уточненный метод расчета теплоты взрыва смесевых ВВ.

Последовательность определения:

· составляется условная формула 1 кг смесевого ВВ, СаНbNсOd с использованием соотношений:

,

 

где nj – мольная доля j-го компонента смеси;

· составляется уравнение реакции;

· вычисляется молекулярная масса смеси;

· рассчитывается кислородный коэффициент αк (как по методу Авакяна);

· определяется теплота образования 1 моля смеси по формуле

 

· определяется теплота взрыва 1 кг смесевого ВВ (по формуле основного метода определения теплоты взрыва индивидуальных ВВ) или (по формуле метода Авакяна).

Как уже было сказано, теплота взрыва тех или иных ВВ может быть определена экспериментально (по аналогии с определением теплотворной способности горючих в калориметрической бомбе Бертло-Малера).

Сущность метода заключается в следующем. Бомбу наполняют не кислородом (как обычно), а азотом или же откачивают воздух и производят взрыв в вакууме. Повышение температуры воды в калориметре умноженное на теплоемкость системы – бомба + вода + калориметрический сосуд, дает количество тепла, выделившееся при взрыве.

В бомбе Бертло-Малера для вторичных и метательных ВВ можно определить только теплоту горения или теплоту взрыва только инициирующих ВВ и черного пороха (взрываются от накаленной проволочки). Для ВВ, которые взрываются только от капсюля-детонатора используется бомба больших размеров (бомбы применяемые в английских лабораториях или бомбы Апина и Беляева).

При оценке теплот взрыва, получаемых в калориметрических бомбах, тепловой эффект сильно зависит от условий, в которых происходит взрыв. Поэтому, полученные данные имеют лишь условное значение.

 

4.6.2. Температура продуктов взрыва

 

Основными термодинамическими характеристиками продуктов взрыва являются удельный объем V, температура Т и давление Р. Они связаны общим уравнением состояния (уравнение Менделеева-Клайперона для идеальных газов):

 

ρV = nR·T,

 

где n – количество молей газообразных продуктов взрыва; R – универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/моль·К.

 

Температура – один из основных термодинамических параметров, определяющих тепловое состояние вещества, тела, системы тел. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура системы прямо пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить только при наличии разности температур (от более нагретого к менее нагретому).

Для измерения температуры применяют следующие температурные шкалы:

· абсолютную термодинамическую;

· международную практическую.

Единицей измерения по абсолютной термодинамической шкале является кельвин (К), а по международной практической – градус Цельсия (0С).

Соотношение в градусах: T = t + 273, К; t = Т – 273,0С.

Под температурой взрыва понимают наибольшее значение температуры, до которого нагреваются продукты взрывчатого разложения. В основе вычисления этой температуры заложено предположение, что взрывчатое превращение – адиабатический процесс (система не обменивается теплотой с окружающей средой), протекающий при постоянном объеме и, таким образом, выделяющееся в процессе взрыва тепло расходуется только на нагрев продуктов взрыва. На основании изложенного теплота взрыва при постоянном объеме определяется по формуле

 

,

 

где СV – суммарная молярная теплоемкость всех продуктов взрыва в интервале температур от нуля до температуры взрыва, кал/моль·град.; tnв – температура продуктов взрыва, 0С.

 

Теплоемкость СV является функцией температуры, ее можно определить по формуле Малляра и Ле Шателье (для температур более 10000С):

 

СV = a + btпв, кал/моль·град.

 

Тогда теплота взрыва определится выражением:

 

, кал/моль.

 

Отсюда: , 0С.

Значения теплоемкостей 1 моля продуктов взрыва можно определить, используя следующие выражения, кал/моль·град:

· для двухатомных газов (СО, N2) СV = 4,8 + 4,5 · 10–4tпв;

· для воды СV = 4,0 + 21,5 · 10–4tпв;

· для диоксида углерода СV = 9,0 + 5,8 · 10–4tпв;

· для четырехатомных газов СV = 10 + 4,5 · 10–4tпв;

· для пятиатомных газов СV = 12 + 4,5 · 10–4tпв;

· для твердых продуктов взрыва СV = 6,4.

 

Порядок определения температуры продуктов взрыва:

1. составить уравнение реакции взрывчатого разложения;

2. определить теплоту взрыва;

3. вычислить теплоемкость продуктов взрыва;

4. подсчитать суммарную молярную теплоемкость;

5. определить температуру продуктов взрыва.

 

Пример: Определить температуру продуктов взрыва тэна. Уравнение реакции взрыва тэна:

 

C5H8N4O12 = 4H2O + 3CO2 + 2CO + 2N2.

 

Теплота взрыва 1 моля тэна:

 

(см. пример 1).

 

Решение.

1. Записываем уравнения для расчета молярных теплоемкостей продуктов взрыва и вычисляем их суммарную теплоемкость:

СV = m(a + вtпв), кал/моль·град;

для Н2О: 4(4,0 + 0,00215tпв) = 16,0 + 0,00880tпв;

для СО2: 3(9,0 + 0,0058tпв) = 27,0 + 0,00174tпв;

для СО: 2(4,8 + 0,0045tпв) = 9,6 + 0,00090tпв;

для N2: 2(4,8 + 0,0045tпв) = 9,6 + 0,00090tпв.

 

Суммарная теплоемкость СV = a + вtпв= 62,2 + 0,01234 tпв.

2. Определить температуру продуктов взрыва тэна:

.

 

Абсолютная температура продуктов взрыва тэна:

 

tпв = 4006 + 273 = 4279 К.

 

Расчеты температуры взрыва, как уже говорилось, основаны на предположении, что теплоемкость продуктов взрыва не зависит от давления. Это предположение можно считать справедливым для умеренных давлений. Однако при чрезвычайно высоких давлениях, которые достигаются при детонации конденсированных ВВ большой плотности значительная доля энергии взрыва представляет упругую часть энергии молекул высокоплотных продуктов взрыва. Тепловая часть существенно меньше, чем для газов при умеренных давлениях, и температура соответственно ниже, чем ее значение, получаемое обычным расчетом.

А.Я. Апин и И.М. Воскобойников экспериментально определили температуру взрыва ряда ВВ, используя цветовой оптический метод. Этот метод измерения температуры основан на том, что определяется распределение энергии по сплошному непрерывному спектру, характерному для детонации, или по отношению яркостей при двух длинах волны (метод «красно-синего» сравнения). Краткая сущность метода изложена в [6].





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...