Взрыв и взрывчатые вещества - Андреев Константин Константинович
По мере удаления от взорвавшегося взрывчатого вещества действие взрыва быстро падает; однако при взрывах больших количеств взрывчатых веществ давление даже на расстоянии нескольких километров достаточно, чтобы выбить стекла в окнах домов.
Возникает естественный вопрос: почему же взрыв протекает с такой огромной быстротой? Ведь с химической стороны те реакции, которые идут при взрыве, очень похожи, а иногда и тождественны реакциям, происходящим при горении топлива. В основном это окисление (соединение с кислородом) углерода с образованием углекислого газа (СО2) или окиси углерода (СО) и водорода с образованием воды (Н2O).
Более того, и сами взрывчатые вещества в большинстве своем способны не только взрываться, но и гореть. Тот же тротил, если его поджечь, может гореть, и притом довольно медленно, спокойнее и медленнее, чем, скажем, бензин. Наоборот, самое простое горение, например, горение угля, можно поставить в такие условия, что оно будет протекать как сильнейший взрыв. Если взять тонко измельченный уголь, например в виде сажи, и распылить его в воздухе так, чтобы образовалось пылевое облако, то при поджигании такого облака произойдет взрыв. Более сильный взрыв можно получить, если сажу пропитать жидким воздухом или кислородом.
Почему же горение в обычных условиях протекает медленно и за счет чего может быть достигнуто его ускорение?
Горение угля является химической реакцией соединения углерода с кислородом воздуха. Скорость химических реакций зависит от температуры и от давления. С повышением температуры скорость реакции быстро возрастает; если температуру повысить на 10 градусов, то скорость реакции увеличится в два — четыре раза. Расчет показывает, что если от комнатной температуры перейти к температуре в 1000 градусов, то эта скорость возрастет во много миллиардов раз. При увеличении давления скорость химических реакций также возрастает — для некоторых реакций пропорционально давлению, а для других даже быстрее — пропорционально давлению в квадрате, то есть если повысить давление от 1 до 1000 атмосфер, скорость реакции увеличится в 10002, или в миллион раз.
При горении угля выделяется много тепла. Один килограмм угля дает при сгорании около 8000 больших калорий. Этого количества тепла хватило бы для нагрева до кипения 8 ведер воды. За счет выделения большого количества тепла при горении достигается очень высокая температура, особенно, если уголь горит в чистом кислороде. При горении на воздухе, содержащем, как известно, только 21 процент кислорода, выделяющееся тепло расходуется не только на нагрев образующегося углекислого газа, но и на нагрев азота. Температура получается поэтому ниже, но все же весьма высокая — она может превышать 2000 градусов. Таким образом, реакция горения угля происходит при очень высокой температуре, и скорость ее могла бы быть чрезвычайно большой. Несмотря на это, горение протекает медленно. Причина этого заключается в том, что реакция может идти только на поверхности куска угля, где он соприкасается с воздухом а эта поверхность обычно невелика.
Из сказанного ясно, что для ускорения горения надо с одной стороны, увеличить поверхность угля и, с другой облегчить доступ к ней кислорода воздуха. Это и достигается тонким измельчением угля и распылением его в воздухе так, чтобы каждая пылинка была окружена нужным для сгорания количеством кислорода.
Представим себе, что мы имеем уголь в виде кубиков с длиной ребра 10 сантиметров. Поверхность одного такого кубика будет равна 600 квадратным сантиметрам. Измельчим теперь каждый кубик в частицы той же формы, но с длиной ребра в одну тысячную сантиметра. Тогда поверхность будет составлять уже не 600, а шесть миллионов квадратных сантиметров, то есть увеличится в 10 000 раз. Соответственно уменьшится и время сгорания частицы угля и оно сможет протекать крайне быстро.
Однако тонкое смешение участников реакции, которое необходимо, чтобы она могла протекать быстро, само по себе еще не всегда достаточно для получения взрыва Это видно хотя бы из того, что даже такие взрывчатые вещества, как тротил, пироксилин и другие, в которых и горючие элементы (углерод и водород) и кислород входят в состав одной и той же молекулы, при поджигании способны к медленному горению.
Почему это так и что нужно для того, чтобы получить взрыв?
Поднесем на короткое время к открытой поверхности заряда тротила, вставленного в жестяной стакан,[2] небольшое пламя. При этом поверхностный слой тротила нагреется, скажем, до 200 градусов. В нагретом слое будет идти химическая реакция с выделением тепла. Одновременно тепло будет отдаваться следующему слою тротила и в окружающий воздух. При 200 градусах скорость реакции и количество выделяющегося при ней тепла невелики. В каждую единицу времени тепловые потери будут больше прихода тепла. Поэтому температура в слое будет падать, реакция прекратится и тротил не загорится.
Повторим опыт, но будем держать пламя дольше, чтобы тротил нагрелся на поверхности до 400 градусов. Если мы теперь отнимем пламя, то температура в слое тротила не только не понизится, но будет возрастать и он воспламенится. При 400 градусах химическая реакция в тротиле идет так быстро, что тепла выделяется больше, чем его теряется вследствие теплоотдачи, и дальнейший разогрев слоя, приводящий к воспламенению, идет сам по себе.
Однако, хотя реакция при горении и быстрая, но идет она только в тонком, нагретом пламенем слое, так как остальной тротил еще холодный. В результате горения образуются газы с высокой температурой. Они нагревают следующий слой тротила, вызывая в нем быструю реакцию. Этот процесс повторяется от слоя к слою, пока не сгорит весь тротил.
Нагрев слоя, вступающего в реакцию, происходит при горении путем теплопроводности. Передача тепла теплопроводностью — довольно медленный процесс. В этом легко убедиться, погрузив, например, конец чайной ложки в горячий чай. Ощущение тепла дойдет до руки только через несколько секунд.
Поскольку передача тепла при горении происходит медленно, то и скорость распространения горения мала. При горении с торца заряд тротила высотой 10 сантиметров сгорает за 15 минут.
Допустим теперь, что вместо того, чтобы поджигать тротиловый заряд, мы произведем по нему очень сильный удар, подобный тому, какой испытал бы он при попадании в него винтовочной пули, но еще более резкий. При таком ударе верхний слой тротила сожмется и сильно разогреется, подобно тому как разогревается поверхность наковальни от удара по ней молота. Вследствие высокой температуры в слое пройдет химическая реакция. Скорость ее будет при этом гораздо выше, чем при горении, так как здесь возникнет не только высокая температура, но и большое давление, созданное ударом. А давление, как мы видели, также сильно ускоряет реакцию. Образовавшимся газам некуда расширяться: с одной стороны ударяющая поверхность, с другой — тротил. Поэтому газы будут иметь очень большое давление, которое сожмет соседний слой тротила. Сжатие вызовет в этом слое разогрев и быструю химическую реакцию. Таким образом, как и при горении, реакция, начавшись на поверхности заряда, будет распространяться по нему вглубь, пока не прореагирует все взрывчатое вещество.
Основное, качественное отличие взрыва от горения заключается в том, что при взрыве разогрев, вызывающий реакцию, передается не теплопроводностью, а сжатием. Передача энергии сжатием, или, как называют этот процесс, ударной волной, происходит несравненно быстрее, чем теплопроводностью, — со скоростью, достигающей нескольких километров в секунду.
Если взять длинный металлический стержень, на один конец его положить руку, а по другому ударить молотком, то будет казаться, что рука ощущает толчок в момент удара. Это ощущение ошибочно; действие удара распространяется по стержню с определенной скоростью и доходит до руки через некоторый промежуток времени. Однако этот промежуток времени слишком мал, и для нашего осязания моменты удара и восприятия его рукой неразличимы, подобно тому как неразличимы для глаза отдельные кадры кинокартины.
