Брзина детонације

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.

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

Типичне брзине детонације за мешавине органске прашине крећу се од 1.400–1.650  м/с. Експлозије гаса могу или дефлагрирати или детонирати на основу затворености; Брзине детонације су углавном око 1.700 м/с али могу бити и до 3.000  м/с. м/с. 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 $\Phi _{+}=R\,\Delta U$, где је $R$ укупна брзина $\Delta U$ је промена унутрашње енергије. Да бисмо поједноставили ствари, претпоставимо да је температура иста у целој запремини. У овом случају, стопа губитка топлоте може бити:

$\Phi _{-}=\lambda {\frac {A}{d}}(T-T_{0})$

Ево $\lambda$ коефицијент пропорционалности је топлотна проводљивост супстанце, $T_{0}$ је температура на зиду посуде, $A,d$ 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 $\Phi _{+}>\Phi _{-}$ када се гас у посуди загреје до тачке D. У овом тренутку $\Phi _{+}=\Phi _{-}$ 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 $\Phi _{+}>\Phi _{-}$, 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:

${\frac {d\Phi _{+}}{dT}}={\frac {d\Phi _{-}}{dT}}$

За термичку експлозију није потребно присуство ланчаних реакција.

Диференцијалне једначине реакција водоник/кисеоник

Промена концентрације Х атома ланчане реакције може се написати:

${\frac {d[H]}{dt}}=f_{0}\,-k_{2}[H][O_{2}]+k_{3}[O][H_{2}]+k_{1}[OH][H_{2}]-k_{4}[H]-k_{5}[H][O_{2}][M]$

Слично, можете написати за ОХ радикал и О атом:

${\frac {d[OH]}{dt}}=k_{2}[H][O_{2}]+k_{3}[O][H_{2}]-k_{1}[OH][H_{2}]$

${\frac {d[O]}{dt}}=k_{2}[H][O_{2}]-k_{3}[O][H_{2}]$

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:

${\frac {d[OH]}{dt}}={\frac {d[O]}{dt}}=0$

Под стандардним условима може се израчунати:

$[O]_{VT}={\frac {k_{2}[H][O_{2}]}{k_{3}[H_{2}]}}$

$[OH]_{VT}={\frac {k_{2}[H][O_{2}]+k_{3}[O][H_{2}]}{k_{1}[H_{2}]}}={\frac {2k_{2}[H][O_{2}]}{k_{1}[H_{2}]}}$

Постављањем ових израза ${\frac {d[H]}{dt}}$:н према закону брзине, добијамо:

${\frac {d[H]}{dt}}=f_{0}\,-k_{2}[H][O_{2}]+k_{3}{\frac {k_{2}[H][O_{2}]}{k_{3}[H_{2}]}}[H_{2}]+k_{1}{\frac {2k_{2}[H][O_{2}]}{k_{1}[H_{2}]}}[H_{2}]-k_{4}[H]-k_{5}[H][O_{2}][M]$

${\frac {d[H]}{dt}}=f_{0}+\,{\Big (}2k_{2}[O_{2}]-k_{4}-k_{5}[O_{2}][M]{\Big )}[H]$

Напомиње се да је главни ланац носач $[H]=[n]$ показује гранање ланчане реакције $2k_{2}[O_{2}]=h$, и представља раскид $k_{4}+k_{5}[O_{2}][M]=g$. Диференцијална једначина се може поједноставити на:

${\frac {d[n]}{dt}}=f_{0}+(h-g)[n]$

Ово се може интегрисати са граничним вредностима на почетку ланчане реакције $t=0$ и $[n]=0$ а током ланчане реакције су $t,[n]$:

$\int _{0}^{[n]}{\frac {d[n]}{f_{0}+(h-g)[n]}}=\int _{0}^{t}dt$

Добија се решење:

$[n]={\frac {f_{0}{\Big (}e^{(h-g)t}-1{\Big )}}{(h-g)}}$

Постоје два решења ове једначине (погледајте слику):

Гранање и завршетак ланчане реакције

1) $g>h$, 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 $[n]$ асимптотски се приближава вредности ${\frac {f_{0}}{(h-g)}}$.

2) $g<h$, где се фаза гранања ланца одвија брже од завршетка и формира се све више носилаца ланца, што доводи до концентрације радикала $[n]$ 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 $P_{1}$ (је око 500 Па), доминира завршетак. Када је укупан притисак једнак првом критичном притиску, $P_{1}$, удео гранања ланчане реакције постаје све значајнији фактор. У овом случају долази до изотермне експлозије како се концентрација носилаца ланца повећава. 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, $P_{2}$ 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, $P_{3}$. 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. 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.

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

• Табела брзина детонације експлозива
• Бризантност
• Стопа сагоревања
• Детонација
• Експлозија
• Дефлаграција
• Брзина пламена
• Гурнијеве једначине

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. Wилеy-ВЦХ, Wеинхеим 2000, ИСБН 978-3-5272-9848-8.
• Wилхелм Јост: Еxплосионс- унд Вербреннунгсворгäнге ин Гасен. Верлаг вон Јулиус Спрингер, Берлин 1939.
• Јосеф Кöхлер, Рудолф Меyер: Еxплосивстоффе. 9. üберарбеитете унд ерwеитерте Ауфлаге, Wилеy-ВЦХ, Wеинхеим 1998, ИСБН 3-527-28864-3.

Спољашње везе

• Спренгстоффе (абгеруфен ам 13. Фебруар 2020)
• Бреннверхалтен сцхаллнахер унд üберсцхалл-сцхнеллер Wассерстофф-Луфт Фламмен (абгеруфен ам 13. Фебруар 2020)
• Гесцхицхте дер Спренгстоффе (абгеруфен ам 13. Фебруар 2020)
• Унтерсуцхунген зу Гасдетонатионен ин Капилларен фüр дие Микрореактионстецхник (абгеруфен ам 13. Фебруар 2020)
• Сицхерхеитстецхнисцхе Унтерсуцхунген зу Микроструктурреакторен фüр хетероген каталyсиерте Оxидатионсреактионен им Еxплосионсбереицх (абгеруфен ам 13. Фебруар 2020)