Kimia proses pembakaran. Energi ledakan

Energi ledakan

Keuntungan utama dari bahan peledak dibandingkan sumber energi lainnya adalah kekompakan, kemampuan pengangkutan dan fakta bahwa pelepasan energi dapat terjadi dalam waktu singkat, sehingga memungkinkan untuk mengembangkan kekuatan yang sangat besar. Jadi, dengan ledakan muatan bola seberat 1 kg dan kerapatan 1,65 g / cm3, yang terbuat dari bahan peledak - heksogen kuat, tereksitasi (diprakarsai) di tengah, kecepatan propagasi dari transformasi bahan peledak melalui zat (peledakan) adalah 8300 m / s. Jalan r  (radius biaya), yang akan melewati ledakan, ditentukan dari kesetaraan

dimana Gup -  massa dan densitas muatan, masing-masing.

Waktu implementasi proses adalah τ = r / D (D  - kecepatan ledakan).

Kekuasaan N  (kJ / e), dikembangkan selama ledakan, dapat diperkirakan, dengan mengetahui jumlah panas yang dilepaskan q  dengan transformasi eksplosif 1 kg RDX:

Untuk RDX q  = 5420 kJ / kg. Kekuatan yang dihitung terlalu tinggi, karena waktu di mana gas yang berkembang melakukan pekerjaan tidak diperhitungkan. Perlu dicatat bahwa itu melebihi kapasitas pembangkit listrik terbesar di dunia. Bahan peledak yang mampu melakukan transformasi cepat seperti itu disebut peledakan.

Peledak peledak mengeluarkan bahan peledak awal, yang praktis tidak digunakan secara independen dan hanya digunakan untuk persiapan bahan peledak. Cara peledakan (peledakan topi, peledak kartrid, sekering, kabel detonating, dll.) Digabungkan menjadi subkelompok khusus. Peledakan bahan peledak, bubuk mesiu dan bahan peledak merupakan kelompok bahan peledak. Baik selama peledakan dan pembakaran selama penembakan, kondisi tambahan dikenakan pada konversi bahan peledak menjadi gas: untuk senjata api - pembakaran tunak pada tekanan yang berbeda, untuk peledakan bahan peledak - tingkat penyebaran propagasi yang sangat tinggi oleh bahan.

Namun, bahan peledak tidak hanya mampu melakukan transformasi cepat. Jika Anda menyalakan sejumlah kecil bahan peledak dengan cara konvensional dan membiarkannya terbakar di bawah kondisi atmosfer tanpa menghalangi pelepasan gas, pembakaran akan berlangsung perlahan dan tenang. Metode pemusnahan bahan peledak yang tidak dapat diservis dengan pembakaran didasarkan pada hal ini, dengan eksekusi yang memenuhi syarat, aman dan nyaman. Dalam kasus pembakaran yang tidak tepat, keadaan dapat muncul di mana pembakaran akan secara spontan berubah menjadi detonasi dengan konversi bahan peledak yang lebih cepat menjadi gas.

Apa itu ledakan? Ledakan mengacu pada transformasi fisik atau kimia suatu zat, di mana energinya dengan cepat beralih ke energi kompresi dan pergerakan zat itu sendiri atau produk dari transformasi dan lingkungannya.  Energi ledakan mungkin berbeda. Pelepasan bahan kimia, listrik, nuklir, termonuklir, termal, energi kinetik, energi kompresi elastis dapat disertai dengan proses ledakan. Misalnya, dalam metode percikan-listrik penghancuran bahan, mikro-ledakan digunakan, sumber energi yang merupakan pelepasan listrik, dan pembawa energi adalah produk penguapan dan dekomposisi atau hanya memanaskan media di mana pelepasan dilakukan. Ledakan yang disebabkan oleh rusaknya tabung gas terkompresi, ketel uap, bejana bertekanan tinggi, juga dapat berlangsung dengan kecepatan tinggi dan menyebabkan kerusakan serius pada ruang di sekitarnya.

Namun, kepentingan utama adalah penggunaan energi kimia potensial, yang dalam banyak zat dalam kondisi tertentu (sebagai akibat dari reaksi kimia) dapat dengan cepat beralih ke energi gas terkompresi. Zat yang mampu melakukan transformasi semacam itu disebut eksplosif, dan ledakan - kimiawi. Di masa depan, di bawah ledakan, tanpa reservasi khusus, kita hanya akan memahami ledakan kimia, dan semua proses yang dipertimbangkan dikaitkan dengan proses yang terjadi selama ledakan kimia.

Ledakan dapat ditandai dengan jumlah energi yang dilepaskan. Karena proses ini kadang-kadang diatur oleh parameter peralatan (misalnya, untuk radiator pneumatik - oleh volume ruang dan tekanan udara terkompresi), seseorang harus dapat menentukan energinya. Untuk radiator pneumatik, itu sama dengan PV /(k  - 1), dimana R  - tekanan gas terkompresi; V -  volume ruang; k -  faktor koreksi (untuk udara k  = 1.4), untuk radiator pelepasan listrik - UC2/2,   dimana Dengan  - kapasitas U - ketegangan. Energi bahan peledak kimia paling sering ditentukan oleh panas ledakan dalam kilojoule per kilogram. Secara alami, perbandingan sumber melibatkan transfer energi dari satu unit ke unit lain (kalori ke joule, dll.).

Sehubungan dengan pertimbangan ledakan, mari kita menyentuh prosesnya, sampai batas tertentu berlawanan dengannya, impuls, yang mulai diterapkan dalam teknologi. Dengan ledakan muatan ledakan, tingkat energi memungkinkan gas akibat ekspansi untuk melakukan pekerjaan di lingkungan eksternal. Pada dorongan, substansi lingkungan di sekitar sumber memiliki tekanan lebih tinggi daripada pada sumber itu sendiri, dan ketika menghilangkan hambatan pemisah, dimungkinkan untuk bergegas masuk ke dalam sumber. Proses seperti itu dapat menyebabkan gangguan gelombang. Contoh paling sederhana impuls adalah bohlam dari bohlam listrik (itu dievakuasi), rusak di udara. Semakin tinggi tekanan medium, semakin banyak energi yang bisa dilepaskan ketika rongga itu runtuh. Di sumur dalam, itu menjadi signifikan bahkan di rongga kecil. Fenomena serupa diamati selama ledakan di bawah air, ketika produk ledakan yang terlalu luas runtuh di bawah tekanan hidrostatik. Dalam seismik, ini dicatat sebagai dampak kedua dari ledakan yang dihasilkan di reservoir, dengan kedalaman muatan yang cukup di dalamnya.

Ledakan kimia  - transformasi kimia yang berkembang biak sendiri dari suatu zat yang berlangsung dengan kecepatan tinggi, pembentukan panas, dan pembentukan gas yang dikompresi menjadi tekanan tinggi. Detonasi adalah kasus khusus ledakan yang dilakukan dengan kecepatan konstan dan maksimum untuk zat tertentu.

Pertama-tama, perlu untuk memperkirakan energi (jumlah panas) yang dilepaskan selama ledakan. Reaksi terdiri dari dua jenis - dengan melepaskan panas (eksotermik) dan dengan penyerapan (endotermik). Panas pembentukan molekul - senyawa dari atom (panas pembentukan yang terakhir adalah nol) —bisa negatif (perlu untuk menghabiskan energi tambahan pada pembentukannya dari unsur-unsur) serta positif. Pelepasan panas dari bahan peledak biasanya disebabkan oleh reaksi antara komponen yang mudah terbakar dan zat pengoksidasi (oksigen), yang merupakan bagian darinya. Jika bahan peledak adalah senyawa kimia individu, maka mereka akan menjadi kelompok yang berbeda dalam molekul, jika dicampur, mereka adalah zat yang berbeda yang membentuk campuran. Rasio mereka menentukan keseimbangan oksigen zat. Ketika oksigen tidak cukup untuk sepenuhnya mengoksidasi komponen yang mudah terbakar dari bahan peledak, keseimbangannya menjadi negatif. Dalam zat dengan keseimbangan oksigen positif, sebagian oksigen dalam ledakan tetap tidak digunakan dan hilang secara tidak produktif. Sifat-sifat bahan peledak komposit dapat diubah dengan memilih oksidan yang sesuai dan mudah terbakar.

Keseimbangan oksigen didefinisikan sebagai kekurangan atau kelebihan (dalam gram) oksigen yang dibutuhkan untuk oksidasi atau 100 g sisa bahan peledak selama oksidasi. Untuk tetranitrometa C (ΝO2) 4 sama dengan +49, amonium nitrat ΝH4ΝΟ3 - +20, trotyl C7H5N3O6 - -74, hexogen (СH2N2) 3 - -21,6. Keseimbangan oksigen negatif maksimum, menurut definisi, adalah untuk hidrogen (-794), positif maksimum adalah untuk oksigen (+100).

Contoh bahan peledak dengan keseimbangan oksigen negatif adalah trotil, bahan peledak tinggi yang umum. Nama kimianya adalah trinitrotoluene, nama tol, TNT ditemukan. Seperti dapat dilihat dari formula struktural, komponen-komponen yang mudah terbakar - atom-atom hidrogen dan karbon dan zat pengoksidasi - adalah oksigen, yang merupakan bagian dari kelompok nitro (NO2), dalam molekul TNT belum saling berhubungan:

Berdasarkan rumus zat, Anda dapat menentukan ke arah mana reaksi akan berlangsung di dalamnya, produk apa yang dapat dibentuk dalam kasus ini. Untuk TNT, reaksi dekomposisi bahan peledak adalah sebagai berikut:

Komposisi produk tergantung pada kondisi ledakan dan kondisi akhir mereka (tingkat ekspansi). Banyak sistem peledak adalah yang pertama kali menyadari reaksi yang ditandai dengan pelepasan energi maksimum. Dengan demikian, dalam zat yang memiliki formula bentuk CaH4McOd, dengan kekurangan oksigen yang relatif kecil [ d< (2a + b / 2)] pertama-tama, hidrogen direaksikan dengan oksigen sebagai yang paling menguntungkan, karena 255 kJ dilepaskan per unit oksigen selama pembentukan H2O, dan 187 kJ / selama pembentukan CO2 (panas pembentukan CO2 adalah 379 kJ / mol).

Pendekatan untuk menghitung panas transformasi bahan peledak, di mana produk-produk reaksi yang mungkin dicatat, pembentukan yang memastikan efek termal maksimumnya, disebut prinsip operasi maksimum. Perhitungan sampai batas tertentu mengidealkan proses dan memberikan akurasi terbesar untuk sistem dengan keseimbangan oksigen positif atau sedikit negatif. Bahkan, komposisi produk ledakan (PT) biasanya tidak sesuai dengan perhitungan ini. Yang terakhir ini disebabkan oleh fakta bahwa interaksi berlanjut untuk beberapa waktu setelah ledakan dan keseimbangan terbentuk antara produk-produk reaksi dengan efek termal positif dan negatif. Contoh yang terakhir adalah reaksi

Untuk perkiraan perhitungan sistem dengan keseimbangan oksigen negatif, Anda dapat menggunakan metode Le Chatelier, berdasarkan prinsip volume maksimum, dan jika volumenya sama, maka reaksi dengan pelepasan panas yang besar menjadi prioritas. Metode ini paling valid untuk menentukan keadaan akhir dari produk ledakan. Reaksi dominan adalah oksidasi karbon menjadi CO. Jika oksigen kurang diekspose, maka dihabiskan untuk oksidasi tambahan CO dan H2. Reaksi dekomposisi RDX dalam kasus ini ditulis sebagai:

Penghitungan komposisi produk ledakan yang lebih akurat dilakukan dengan mempertimbangkan kinetika dan kondisi reaksi. Keakuratan perhitungan ini tidak selalu mencukupi karena kurangnya informasi yang dapat dipercaya tentang keadaan zat pada suhu dan tekanan tinggi. Data tentang panas dan komposisi produk-produk ledakan juga diperoleh secara eksperimental, di mana metode-metode khusus penyelidikan ledakan telah dikembangkan dan berhasil digunakan.

Seperti yang telah disebutkan, energi ledakan ditandai oleh panasnya transformasi bahan peledak. Mengetahui panas pembentukan prekursor dan produk ledakan dan menggunakan hukum Hess (efek termal dari proses tidak tergantung pada jalur transformasi, tetapi pada keadaan awal dan akhir zat), kita dapat menghitung panas dan sejumlah parameter lain dari ledakan. Perhitungan semacam itu juga dapat terjadi dalam praktik seorang insinyur geofisika, karena bahan peledak campuran dan bubuk mesiu digunakan dan akan digunakan dalam jumlah yang meningkat.

Lakukan perhitungan campuran bahan peledak murah jenis Idanit dari amonium nitrat berbutir dengan bahan bakar cair. Untuk memudahkan perhitungan, alih-alih produk minyak bumi yang digunakan - minyak solar atau minyak tanah, yang merupakan campuran zat - gunakan benzena (C6H6). Pertimbangkan kasus ketika campuran bahan peledak ditentukan oleh indikasi komponen dan keseimbangan oksigen. Biarkan diberikan bahwa campuran benzena dan amonium nitrat harus memiliki keseimbangan oksigen -10, jika tidak maka akan kekurangan 10 g oksigen untuk sepenuhnya mengoksidasi 100 g campuran. Untuk mulai dengan, kita akan menentukan komposisi apa yang harus dimiliki campuran untuk memenuhi tugas.

Untuk menyederhanakan solusinya, mari kita bayangkan bahwa bahan peledak kita, seolah-olah, terdiri dari dua bagian - salah satu komponen (dalam hal ini, bahan bakar, karena keseimbangannya negatif), diambil dalam jumlah yang memberikan keseimbangan yang diinginkan, dan campuran zat tertentu dari keseimbangan oksigen nol (kadang-kadang disebut stoikiometri). Jika kita menambahkan campuran seperti itu ke jumlah bahan bakar yang dihitung, menjadikan berat total 100 g, kita akan mendapatkan komposisi dengan keseimbangan oksigen tertentu.

Secara konsisten melakukan perhitungan.

Pada oksidasi molekul benzena (berat molekulnya adalah 78)

akan membutuhkan 15 atom oksigen. Dengan demikian, jumlah benzena x1, oksidasi yang membutuhkan 10 g oksigen, kita dapatkan dari proporsi "benzena - oksigen diperlukan":

Tambahkan ke jumlah ini (100 - x1) g campuran keseimbangan nol oksigen, kita memperoleh campuran komposisi yang diberikan.

Mari kita beralih ke penghitungan kandungan komponen dalam 96,75 g campuran stoikiometrik. Tentukan kelebihan oksigen dalam oksidator. Saltpeter terurai dan melepaskan oksigen:

selain itu, 80 g zat pengoksidasi (berat molekul amonium nitrat 80) akan melepaskan 16 g oksigen. Reaksi antara benzena dan amonium nitrat dalam campuran keseimbangan oksigen nol ditulis sebagai

Kemudian kita mendapatkan proporsi:

Oleh karena itu, dalam 96,75 g campuran akan menjadi 5,85 g benzena dan 90,85 g amonium nitrat. Dengan demikian, komposisi akhir dari campuran dengan keseimbangan oksigen yang diberikan dan komposisi produk ledakan, dihitung sesuai dengan prinsip operasi maksimum, akan menjadi:

Tanpa menggunakan perhitungan, dimungkinkan untuk segera merekam kandungan karbon bebas dalam produk ledakan, karena justru keberadaannya yang akan menentukan keseimbangan oksigen negatif dari campuran. Karena oksidasi penuh 12 g karbon membutuhkan 32 g oksigen, 10 g oksigen dapat mengoksidasi g karbon, atau sebagian kecil dari satu mol karbon. Pertimbangan ini baik untuk digunakan untuk memverifikasi kebenaran perhitungan yang dibuat.

Untuk membuat campuran seperti itu sangat sederhana: jumlah nitrat yang tepat harus dicampur dengan benzena. Memiliki komponen awal dan mengetahui komposisi produk ledakan, mudah untuk menghitung panas ledakan sistem. Panas pembentukan komponen awal dan produk ledakan ditemukan di direktori yang relevan. Jadi, untuk 1 mol benzena (dalam kJ / mol) -39,1, amonium nitrat - +410,8, CO2 - +444,2, H2O - +271,7.

Efek termal dari ledakan Qx muatan dalam masalah dapat ditentukan dari persamaan

(4.29)

Ini akan menjadi 374 kJ / 100 g campuran, atau 3740 kJ / kg.

Volume produk gas yang terbentuk (dalam liter) dapat dihitung dari persamaan reaksi dengan mengalikan jumlah mol gas dengan 22,4 (volume molekul gram). Secara alami, ini harus mempertimbangkan keadaan zat. Jadi, karbon (suhu sublimasi di atas 3700 ° C pada tekanan atmosfer normal) tidak akan memberikan fase gas, air, tentu saja, akan menjadi uap. Volume produk ledakan, disebut kondisi atmosfer normal, disebut volume yang diberikan.  Dalam masalah yang dibahas di atas, itu akan menjadi sekitar 800 l / kg.

Jika panas dan komposisi produk ledakan diketahui, maka suhunya Tmatahari bisa ditentukan dari hubungannya Tnaik = = Q / Cdimana Denganv cp adalah kapasitas panas rata-rata dari produk ledakan (pada volume konstan) untuk intervalnya Τ 0–Τ biaya Penting untuk dicatat bahwa kapasitas panas adalah fungsi dari suhu.

Yang terakhir memperkenalkan beberapa (murni teknis) komplikasi ke dalam perhitungan, karena jenis ketergantungan diketahui. Namun, lebih mudah untuk menggunakan data yang sudah jadi tentang kandungan panas gas pada suhu yang berbeda (Tabel 4.1).

Tabel 4.1

Perubahan kandungan panas (energi internal) dari beberapa gas (kJ / mol)

Mengingat suhu dan mengetahui komposisi produk ledakan, Anda dapat menemukan kandungan panasnya dan membandingkannya dengan panas ledakan. Perbandingan akan menentukan sifat kesalahan yang dilakukan saat memilih suhu. Mengulangi operasi, tetapi dengan suhu yang berbeda (dikoreksi), Anda dapat menggunakan metode perkiraan untuk menemukan suhu ledakan.

Perlu dicatat bahwa energi yang dilepaskan selama ledakan relatif kecil: bahan peledak yang paling kuat memiliki panas ledakan 6500-6700 kJ / kg. Dengan ledakan 1 kg TNT, sekitar 4000 kJ panas dilepaskan di udara, dan ketika membakar 1 kg minyak diesel - sekitar 44.000 kJ. Tetapi panas pembakaran 1 kg campuran minyak diesel dengan oksigen hanya akan 10.000 kJ, dan 1 kg campuran minyak diesel dan udara - 2670 kJ. Berulang kali ditekankan bahwa, di samping pelepasan energi, ledakan ditandai dengan pembentukan produk yang berada dalam keadaan gas pada suhu yang dicapai selama ledakan.

Meski panas dari reaksi rayap

sekitar 2,3 kali lebih tinggi dari panas dekomposisi TNT yang eksplosif, pembakarannya berlangsung dengan tenang; produk yang dihasilkan, bahkan pada suhu yang dipanaskan, tetap cair. Tetapi orang hanya perlu membasahi rayap, karena gambar berubah: panas mengubah air menjadi uap, dan pembakaran disertai dengan proses ledakan. Peledak dalam volume yang ditempati oleh muatan itu, ledakan itu segera membentuk gas terkompresi yang sangat besar - produk reaksi, memastikan realisasi energi yang dilepaskan dalam bentuk pekerjaan yang dilakukan dengan memperluas gas.

Saat membuat bahan peledak, secara alami kita tertarik pada fakta bahwa dengan seratus ledakan, lebih banyak energi dilepaskan dan gas terkompresi terbentuk yang mampu merealisasikan energi dengan cara yang benar. Terkadang persyaratan ini bertentangan. Dengan demikian, energi dekomposisi bahan peledak dapat ditingkatkan dengan memilih bahan yang mudah terbakar yang sesuai, khususnya, pengantar logam ke dalam komposisi bahan peledak, misalnya aluminium (panas pembentukan A12O3 adalah 1599 kJ / mol). Produk oksidasi aluminium adalah padatan. Penambahan (hingga batas tertentu) aluminium ke beberapa campuran eksplosif dapat meningkatkan efisiensi yang terakhir. Ada bahan peledak dengan peningkatan panas ledakan, yang mengandung logam komposisi. Seperti yang telah dicatat, komposisi produk ledakan tidak hanya bergantung pada bahan peledak, tetapi juga pada kondisi ledakan: metode inisiasi, ukuran dan desain muatan dan cangkang, kondisi lingkungan di mana ledakan terjadi. Jika produk awal tetap konstan dan komposisi produk ledakan berubah, efek termal ledakan juga akan berubah, oleh karena itu untuk beberapa bahan peledak, nilai yang berbeda dari panas ledakan diberikan tergantung pada kondisi di mana itu dilakukan. Sebagai contoh, dalam tabel. 4.2 menunjukkan (menurut R. Schmidt) komposisi produk dari ledakan TNT (kepadatan 1,52) ketika ledakan muatan bersemangat oleh pemrakarsa yang lemah dan kuat.

Agar transformasi bahan peledak akibat timbulnya reaksi kimia yang cepat untuk melewati seluruh muatan, proses tersebut harus berkembang biak sendiri. Untuk melakukan ini, reaksi kimia harus memiliki karakteristik kinetik yang sesuai, dan pelepasan energi harus mengkompensasi kerugian yang tak terelakkan. Laju reaksi, kemampuan untuk memperbanyak diri, eksotermisitas, pembentukan gas saling terkait erat dan mempengaruhi satu sama lain dan batas-batas proses ledakan.

Tabel 4.2

Komposisi produk ledakan TNT

Di tab. 4.3 menunjukkan karakteristik sejumlah bahan peledak dan bubuk yang digunakan oleh industri.

Tabel 4.3

Karakteristik peledak dari beberapa bahan peledak

Sebuah ledakan dalam ledakan melepaskan energi karena fakta bahwa sejumlah kecil ledakan padat atau cair berubah menjadi sejumlah besar gas yang dipanaskan hingga suhu ribuan derajat. Untuk berbagai jenis bahan peledak, volume gas yang dilepaskan per 1 kg bahan peledak, yang memiliki volume awal tidak lebih dari 0,8-1 l, adalah nilai dari 300 hingga 1000 l dan lebih banyak. Dibentuk selama ledakan produk dekomposisi gas panas dari bahan peledak mulai berkembang, menghasilkan kerja mekanis. Dengan demikian, bahan peledak memiliki cadangan energi kimia laten yang dilepaskan selama ledakan. Namun, tidak hanya bahan peledak memiliki energi laten, tetapi, misalnya, bensin, batu bara, kayu bakar, dan zat mudah terbakar lainnya. Energi zat yang mudah terbakar ini dapat dilepaskan selama pembakaran. Mengapa, untuk tujuan penghancuran dan pelemparan, bahan peledak dan bubuk mesiu digunakan sebagai pengganti, misalnya, bensin? Diketahui bahwa 1 kg energi bensin adalah 10 kali lebih banyak dari 1 kg TNT, dan 12 kali lebih banyak dari bubuk piroksilin tanpa asap. Tetapi muatan ledak dan muatan bubuk mesiu dengan kecepatan luar biasa berubah menjadi gas, dan bensin atau bahan bakar apa pun tidak dapat terbakar tanpa cukup udara atau oksigen bebas. Pembakaran 1 kg bensin membutuhkan oksigen sebanyak yang terkandung dalam 15,5 kg udara. Oleh karena itu, panas pembakaran (energi) bahan bakar harus dihitung untuk 1 kg campurannya dengan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran lengkapnya. Dengan perhitungan ini, perbedaan energi pembakaran campuran bensin dengan oksigen dan energi ledakan muatan ledakan dengan jumlah yang sama lebih rendah daripada yang diberikan di atas, namun, dalam hal ini, jumlah energi yang dilepaskan selama pembakaran bensin lebih banyak: bubuk tanpa asap - 2860 kJ / kg, trotil - 4100 kJ / kg, campuran bensin dengan oksigen - 11.000 kJ / kg. Konsekuensinya, bukan jumlah energi yang terkandung dalam bahan peledak dan bubuk mesiu yang menjadi alasan utama penggunaannya untuk tujuan penghancuran dan pelemparan. Alasan utamanya bukan karena besarnya energi, tetapi karena pelepasannya yang sangat cepat. Jika pembakaran 1 kg bensin dalam mesin mobil terjadi (tergantung pada daya mesin dan beban) dalam 10-60 menit, 1 kg bubuk terbakar di ruang pengisian senapan artileri selama beberapa seperseribu detik, dan ledakan 1 kg TNT hanya berlangsung 30 -40 seperseratus detik. Energi selama ledakan dilepaskan puluhan juta kali lebih cepat daripada saat pembakaran bahan bakar. Ini menjelaskan kekuatan ledakan yang luar biasa. Namun, lebih tepat untuk menghitung kekuatan ledakan bukan pada waktu ledakan seluruh muatan, tetapi pada saat produk ledakan melebihi tingkat tekanan atmosfer normal, pencapaian tingkat seperti itu sebagai hasil penembakan berkecepatan tinggi dari proses ledakan terjadi dalam beberapa milidetik. Dalam hal ini, kekuatan 1 kg TNT dinyatakan lebih dari 1 MW. Tetapi bahkan dalam kondisi nyata, kekuatan ini tidak dapat sepenuhnya direalisasikan karena durasinya yang singkat, inersia massa material yang ditransfer atau dihancurkan, di mana ia bertindak, serta kerugian akibat pemanasan lingkungan, penggilingan berlebihan dan penyebarannya, menjadi panas residu di produk ledakan setelah ekspansi terakhir mereka dan kerugian kimia yang tak terelakkan. Akibatnya, kerja mekanis yang bermanfaat seringkali tidak melebihi 1-2%, dan ketika meledak dalam medium padat - 8-9% dari energi yang terkandung dalam bahan peledak. Namun, sejumlah besar energi potensial yang terkandung dalam bahan peledak dan bubuk mesiu membuat mereka sangat diperlukan, meskipun penggunaannya tidak lengkap dalam ledakan. Daya tinggi khas untuk bahan peledak dan ketika digunakan untuk melempar proyektil. Kekuatan serbuk muatan tembakan artileri kaliber besar adalah 10 MW.

Yang pertama secara kronologis (akhir abad ke-19) adalah teori termal, yang pendiri adalah pelukis, Le Chatelier dan Nusselt. Dasar dari teori ini adalah hipotesis van't Gough tentang ketergantungan suhu dari laju reaksi kimia. Kondisi untuk ledakan termal adalah dominasi input panas karena energi reaksi terhadap pemindahan panas ke lingkungan. Dalam hal ini, sistem mengakumulasi panas, yang mengarah ke pemanasan sendiri dan, dengan demikian, percepatan reaksi sendiri.

Kejadian dalam sistem reaksi oksidasi yang mudah terbakar paling sering dikaitkan dengan pemanasan sistem oleh satu atau beberapa sumber pengapian lainnya. Ketika sistem bahan bakar dipanaskan, energi dari molekul bahan bakar dan oksigen meningkat dan, ketika mencapai nilai tertentu, mereka diaktifkan, yaitu pusat aktif (radikal dan atom) dengan valensi bebas terbentuk, sebagai akibatnya molekul-molekul zat yang mudah terbakar bergabung dengan oksigen dari udara. A.N. Bach dan C. Engler pada tahun 1898 secara independen mengusulkan teori oksidasi peroksidasi, yang menyatakan bahwa ketika sistem yang mudah terbakar dipanaskan, oksigen diaktifkan dengan memutus satu ikatan antara atom, dan molekul aktif masuk ke dalam senyawa dengan zat yang mudah terbakar, tanpa terurai menjadi atom dan membentuk senyawa peroksida dari jenis: R 1 -OOR 2 atau ROO-OH.

Namun, teori peroksida tidak dapat menjelaskan beberapa fitur karakteristik dari proses oksidasi, misalnya, efek tajam, kadang-kadang jejak pengotor tidak signifikan.

Laju reaksi kimia, m / s, dapat dinyatakan berdasarkan hukum Arrhenius, dengan persamaan berikut:

, (1.12)

di mana laju reaksi konstan (laju reaksi kimia pada konsentrasi reagen dikurangi menjadi satu);

Konsentrasi reagen, mol / m 3;

Koefisien stoikiometrik ditentukan oleh rasio konsentrasi reagen awal dalam persamaan reaksi stoikiometrik;

Dasar logaritma alami;

Konstanta gas universal, = 8,3 J / (mol ∙ K);

  - suhu, K.

Teori termal penyalaan sendiri (juga disebut teori ledakan termal) didasarkan pada perbandingan tingkat pembentukan panas selama oksidasi eksotermik dan penghilangan panas dari campuran reaksi di dinding kapal yang mengandungnya. Kondisi penyalaan diri ditentukan oleh kesetaraan kecepatan ini. Suhu dinding kapal di mana kesetaraan ini dicapai disebut suhu autoignition. Mulai dari suhu ini (karakteristik dalam setiap kasus untuk kondisi spesifik yang diberikan - ukuran dan bentuk kapal, sifat termofisika gas), pemanasan sendiri terjadi, yang dapat menyebabkan lampu kilat (self-ignition).

Dengan mempertimbangkan hal di atas, untuk pemanasan sendiri dalam lingkungan reaktif kita dapat menuliskan:

di mana kapasitas panas pada volume konstan, J / K;

Kepadatan gas, kg / m 3;

Suhu gas, K;

Waktu, s;

Efek panas reaksi, W;

Tingkat reaksi, m / s;

Permukaan bejana reaksi, m 2;

Volume bejana reaksi, m 3;

Koefisien perpindahan panas, W / (m 2 × K);

Suhu dinding kapal, K.

DA Frank-Kamenetsky mengusulkan kriteria untuk pengapian termal, berdasarkan pelanggaran distribusi suhu stasioner dalam kapal jet dengan tingkat pelepasan panas yang cukup:

, (1.14)

di mana ukuran karakteristik kapal, m;

Faktor yang sudah ada sebelumnya;

Konduktivitas termal dari campuran gas, W / (m × K);

Kriteria tak berdimensi 3,3; 0,88 dan 2, masing-masing, untuk kapal bulat, bidang-sejajar dan silinder.

Kriteria D. Frank-Kamenetsky harus dipahami sebagai berikut: jika selama substitusi semua parameter yang menentukan, kita mendapatkan nilai, maka tidak akan ada pengapian, ketika pengapian terjadi. Dari persamaan kriteria berikut bahwa panas reaksi dan jari-jari kapal di mana reaksi berlangsung adalah faktor penentu penting dari suatu ledakan. Ledakan termal dinyatakan lebih cerah, semakin baik kesenjangannya terpenuhi:

Jika ketidaksetaraan ini terpenuhi dengan buruk, maka ledakan termal merosot - bersamaan dengan kenaikan suhu, ada kelelahan yang cepat dari bahan asli, yang mengotori gambar ledakan.

Terjadinya pembakaran paling sering dikaitkan dengan pemanasan sistem yang mudah terbakar oleh satu atau lain sumber pengapian. Menurut teori akademisi N.N. Semenov, proses oksidasi disertai dengan pelepasan panas dan dalam kondisi tertentu dapat mempercepat. Proses percepatan diri dari reaksi oksidasi dengan transisinya ke pembakaran disebut penyalaan sendiri.

Dalam kasus self-ignition termal, hal itu terjadi karena kelebihan dari tingkat pelepasan panas di atas tingkat heat sink.

Pertimbangkan proses pengapian termal misalnya gas yang mudah terbakar atau uap dari cairan yang mudah terbakar dengan udara, ditempatkan di kapal dengan volume. Dengan meningkatnya suhu kapal dan campuran yang mudah terbakar, laju reaksi dan panas akan meningkat. Ketergantungan dari tingkat pelepasan panas pada suhu, J / s ditentukan oleh:

, (1.15)

di mana panasnya pembakaran gas, J;

Volume campuran yang mudah terbakar, m 3;

Tingkat reaksi konstan;

Konsentrasi reaktan, kg / m 3;

Urutan reaksi;

Energi aktivasi, j / mol;

Konstanta gas universal J / (mol · K);

Suhu campuran, K.

Panas yang dilepaskan ditransfer ke campuran yang mudah terbakar, dan memanas. Segera setelah suhu campuran melebihi suhu dinding bejana, penghilangan panas melalui dinding bejana akan dimulai per unit waktu, sebanding dengan perbedaan suhu antara campuran dan dinding bejana dan ditentukan oleh hubungan:

, (1.16)

di mana - tingkat pemindahan panas melalui dinding kapal, j / s;

Koefisien perpindahan panas, J / (K · m 2 × s);

Permukaan dinding kapal, m 2;

Suhu campuran, K;

Temperatur dinding kapal, K

Gambar 1.5 - Ketergantungan pembangkit panas pada suhu pada tekanan yang berbeda

Pada Gambar 1.5, kurva 2, 3, dan 4 menunjukkan ketergantungan generasi panas pada suhu pada tekanan yang berbeda dan komposisi campuran yang sama. Pada bejana konstan dan suhu sedang dan komposisi campuran konstan, jumlah panas yang dikeluarkan dari zona pembakaran ditandai dengan garis lurus 1. Ketika komposisi campuran berubah, laju kehilangan panas dan, akibatnya, kemiringan garis lurus akan berubah. Semakin tinggi tekanan, semakin banyak panas dihasilkan selama reaksi (kurva 4). Dalam kondisi yang ditentukan oleh kurva 2, penyalaan sendiri tidak dapat terjadi, karena kehilangan panas (garis lurus 1) lebih tinggi daripada pembangkit panas pada tekanan ini. Titik garis singgung dari kurva 3 dengan garis lurus sesuai dengan kesetimbangan antara panas yang dilepaskan dan dihilangkan pada - suhu penyalaan otomatis minimum dari sistem yang mudah terbakar yang diberikan dalam kondisi tertentu. Dengan sedikit pasokan energi dari luar, penyalaan sendiri adalah mungkin. Kurva 4 menggambarkan kondisi di mana penyalaan sendiri tidak dapat dihindari, karena panas dilepaskan lebih dari itu dihilangkan.

Menganalisis skema yang diberikan, N.N. Semyonov membentuk ketergantungan:

, (1.17)

di mana tekanan pengapian minimum, Pa;

Suhu minimum penyalaan sendiri, K;

Urutan reaksi;

Konstan, tergantung pada komposisi dan sifat campuran lainnya.

Berdasarkan persamaan ini (1.17), seseorang dapat secara teoritis menentukan terlebih dahulu apakah penyalaan sendiri dari campuran yang mudah terbakar dimungkinkan dalam kondisi khusus ini. Hubungan antara tekanan minimum dan suhu autoignition dikonfirmasi oleh banyak percobaan dan terbukti berharga dalam mempelajari proses pembakaran.

Teori Rantai Pembakaran

Pada awal 1928, N.N.Semenov mengajukan gagasan tentang kemungkinan keberadaan dalam sistem kimia dari dua jenis ledakan - rantai dan termal.

Reaksi berantai adalah reaksi yang melewati serangkaian tahap (melalui serangkaian reaksi antara) di mana senyawa-senyawa antara dengan valensi bebas terbentuk, yang disebut pusat aktif, yang merupakan kuman dari tahap proses selanjutnya yang mengalir cepat.

Konsep reaksi berantai pertama kali muncul pada tahun 1913, ketika seorang ahli kimia fisik Jerman M. Bodenstein menemukan bahwa ketika campuran hidrogen dengan klorin diterangi, molekul klorin, yang menyerap kuantum energi cahaya, terpecah menjadi atom:

.

Atom klorin langsung bereaksi dengan hidrogen, menghasilkan ledakan campuran. Aktivasi satu molekul klorin akan menyebabkan pembentukan dua molekul:

.

Namun, percobaan menunjukkan bahwa ini menghasilkan 100.000 molekul hidrogen klorida. Ini dapat dijelaskan jika diasumsikan bahwa interaksi klorin dengan hidrogen menghasilkan produk yang, ketika masuk ke dalam reaksi sekunder, dihidupkan kembali dan dapat melanjutkan reaksi. Asumsi ini sesuai dengan skema reaksi berikut:

I Reaksi Utama

Sirkuit terbuka IV

Menurut skema ini, aktivasi satu molekul klor (I) menyebabkan munculnya dua atom klor - dua pusat aktif dari reaksi berantai. Setiap atom klor menimbulkan reaksi berantai sendiri, di mana pusat aktif terus menerus dipulihkan (II, III). Jadi, di bawah pengaruh reaksi awal (I), reaksi berurutan terjadi, membentuk rantai (II, III, dll.). Jumlah reaksi seperti itu sejak saat inisiasi rantai hingga putusnya disebut panjang rantai. Rantai dapat pecah pada tabrakan atom klorin (IV) atau atom hidrogen (V) dan pembentukan molekul dari mereka, atau pada tabrakan pusat aktif dengan permukaan padatan. Ini adalah reaksi berantai yang tidak bercabang. Di dalamnya, setiap pusat aktif menyebabkan penampilan hanya satu pusat aktif baru, sehingga reaksi dapat berlanjut, tetapi tidak dipercepat.

Dalam reaksi berantai bercabang, setiap pusat aktif memunculkan dua atau lebih pusat aktif baru.

Menurut teori reaksi berantai, proses oksidasi dimulai dengan aktivasi zat yang mudah terbakar.

Praktek telah menunjukkan bahwa penyalaan dapat terjadi dalam kondisi isotermal, yaitu tanpa menaikkan suhu media reaksi (pengapian campuran "dingin"). Dalam hal ini, mereka berbicara tentang ledakan rantai (isometrik).

Dua komponen awal: bahan bakar dan oksidan, berada dalam keadaan molekul yang relatif stabil, sebelum dikaitkan dengan produk pembakaran baru yang lebih stabil, menjalani seluruh rantai transformasi perantara kompleks, yang menghasilkan pembentukan produk tidak stabil: atom, radikal, molekul tereksitasi dengan relatif besar tingkat ionisasi (formaldehida, hidrokarbon dan radikal hidroklorida, oksigen atom dan hidrogen).

Kondratyevu V.N. Dimungkinkan untuk mendeteksi dalam nyala api berbagai hidrokarbon konsentrasi tinggi atom oksigen (O), radikal asam hidroksi (OH), radikal hidrokarbon (CH3), karbon monoksida (CO), formaldehida (CH2O) dan lain-lain.Konsentrasi zat-zat ini dalam nyala adalah ribuan dan jutaan kali lebih besar daripada konsentrasi kesetimbangannya selama dekomposisi termal pada suhu nyala produk reaksi akhir, misalnya H 2 O → H + OH.

Hasil pengamatan ini mengarah pada kesimpulan bahwa atom dan radikal yang dipertimbangkan muncul dalam gas yang bereaksi bukan karena penguraian akhir produk, tetapi merupakan produk setengah jadi dari reaksi.

Dengan demikian, mekanisme rantai pengapian didasarkan pada seluruh rantai transformasi kimia dari satu substansi ke substansi lain, yang hasilnya adalah pembentukan pada tahap menengah tertentu dari produk yang sangat tidak stabil secara kimia, yang disebut pusat aktif, yang mudah bereaksi satu sama lain dan dengan molekul zat awal terbentuk. Pusat aktif baru dan produk akhir, misalnya, untuk campuran metana-udara dari H 2 O dan CO 2.

Reaktifitas radikal dan atom yang tinggi dijelaskan oleh energi aktivasi yang rendah dari reaksinya, yang dekat dengan energi aktivasi reaksi atom:

OH + H 2 = H 2 O + H - 25 kJ / mol

СН 3 + С 3 Н 6 - 12,5 kJ / mol

CH 3 + C 6 H 6 - 23,5 kJ / mol

H 2 O → H + OH

Setiap partikel aktif yang diperoleh (H atau OH) menjadi sangat tidak stabil dan, karenanya, aktif secara kimiawi, bertabrakan dengan molekul zat asli, terbelah, membentuk partikel aktif baru:

H + O 2 = OH + O

OH + H 2 = H 2 O + H

Partikel yang dihasilkan dari reaksi partikel aktif H dan HE kembali masuk ke dalam reaksi, dan partikel O berinteraksi dengan hidrogen:

O + H 2 = OH + H.

Yaitu, sebagai hasil dari reaksi antara partikel aktif dan molekul bahan awal, tidak hanya produk akhir, tetapi juga partikel aktif baru terbentuk. Partikel aktif yang terbentuk sebagai hasil dari reaksi menimbulkan tahap baru transformasi kimia, yang akan terjadi sebelum konsumsi penuh bahan awal.

Reaksi kimia berulang yang berulang seperti itu disebut reaksi berantai, dan partikel aktif, yang memunculkan rantai transformasi baru, adalah pusat aktif.

Proses rantai pembakaran hidrogen di atas dapat direpresentasikan sebagai diagram (Gambar 1.6).

Gambar 1.6 - Diagram rantai pembakaran hidrogen

Dapat dilihat dari diagram bahwa hanya partikel hidrogen (H), yang merupakan pusat aktif, yang memunculkan rantai transformasi baru. Pada saat yang sama, di setiap mata rantai proses rantai, sebagai hasil dari reaksi antara pusat aktif H dan molekul oksigen O 2, di samping produk akhir H 2 O, 3 pusat aktif H baru terbentuk, sehingga memunculkan rantai transformasi baru.

Reaksi berantai yang terjadi dengan peningkatan pusat aktif disebut bercabang. Reaksi berkembang sebagai longsoran salju dan berlangsung dengan kecepatan sangat tinggi, jauh melebihi kecepatan reaksi molekuler biasa.

Reaksi khas dengan rantai tidak bercabang adalah interaksi klorin dengan hidrogen. Pusat-pusat aktif dari reaksi ini adalah atom klor dan hidrogen bolak-balik. Ketika atom klor bereaksi, satu atom hidrogen terbentuk, sama seperti ketika atom hidrogen bereaksi, satu atom klor terbentuk. Karena itu, reaksi dapat berlanjut, tetapi tidak dipercepat.

Fakta yang terkenal bahwa reaksi fotokimia klorin dengan hidrogen masih berakhir dengan ledakan (penyalaan sendiri) adalah karena fakta bahwa, pada laju reaksi berantai yang cukup tinggi, pelepasan panas melebihi heat sink, akibatnya campuran tersebut sangat panas, dan kondisi yang diperlukan untuk penyalaan sendiri termal muncul.

Ketika reaksi berantai bercabang terjadi, yang merupakan ciri khas hidrokarbon, konsentrasi pusat aktif dapat meningkat terlepas dari kondisi awal inisiasi, dan jika laju pembentukan pusat aktif selama percabangan melebihi tingkat kerusakan rantai, maka terjadi proses seperti-longsoran seperti akselerasi sendiri, yang mengakibatkan pengapian.

Teori reaksi berantai memungkinkan kita untuk menjelaskan banyak fitur dari proses pembakaran (pengaruh kuat dari pengotor, batas penyalaan otomatis oleh tekanan, katalisis dan penghambatan tekanan, dll.), Yang tidak dapat dijelaskan oleh teori termal. Mekanisme terjadinya dan pengembangan kebakaran dan ledakan nyata dicirikan oleh proses termal-rantai gabungan. Dimulai dengan cara berantai, reaksi oksidasi karena eksotermisitasnya terus dipercepat oleh jalur termal. Oleh karena itu, pada akhirnya, kondisi kritis (pembatas) untuk terjadinya dan pengembangan pembakaran akan ditentukan oleh pembangkitan panas dan kondisi pertukaran panas dari sistem yang bereaksi dengan lingkungan.

Banyak proses kimia didasarkan pada reaksi berantai kimia. Proses tersebut meliputi, misalnya, proses polimerisasi yang membentuk dasar produksi karet sintetis, plastik, serat polimer dan banyak produk lainnya. Mereka juga mencakup proses industri yang penting seperti produksi asam lemak sintetis, menggantikan lemak yang dapat dimakan yang sebelumnya digunakan dalam produksi pelumas pembersih, perengkahan - proses memperoleh bahan bakar berkualitas tinggi dari minyak, dll.

Terbakar  - interaksi kimia yang mengalir cepat dari zat yang mudah terbakar dengan zat pengoksidasi, disertai dengan pelepasan sejumlah besar panas dan cahaya terang (nyala api). Pembakaran hanya dimungkinkan jika ada tiga faktor: zat yang mudah terbakar, zat pengoksidasi, sumber panas.

Sumber panas  (Api) dapat menjadi api terbuka, percikan, panas, dipanaskan sebagai akibat dari gesekan (sabuk dalam transmisi sabuk), dampak, tekanan. Sumber panasnya juga bisa berupa listrik (penghangat konduktor, busur), bahan kimia dan energi radiasi matahari.

Agen pengoksidasi  adalah klorin, fluor, brom. Zat pengoksidasi yang paling umum adalah oksigen udara, proses pembakaran akan tergantung pada kandungannya di udara. Jika oksigen di udara lebih dari 14-16%, maka pembakaran mantap diamati. Ketika kandungan oksigen kurang dari 14%, membara diamati, dan ketika kontennya kurang dari 8-10%, membara juga berhenti.

Materi yang mudah terbakar. Mereka dapat berupa gas (amonia, asetilena, hidrogen), cairan (bensin, aseton, alkohol), padatan (batu bara, kayu). Agar padatan atau cairan menyala, perlu untuk memanaskannya hingga suhu dengan bantuan sumber panas sehingga pelepasan uap yang mudah terbakar terjadi dari permukaannya. Ketika konsentrasi tertentu tercapai, uap-uap ini menyala. Gas-gas dalam proses pembakaran tidak mengubah status agregasi mereka.

Ada beberapa jenis pembakaran berikut: 1) flash; 2) pengapian; 3) penyalaan diri; 4) pembakaran spontan; 5) membara; 6) ledakan.

1. Flash  disebut pembakaran sesaat dari campuran oksigen udara dengan uap, gas, debu, tidak disertai dengan pembentukan gas terkompresi. Titik nyala adalah suhu terendah dari bahan yang mudah terbakar, di mana uap atau gas terbentuk di atas permukaannya, mampu berkedip dari sumber penyalaan, tetapi untuk pembakaran stabil berikutnya laju pembentukannya tidak mencukupi.

Tergantung pada besarnya suhu ini, cairan yang mudah terbakar dibagi menjadi:

a) mudah terbakar (cairan yang mudah terbakar - bensin, aseton, alkohol) - tf ≤ + 45 ° C;

b) cairan yang mudah terbakar (GZh - minyak, bahan bakar diesel, minyak bakar) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. Pengapian  disebut pembakaran berkelanjutan berkelanjutan suatu zat dari sumber panas. Suhu minimum bahan yang mudah terbakar yang menyala dari sumber penyulut dan terus menyala setelah dilepaskan disebut suhu penyalaan. Ini lebih tinggi dari titik nyala.

Konsentrasi zat yang mudah terbakar di udara, yang memungkinkan pengapian atau ledakan, berada dalam batas tertentu: CWP bawah dan ERW atas. Peradangan campuran yang mudah terbakar tidak dimungkinkan pada konsentrasi yang lebih rendah dari CEL (tidak cukup molekul yang mudah terbakar dalam campuran) dan ERW lebih tinggi (tidak cukup molekul oksigen dalam campuran). Semakin besar perbedaan antara ERW dan CWP, semakin berbahaya zat tersebut. Nilai-nilai parameter ini dapat menurun, misalnya, dengan peningkatan kadar air campuran debu-udara (PLN), misalnya, campuran udara dengan gula, tepung, debu batu bara.

Mari kita berikan contoh nilai NVP dan SVV untuk sejumlah gas dan uap cairan:

Asetilena 3,5-82%;

Gas alam 3,8-19,2%;

Bensin 1-6%;

Karbon monoksida 12,8-75%.

3.Menyala sendiri- proses penyalaan bahan dari sumber eksternal (nyala api, benda panas atau benda panas) tanpa kontak langsung dengannya pada suhu penyalaan. Suhu ini akan menurun dengan meningkatnya tekanan dan untuk sebagian besar gas yang mudah terbakar berada pada kisaran 400-700 ° C, untuk kayu - 340-400 ° C; batubara - 400-500 ° C. Contoh penyalaan sendiri: pemanasan dan penyalaan kayu, kertas, yang terletak di dekat nyala api terbuka (tanpa kontak dengannya) atau benda panas (bara, spiral terbuka pemanas).

4. Pembakaran spontan  zat terjadi sebagai akibat reaksi fisik, kimia, dan biologis yang terjadi pada zat (bahan) itu sendiri, yang mengarah pada pembakaran tanpa adanya sumber penyalaan.

Ketika disimpan dalam jumlah besar biji-bijian basah, jerami, jerami, dan ventilasi yang tidak memadai dalam bahan-bahan ini, proses biokimia (peluruhan) terjadi dengan pelepasan panas. Suhu bahan-bahan ini meningkat, massa besar (rick, stack) mencegah penyebaran panas yang dihasilkan ke lingkungan, yang menyebabkan kebakaran. Bahan-bahan tersebut harus dikeringkan dengan baik sebelum disimpan. Kontak jaringan (overall, bahan pembersih) yang mengandung noda minyak dan terlipat dalam tumpukan tanpa ventilasi juga akan terbakar secara spontan. Karena itu, pakaian kerja harus digantung sedemikian rupa untuk memastikan akses udara bebas, dan minyak harus segera dikeluarkan dari area kerja.

Bergantung pada laju reaksi, proses pembakaran berlangsung sebagai korupsi  (kecepatan beberapa cm / s), sebenarnya terbakar  (beberapa m / s) dan ledakan  (beberapa ratus m / s).

5. Ledakan- perubahan mendadak dalam keadaan fisik dan kimia suatu zat di bawah pengaruh suhu tinggi, tekanan, reagen kimia. Dengan ledakan, volume gas dan uap yang dihasilkan meningkat secara dramatis, sejumlah besar energi dilepaskan, yang dalam bentuk gelombang kejut mampu melakukan pekerjaan mekanis (untuk menghancurkan bangunan, struktur, melukai orang).

Pembakaran material mungkin lengkap atau tidak lengkap. Selama pembakaran sempurna (kelebihan oksigen) terbentuk produk yang tidak mudah terbakar (CO 2 dan H 2 O). Dalam kasus pembakaran tidak sempurna (kekurangan O 2), terbentuk produk-produk oksidasi tidak lengkap (CO, alkohol, asam). Mereka beracun dan mudah meledak. Oleh karena itu, ketika mengatur proses pembakaran bahan bakar (dalam boiler, kompor), perlu untuk memastikan jumlah oksigen yang cukup dalam tungku.

1. Konsep dasar teori pembakaran.

1. Fitur proses pembakaran.

Pembakaran adalah proses fisikokimia yang kompleks selama transformasi kimia

schenie disertai dengan pelepasan energi (terutama dalam bentuk panas dan radiasi)

dan perpindahan panas dan massa dengan lingkungan.

Dasar dari proses pembakaran adalah reaksi kimia yang dapat dilanjutkan dengan a

akselerasi. Alasan akselerasi diri dapat:

1. Akumulasi panas dalam sistem - akselerasi termal

2. Akumulasi partikel aktif - akselerasi rantai diri

3. Autokatalisis adalah percepatan reaksi dengan produk-produknya.

Dalam banyak kasus, proses pembakaran yang penting secara praktis hanya mematuhi fisik

karena fakta bahwa pada suhu tinggi, transformasi kimia dapat berlangsung dengan kecepatan tinggi dan proses kimiawi tunduk pada hukum fisik semata, seperti perpindahan panas dan difusi, dan diatur oleh mereka. Ini berarti suatu reaksi kimia yang dapat dilanjutkan dengan laju yang tinggi

memiliki kecepatan terbatas dan mematuhi hukum satu atau yang lain

fenomena zic.

Fitur utama dari proses pembakaran adalah kondisi akselerasi diri

reaksi kimia dibuat dengan sendirinya. Dalam cybernetics, fenomena ini disebut umpan balik positif, yaitu, dengan perubahan kecil dalam kondisi eksternal, dimungkinkan untuk beralih dari mode reaksi diam dengan kecepatan rendah ke mode, ke

di mana laju reaksi meningkat secara eksponensial. Fenomena seperti perubahan tajam dalam mode reaksi dengan perubahan kecil dalam kondisi eksternal disebut

adalah fenomena kritisdan kondisi di mana mereka diamati disebut

kondisi kritis.

Fenomena kritis meliputi:

1. Menyala sendiri

2. Pengapian

3. Batas konsentrasi perambatan nyala.

Fenomena kritis terjadi bukan dari fakta bahwa hukum-hukum alam secara drastis berubah, tetapi

adalah konsekuensi dari ketidakseimbangan antara sistem bereaksi dan lingkungan

lingkungan.

Kondisi penyalaan diri adalah ketidakmungkinan termal atau difusi sama

kondisi lingkungan, kondisi pengapian adalah ketidakseimbangan dalam kondisi awal yang diberikan.

Fitur kedua dari proses pembakaran adalah kemampuannya untuk menyebar

di luar angkasa. Dalam mode termal pembakaran, perbanyakan terjadi melalui perpindahan panas, dalam kasus rantai atau autokatalitik - melalui difusi partikel aktif.

2. Jenis dan mode pembakaran.

1. Menurut kondisi keseluruhan peserta:

a. Sistem gas pembakaran - pembakaran homogen

b. Pembakaran padat dan cair (sistem padat-cair dan sistem gas padat) - pembakaran heterogen

c. Pembakaran sistem kondensasi (sistem padat-cair,

cair - cair, padat - cair).

2. Menurut kecepatan perambatan proses:

a. Pembakaran deflagrasi - perambatan proses yang lambat (dengan konduksi panas atau difusi)

b. Pembakaran detonasi - penyebaran proses yang cepat (dengan

kekuatan gelombang kejut).

3. Dengan kondisi aerodinamis:

a. Pembakaran laminar adalah api depan yang halus.

b. Pembakaran turbulen adalah api depan yang sangat melengkung.

Contoh berbagai jenis pembakaran pada keadaan agregat peserta:

Pembakaran homogen:

Pembakaran organik dalam oksigen

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2 O (uap)

Pembakaran dengan adanya gas pengoksidasi lainnya

H2 (g) + Cl2 (g) = 2HCl (g)

Dekomposisi zat yang tidak stabil (ozon)

2O3 (g) = 3O2 (g)

Pembakaran heterogen:

Pembakaran hidrazin cair:

N2 H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H2 O (uap)

Pembakaran karbon:

C (TV) + O2 (g.) = CO2 (g.)

Dekomposisi zat yang tidak stabil (asetilena)

C2 H2 (g) = 2C (s.) + H2 (g)

Pembakaran sistem pembakaran:

KClO3 (sv.) + Al (sv.) = KCl (sv.) + Al2O3 (sv.) 2NH4 NO3 (sv.) = 2N2 (g) + 4H2 O (uap) + O2 (g)

3. Termodinamika proses pembakaran. Keseimbangan panas.

Temperatur pembakaran: Merupakan kebiasaan untuk mengkarakterisasi proses pembakaran dengan empat temperatur

pembakaran peruraty

campuran dengan suhu awal T 0 273K tanpa memperhitungkan pertukaran panas dengan

lingkungan.

3. Adiabatic Tg ad - ditentukan oleh panas pembakaran campuran komposisi yang berubah-ubah tanpa memperhitungkan pertukaran panas dengan lingkungan.

4. Tindakan Tg aktual adalah suhu yang sebenarnya diamati (diukur) dari

Rasio antara berbagai definisi suhu pembakaran

Keseimbangan panas dari proses pembakaran didasarkan pada penentuan panas yang diserap

membakar produk. Persamaan keseimbangan panas memiliki bentuk:

dimana Q PG adalah panas yang diserap oleh produk pembakaran, Qp adalah panas dari reaksi kimia,

Q ex adalah panas yang diterima dari sumber eksternal, Q sweat adalah kehilangan panas.

terbakar. Hampir pemisahan produk pembakaran memberikan kontribusi yang signifikan hanya pada suhu di atas 20.000 C.

Ada nilai kalor yang lebih tinggi dan lebih rendah. Dalam kasus pertama, air, sebagai produk pembakaran, diambil dalam bentuk cair, dalam kasus kedua, dalam bentuk uap. Karena jumlah kamu

panas yang dibagi tergantung pada jumlah zat yang terbakar, suhu molar

rakit dan panas pembakaran khusus. Yaitu panas yang dilepaskan saat pembakaran 1

mol atau kilogram material yang mudah terbakar.

Untuk menghitung panas pembakaran spesifik (dalam kJ / kg), rumus D.I sering digunakan.

Mendeleev

di mana X adalah isi elemen dalam komposisi bahan bakar dalam% (massa.), W - kelembaban.

Pendekatan umum untuk menghitung panas reaksi didasarkan pada termodinamika kimia

dilakukan oleh sistem. Kemudian dari hukum termodinamika pertama (hukum konservasi energi)

dalam proses isobarik p = const, integrasi (1.7) dan transformasi sederhana memberi

Dari (1.8) dan (1.10) berikut bahwa dalam proses isochoric dan isobar panas memperoleh sifat-sifat fungsi negara, yaitu tidak tergantung pada jalur proses. Ketentuan ini disebut hukum GI Hess. Keadaan awal dan akhir bahan kimia

stok adalah bahan awal dan produk reaksi. Entalpi zat sederhana,

stabil dalam kondisi standar (298K dan 0,10113 MPa) diasumsikan nol. Untuk zat kompleks, perubahan entalpi dipertimbangkan ketika mereka dibentuk dari unsur-unsur.

eksotermik (menghasilkan panas).

4. Kapasitas panas. Ketergantungan efek termal dari reaksi terhadap suhu

Kapasitas panas - disebut jumlah panas yang diperlukan untuk memanaskan unit

massa zat adalah 1 K. Membedakan kapasitas termal imolar spesifik, yaitu jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 kg. Atau 1 mol zat per 1 K.

Kapasitas panas molar yang sebenarnya ditentukan sebagai berikut.

C (1.12) dT

di mana C adalah kapasitas panas molar, mol K.

Untuk kapasitas panas pada volume dan tekanan konstan (isochoric dan isobaric) dengan

mengingat (1,8) dan (1,10) kita dapatkan

Pertimbangkan ketergantungan panas proses pada suhu pada volume atau tekanan konstan. Mempertimbangkan persamaan (1.13) yang kita dapatkan

Persamaan (1,14) disebut persamaan Kirchhoff.

Perubahan kapasitas panas selama reaksi ditentukan oleh ekspresi

yaitu perbedaan antara jumlah kapasitas panas dari produk reaksi dan bahan awal.

Dari persamaan (1.14) dapat disimpulkan bahwa jika perubahan kapasitas panas selama reaksi adalah

masuk akal (mis., Kapasitas panas produk kurang dari kapasitas panas bahan awal) dan kemudian efek termal dari reaksi menjadi lebih negatif, reaksi menjadi lebih efisien.

zothermic

kondisi panah dihitung oleh (1,11).

Kapasitas panas zat nyata dengan cara yang kompleks tergantung pada suhu

Energi molekuler dari pembakaran

Sebagian besar proses pembakaran mudah terbakar, mengandung hidrogen dan karbon, dengan oksigen dari udara.

Sebelum melanjutkan ke pertimbangan fondasi fisik dan matematis dari teori pembakaran, mari kita coba memahami pada tingkat molekuler dari mana energi pembakaran berasal, dari pelepasan yang bergantung pada segalanya: pemanasan gas, penampakan pusat-pusat kimia aktif di dalamnya, dll.

Mari kita lihat apa yang paling panas dari reaksi utama menggabungkan karbon dan hidrogen dengan oksigen dari udara.

Kami menulis sesuai dengan tabel data. 3.1 keseimbangan energi dari reaksi oksidasi karbon padat berturut-turut, misalnya grafit:

Jadi, dalam reaksi total oksidasi karbon padat, 386 kJ / mol dilepaskan:

Ukurannya dekat dan energinya dilepaskan dengan menggabungkan hidrogen dengan oksigen:

Molekul CO mungkin yang paling tahan lama, energi ikatnya adalah 1016 kJ / mol. (Kekuatan selanjutnya adalah molekul N2 dengan energi ikatan 892 kJ / mol. Ada tiga pasang elektron pengikat di kedua molekul, dalam bahasa kimia ada tiga ikatan valensi. Dalam molekul CO, pertama elektron berpindah dari O ke C, lalu O + dan C- menjadi mirip dengan atom nitrogen; ini dikonfirmasi oleh adanya momen dipol dalam molekul CO.) Dalam molekul CO2, ikatan atom oksigen kedua lebih lemah: menurut Tabel. 3.1

Energi pengikat oksigen dalam senyawa ini sebanding dengan energi pengikatan molekul oksigen asli. Jadi sebagai

maka hanya 240 kJ / mol per atom oksigen. Dalam energi pengikatan molekul oksigen yang rendah, alasan untuk aktivitas kimianya dan alasan untuk menggunakan oksidasi sebagai sumber energi.

Energi pengikat atom karbon dalam kisi kristal grafit (serta berlian dan karbon amorf) sangat tinggi. Energi reaksi C yang relatif kecil + 0,5O2 = = CO + 98 kJ / mol adalah perbedaan dua jumlah yang sangat besar: seseorang harus mengurangi setengah energi celah O2 per atom dari energi ikatan CO (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) ) dan kurangi panas penguapan atom karbon. Sebenarnya, panas penguapan yang sama dengan 671 kJ / mol juga ditentukan. Ini juga merupakan jumlah yang sangat besar.

Konversi karbon padat dan gas hidrogen menjadi bahan bakar hidrokarbon terjadi dengan sedikit perubahan energi. Di sisi lain, ketika oksigen dimasukkan ke dalam molekul organik tina alkohol, aldehida dan keton, asam organik, karbohidrat, hampir sama banyaknya energi yang dilepaskan ketika dilepaskan selama pembakaran sempurna (menjadi CO2 dan H2O), secara alami, dengan konsumsi jumlah oksigen yang sama. Oleh karena itu, dapat diperkirakan bahwa dengan pembakaran sempurna dari setiap bahan bakar organik, 419-500 kJ / mol oksigen yang dikonsumsi dilepaskan. Satu-satunya pengecualian adalah beberapa senyawa endotermik yang kaya energi, seperti asetilena dan dicyan, misalnya, panas pembakarannya lebih besar.

Pembakaran yang tidak lengkap secara energi tidak menguntungkan tidak hanya dalam perhitungan molekul bahan bakar, tetapi juga pada molekul oksigen bekas. Dalam reaksi 2Q (s) + O2 = 2CO, hanya 210 kJ / mol yang dilepaskan bukannya 466 ketika hidrogen dibakar dan 526 ketika CO dibakar.

Ikatan kuat atom C dalam karbon padat mengarah pada fakta bahwa karbon tidak menguap. Karbon meninggalkan keadaan padat hanya dengan oksigen dalam bentuk CO atau CO2.

Dalam kasus pembakaran tidak sempurna dan suhu rendah, reaksi 2СО = СO2 + С (tv)) + 41 kJ / mol menguntungkan secara energetik hanya berkenaan dengan karbon padat. Saat menghitung atom karbon bebas, reaksi yang sesuai 2CO = СO2 + С - 129 kJ / mol memiliki penghalang energi yang besar. Oleh karena itu, jelaga dan jelaga selama pembakaran terbentuk hanya dari dekomposisi molekul organik yang memiliki kerangka karbon, tetapi bukan dari CO.

Kami sekarang beralih ke reaksi oksidasi yang melibatkan nitrogen.

Molekul nitrogen N2 sangat kuat - energi disosiasi adalah 226 kJ / mol. Oleh karena itu, reaksi mengubah N2 dan O2 menjadi 2NO adalah endotermik, dan untuk alasan termodinamika, hanya dapat terjadi pada suhu tinggi.

Pembentukan oksida yang lebih tinggi (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) dari nitrogen dan oksigen berlangsung dengan hampir tidak ada perubahan energi (dibandingkan dengan energi pengikat N2 dan O2). Oleh karena itu, dari sudut pandang energi, oksigen yang dikemas dalam senyawa dengan nitrogen (CH3-ONO2 - nitro ester, CH3 (CeH2) (NO2) 3 - trinitrotoluene) hampir setara dengan gas oksigen. Oksigen terintegrasi ke dalam molekul organik, tetapi terikat pada nitrogen, memungkinkan untuk membuat zat yang memancarkan banyak energi ketika molekul disusun kembali untuk membentuk N2 dan oksigen ditransfer ke molekul CO2 dan H2O. Untuk alasan ini, senyawa di mana oksigen terikat pada nitrogen (serta klorin, dalam kelompok Ю3 dan СlO4) digunakan sebagai bubuk dan bahan peledak.

Ini adalah ide umum tentang energi molekuler dari pembakaran.