Degšanas procesu ķīmija. Sprādziena enerģija

Sprādziena enerģija

Sprāgstvielu galvenās priekšrocības salīdzinājumā ar citiem enerģijas avotiem ir kompaktums, transportējamība un fakts, ka enerģijas izdalīšanās var notikt īsā laikā, kas ļauj attīstīt milzīgu jaudu. Tātad, kad sfērisks lādiņš sver 1 kg un blīvums ir 1,65 g / cm3, kas ir izgatavots no spēcīga sprādzienbīstama heksogēna, izgaismojas (ierosināts) centrā, sprādzienbīstamas transformācijas ātrums caur vielu (detonācija) ir 8300 m / s. Ceļš r  (uzlādes rādiuss), kas iziet detonāciju, tiek noteikts pēc vienlīdzības

kur Gup -  masas un lādiņa blīvums.

Procesa īstenošanas laiks - τ = r / D (D  - detonācijas ātrums).

Jauda N  (kJ / e), kas izstrādāts sprādziena laikā, var novērtēt, zinot atbrīvotā siltuma daudzumu q  ar 1 kg RDX sprādzienbīstamību:

RDX q  = 5420 kJ / kg. Aprēķinātā jauda ir pārvērtēta, jo nav ņemts vērā laiks, kurā augošās gāzes veic darbu. Jāatzīmē, ka tas pārsniedz lielāko spēkstaciju jaudu pasaulē. Tiek aicinātas sprāgstvielas, kas spēj tik strauji pārveidoties spridzināšana.

Spridzināšanas sprāgstvielas izdala sprāgstvielas, kurām praktiski nav neatkarīgas lietošanas un kuras izmanto tikai sprāgstvielu sagatavošanai. Spridzināšanas līdzekļi (spridzināšanas vāciņi, sprādzienbīstamas kasetnes, drošinātāji, detonējošās auklas utt.) Ir apvienoti īpašā apakšgrupā. Sprāgstvielu, šaujampulvera un sprāgstvielu spridzināšana veido sprāgstvielu materiālu grupu. Gan detonācijas laikā, gan sadedzināšanas laikā degšanas laikā tiek izvirzīti papildu nosacījumi sprāgstvielu pārvēršanai gāzēs: šaujamieročiem - stabila degšana dažādos spiedienos, spridzināšanas sprāgstvielām - ārkārtīgi augsts transformācijas daudzums pēc vielas.

Tomēr sprāgstvielas spēj ne tikai ātri pārveidoties. Ja aizdedzināt nelielu daudzumu sprāgstvielu ar parastiem līdzekļiem un ļaujiet tai sadedzināt atmosfēras apstākļos, netraucējot gāzu izplūdi, sadegšana notiek lēni un mierīgi. Uz to balstās nelietojamo sprāgstvielu iznīcināšanas metode ar kvalificētu izpildi, tā ir diezgan droša un ērta. Nepareizas sadegšanas gadījumā var rasties apstākļi, kad sadegšana spontāni kļūs detonācija, straujāk pārveidojot sprāgstvielas gāzēs.

Kas ir sprādziens? Sprādziens attiecas uz vielas fizikālo vai ķīmisko pārveidi, kurā tās enerģija ātri nonāk vielas pašas kompresijas un kustības enerģijā vai tās pārveidošanās produktos un vidē.  Sprādziena enerģija var būt atšķirīga. Ķīmisko, elektrisko, kodolenerģiju, termoelektrisko, termisko, kinētisko enerģiju, elastīgo kompresijas enerģiju var atbrīvot ar sprādzienbīstamiem procesiem. Piemēram, elektriskā dzirksteles metode materiālu iznīcināšanai tiek izmantoti mikroeksplozi, kuru enerģijas avots ir elektriskā izlāde, un enerģijas nesējs ir iztvaikošanas un sadalīšanās produkti, vai vienkārši karsējot vidi, kurā notiek izlāde. Sprādziens, ko izraisa saspiestu gāzes balonu, tvaika katlu, augstspiediena tvertņu iznīcināšana, var turpināties arī lielā ātrumā un radīt nopietnu kaitējumu apkārtējai telpai.

Tomēr galvenā nozīme ir potenciālās ķīmiskās enerģijas izmantošanai, kas daudzās vielās noteiktos apstākļos (ķīmiskās reakcijas rezultātā) var ātri nonākt saspiestu gāzu enerģijā. Vielas, kas spēj šādas transformācijas, sauc par sprāgstvielām, un sprādzienbīstamību. Nākotnē, sprādziena laikā, bez īpašām atrunām, mēs sapratīsim tikai ķīmisko sprādzienu, un visi izskatītie procesi ir saistīti ar procesiem, kas notiek ķīmiskās sprādziena laikā.

Sprādzienu var raksturot ar atbrīvoto enerģijas daudzumu. Tā kā šo procesu dažkārt nosaka aprīkojuma parametri (piemēram, pneimatiskajiem radiatoriem - pēc kameras tilpuma un saspiesta gaisa spiediena), jāspēj noteikt tās enerģiju. Pneimatiskajam radiatoram tas ir vienāds ar PV /(k  - 1), kur R  - saspiestās gāzes spiediens; V -  kameras tilpums; k -  korekcijas koeficients (gaisam k  = 1.4), elektriskā izlādes radiators - UC2/2,   kur Ar  - jauda U - spriedze. Ķīmisko sprāgstvielu enerģiju visbiežāk nosaka sprādziena siltums kilodžoulos uz kilogramu. Protams, avotu salīdzināšana ietver enerģijas nodošanu no vienas vienības uz citu (kalorijas džouliem utt.).

Saistībā ar sprādziena izskatīšanu, ļaujiet mums pieskarties procesam, kas zināmā mērā pretrunā ar to, impulss, ko sāk izmantot tehnoloģijā. Ar sprādzienbīstamo lādiņu eksploziju, enerģijas līmenis ļauj gāzēm, pateicoties paplašināšanās darbam ārējā vidē. Impulsa laikā avota apkārtējās vides vielai ir augstāks spiediens nekā pašam avotam, un, atdalot šķērsgriezuma šķērsli, ir iespējams iekļūt avota iekšpusē. Šāds process var izraisīt viļņu traucējumus. Vienkāršākais impulsa piemērs ir elektriskās spuldzes spuldze (tā ir evakuēta), kas sadalīta gaisā. Jo augstāks ir barotnes spiediens, jo vairāk enerģijas var atbrīvoties, kad dobums sabrūk. Dziļās akās tas kļūst nozīmīgs pat mazās dobumos. Līdzīga parādība vērojama arī zemūdens sprādziena laikā, kad pārplūstošie sprādziena produkti sabrūk hidrostatiskā spiediena ietekmē. Seismiskā gadījumā tas tiek reģistrēts kā otrs sprādziena efekts, kas radies rezervuārā, un tajā ir pietiekams dziļums.

Ķīmiskā sprādziens  - vielas, kas notiek ar lielu ātrumu, siltuma radīšana un gāzes saspiešana, kas saspiesta līdz augstam spiedienam, pašpavairojoša ķīmiskā pārveide. Detonācija ir īpašs gadījums, kad konkrētajai vielai tiek veikts pastāvīgs maksimālais ātrums.

Pirmkārt, ir jānovērtē sprādziena laikā izdalītā enerģija (siltuma daudzums). Reakcijas ir divu veidu - ar siltuma atbrīvošanu (eksotermisks) un absorbciju (endotermisks). Molekulu veidošanās siltums - savienojumi no atomiem (pēdējās veidošanās siltums ir nulle) - var būt gan negatīvi (nepieciešams veidot papildu enerģiju no elementiem), gan pozitīvi. Siltuma izdalīšanos no sprāgstvielām parasti izraisa reakcija starp degošiem komponentiem un oksidētāju (skābekli), kas ir tā daļa. Ja sprāgstviela ir atsevišķs ķīmisks savienojums, tad tās būs dažādas grupas molekulā, ja tās ir sajauktas, tās ir dažādas vielas, kas veido maisījumu. To attiecība nosaka vielas skābekļa līdzsvaru. Ja skābekli nepietiek, lai pilnīgi oksidētu sprāgstvielas degošo komponentu, atlikums ir negatīvs. Vielās ar pozitīvu skābekļa līdzsvaru daļa skābekļa, kas atrodas sprādzienā, paliek neizmantota un ir neproduktīvi zaudēta. Kompozītu sprāgstvielu īpašības var mainīt, izvēloties piemērotus oksidētājus un uzliesmojošus.

Skābekļa līdzsvaru definē kā skābekļa trūkumu vai pārsniegumu (gramos), kas nepieciešama oksidācijai, vai 100 g sprāgstvielas, kas paliek oksidācijas laikā. Tetranitrometa C (ΝO2) 4 gadījumā tas ir vienāds ar +49, amonija nitrāts ΝH4ΝΟ3 - +20, trotils C7H5N3O6 - -74, heksogēns (СH2N2) 3 - -21,6. Maksimālais negatīvais skābekļa līdzsvars pēc definīcijas ir ūdeņraža (-794), maksimālais pozitīvais skābekļa līmenis (+100).

Sprāgstvielu ar negatīvu skābekļa bilanci piemērs ir trotils, kas ir plaši sprāgstviela. Tās ķīmiskais nosaukums ir trinitrotoluēns, nosaukumi tol, TNT. Kā redzams no strukturālās formulas, degošie komponenti - ūdeņraža un oglekļa atomi un oksidētājs - ir skābeklis, kas ir daļa no nitrogrupas (NO2), TNT molekulā vēl nav savstarpēji savienoti:

Pamatojoties uz vielas formulu, jūs varat norādīt, kādā virzienā reakcija turpināsies, kādus produktus var veidot šajā gadījumā. Attiecībā uz TNT sprādzienbīstamības reakcija ir šāda:

Produktu sastāvs ir atkarīgs no sprādziena apstākļiem un to galīgā stāvokļa (izplešanās pakāpe). Daudzas sprāgstvielas ir pirmās, kas realizē reakcijas, ko raksturo maksimālā enerģijas izdalīšanās. Tādējādi vielā ar formulu CaH4McOd, ar salīdzinoši nelielu skābekļa trūkumu [ d< (2a + b / 2)] pirmkārt, ūdeņradis reaģē ar skābekli kā visizdevīgāko, jo H2O veidošanās laikā tiek atbrīvota 255 kJ uz vienu skābekļa vienību un CO2 veidošanās laikā 187 kJ / CO2 (CO2 veidošanās siltums ir 379 kJ / mol).

Par maksimālās darbības principu tiek saukta pieeja sprāgstvielu transformācijas siltuma aprēķināšanai, kurā tiek reģistrēti iespējamie reakcijas produkti, kuru veidošanās nodrošina tā maksimālo termisko efektu. Aprēķins zināmā mērā idealizē procesu un dod vislielāko precizitāti sistēmām ar pozitīvu vai nedaudz negatīvu skābekļa līdzsvaru. Faktiski sprādzienbīstamības produktu sastāvs parasti neatbilst šim aprēķinam. Pēdējais ir saistīts ar to, ka mijiedarbība turpinās kādu laiku pēc sprādziena, un tiek konstatēts līdzsvars starp reakcijas produktiem, kam ir gan pozitīva, gan negatīva termiskā ietekme. Pēdējie piemēri ir reakcijas

Lai aprēķinātu aptuvenas sistēmas ar negatīvu skābekļa līdzsvaru, varat izmantot Le Chatelier metodi, pamatojoties uz maksimālā tilpuma principu, un, ja tilpumi ir vienādi, tad reakcijai ar lielu siltuma izdalījumu ir prioritāte. Šī metode ir visvairāk derīga, lai noteiktu sprādzienbīstamības produktu galīgo stāvokli. Galvenā reakcija ir oglekļa oksidēšana līdz CO. Ja skābeklis ir nepietiekami eksponēts, tas tiek vienlīdz iztērēts CO un H2 papildu oksidācijai. RDX sadalīšanās reakcija šajā gadījumā ir rakstīta kā:

Precīzāk aprēķina sprādzienbīstamības produktu sastāvu, ņemot vērā reakciju kinētiku un apstākļus. Šo aprēķinu precizitāte ne vienmēr ir pietiekama, jo trūkst ticamas informācijas par vielas stāvokli augstā temperatūrā un spiedienā. Eksperimentāli tiek iegūti arī dati par sprādziena produktu siltumu un sastāvu, kuriem ir izstrādātas un veiksmīgi izmantotas īpašas sprādziena izpētes metodes.

Kā jau minēts, sprādzienbīstamību raksturo sprāgstvielu sprādzienbīstamības siltums. Zinot sprādziena prekursoru un produktu veidošanās siltumu un izmantojot Hessas likumu (procesa termiskais efekts nav atkarīgs no transformācijas ceļa, bet vielu sākotnējā un galīgā stāvoklī), mēs varam aprēķināt siltumu un citus sprādziena parametrus. Šādi aprēķini var notikt arī ģeofizikas inženiera praksē, jo tiek izmantoti jaukti sprāgstvielas un šaujampulveri, un tos izmantos arvien lielākos daudzumos.

Veiciet lētu sprādzienbīstamu Idanit tipa maisījuma aprēķinu no granulēta amonija nitrāta ar šķidro degvielu. Lai atvieglotu aprēķinu, izmantoto naftas produktu vietā - saules eļļa vai petroleja, kas ir vielu maisījums - ņem benzolu (C6H6). Apsveriet gadījumu, kad sprāgstvielu maisījumu nosaka, norādot sastāvdaļas un skābekļa līdzsvaru. Ļaujiet ņemt vērā, ka benzola un amonija nitrāta maisījumam jābūt ar skābekļa līdzsvaru -10, pretējā gadījumā tai trūkst 10 g skābekļa, lai pilnībā oksidētu 100 g maisījuma. Vispirms mēs noteiksim, kādam sastāvam maisījumam jābūt, lai izpildītu uzdevumu.

Lai vienkāršotu risinājumu, iedomāsimies, ka mūsu sprāgstvielas, kā tas bija, sastāv no divām daļām - viena no sastāvdaļām (šajā gadījumā degviela, jo atlikums ir negatīvs), ko ņem tādā daudzumā, kas nodrošina vēlamo līdzsvaru, un noteiktu vielu, kuru skābekļa bilance ir nulle, maisījums (dažreiz sauc par stehiometriski). Ja pievienosim šādu maisījumu aprēķinātajam degvielas daudzumam, kopējais svars sasniedzot 100 g, mēs iegūsim kompozīciju ar noteiktu skābekļa līdzsvaru.

Konsekventi veikt aprēķinus.

Par benzola molekulas oksidāciju (tā molekulmasa ir 78)

būs nepieciešami 15 skābekļa atomi. Attiecīgi benzola daudzums x1, kura oksidēšana prasa 10 g skābekļa, iegūstam no proporcijas "benzols - skābeklis ir nepieciešams":

Pievienojot šo daudzumu (100 - x1) g nulles skābekļa bilances maisījums, mēs iegūstam konkrēta sastāva maisījumu.

Pievērsīsimies komponentu satura aprēķināšanai 96,75 g stehiometriskā maisījumā. Nosaka skābekļa pārpalikumu oksidatorā. Sālsūdens sadalās un izdala skābekli:

turklāt 80 g oksidētāja (amonija nitrāta molekulmasa 80) atbrīvos 16 g skābekļa. Reakcija starp benzolu un amonija nitrātu maisījumā ar nulles skābekļa bilanci ir rakstīta kā

Tad mēs saņemam proporciju:

Tāpēc 96,75 g maisījuma būs 5,85 g benzola un 90,85 g amonija nitrāta. Tādējādi maisījuma galīgais sastāvs ar noteiktu skābekļa līdzsvaru un sprādzienbīstamu produktu sastāvu, kas aprēķināts saskaņā ar maksimālās darbības principu, būs:

Neizmantojot aprēķinu, bija iespējams nekavējoties reģistrēt brīvā oglekļa saturu sprādzienbīstamības produktos, jo tieši tā klātbūtne noteiks maisījuma negatīvo skābekļa līdzsvaru. Tā kā 12 g oglekļa pilnīga oksidēšana prasa 32 g skābekļa, 10 g skābekļa var oksidēt g oglekli vai oglekļa daļu. Šie apsvērumi ir labi, lai pārbaudītu veikto aprēķinu pareizību.

Lai sagatavotu šādu maisījumu, ir ļoti vienkārši: pareizais nitrātu daudzums ir jāsamaisa ar benzolu. Ņemot vērā sākotnējās sastāvdaļas un zinot sprādzienbīstamības produktu sastāvu, ir viegli aprēķināt sistēmas eksplozijas siltumu. Sprādziena sākotnējo komponentu un produktu veidošanās siltums ir atrodams attiecīgajos katalogos. Tātad 1 mols benzola ir (kJ / mol) -39,1, amonija nitrāts - +410,8, CO2 - +444,2, H2O - +271,7.

Sprādziena termiskā iedarbība Qx problēma problēmu var noteikt no vienādojuma

(4.29)

Tas būs 374 kJ / 100 g maisījuma vai 3740 kJ / kg.

Izveidoto gāzveida produktu tilpumu (litros) var aprēķināt no reakcijas vienādojuma, reizinot gāzes molu skaitu ar 22,4 (gramu molekulas tilpums). Protams, tam būtu jāņem vērā vielas stāvoklis. Tātad, ogleklis (sublimācijas temperatūra virs 3700 ° C normālā atmosfēras spiedienā) neradīs gāzes fāzi, ūdens, protams, būs tvaiks. Tiek saukts par sprādzienbīstamu produktu tilpumu, kas minēts normālos atmosfēras apstākļos doto tilpumu.  Iepriekš aplūkotajā problēmā tas būs aptuveni 800 l / kg.

Ja ir zināms sprādzienbīstamības produktu siltums un sastāvs, tad to temperatūra Tsauli var noteikt no attiecības Tuz augšu = = Q / Cvcr kur Arv cp ir sprādzienbīstamības produktu vidējā siltuma jauda (pie nemainīga tilpuma) intervālam Τ 0–Τ maksas Ir svarīgi atzīmēt, ka siltuma jauda ir temperatūras funkcija.

Pēdējā ievada dažas (tīri tehniskas) komplikācijas aprēķinā, jo atkarības veids ir zināms. Tomēr ir vieglāk izmantot gatavus datus par gāzu siltuma saturu dažādās temperatūrās (4.1. Tabula).

4.1. Tabula

Dažu gāzu siltuma satura (iekšējā enerģija) izmaiņas (kJ / mol)

Ņemot vērā temperatūru un sprādziena produktu sastāvu, jūs varat atrast to siltuma saturu un salīdzināt to ar sprādziena siltumu. Salīdzinājums noteiks kļūdas raksturu, izvēloties temperatūru. Atkārtojot darbību, bet ar atšķirīgu (koriģētu) temperatūru, varat izmantot tuvināšanas metodi, lai atrastu sprādziena temperatūru.

Jāatzīmē, ka sprādziena laikā atbrīvotā enerģija ir salīdzinoši neliela: jaudīgākajām sprāgstvielām ir 6500-6700 kJ / kg eksplozijas siltums. Ar 1 kg TNT eksploziju gaisā izplūst aptuveni 4000 kJ siltuma, un, sadedzinot 1 kg dīzeļdegvielas - apmēram 44 000 kJ. Bet 1 kg dīzeļdegvielas maisījuma ar skābekli sadedzināšanas siltums būs tikai 10 000 kJ un 1 kg dīzeļdegvielas un gaisa maisījums - 2670 kJ. Vairākkārt tika uzsvērts, ka papildus enerģijas izdalīšanai sprādzienu raksturo produktu veidošanās, kas atrodas gāzveida stāvoklī tajās temperatūrās, kas sasniegtas sprādziena laikā.

Kaut arī termīta reakcijas siltums

aptuveni 2,3 reizes augstāka nekā TNT sprādzienbīstamā siltuma siltums, tā sadegšana notiek mierīgi; iegūtie produkti pat tādās temperatūrās, kurās tos silda, paliek šķidri. Bet tikai termīts ir jāmitrina, jo attēls mainās: siltums pārvērš ūdeni par tvaiku, un dedzināšana ir saistīta ar sprādzienbīstamiem procesiem. Sprādzienbīstams daudzums, ko aizņem lādiņš, sprādziens uzreiz izveidojās, saspiežot līdz milzīgām spiediena gāzēm - reakcijas produktiem, nodrošinot atbrīvotās enerģijas realizāciju darbu veidā, paplašinot gāzes.

Radot sprāgstvielu, mēs, protams, esam ieinteresēti par to, ka ar simts sprādzieniem tiek atbrīvota vairāk enerģijas un veidojas saspiestas gāzes, kas spēj realizēt enerģiju pareizā veidā. Dažreiz šīs prasības ir pretrunā. Tādējādi sprāgstvielu sadalīšanās enerģiju var palielināt, izvēloties piemērotu degošu, jo īpaši metālu ievadīšanu sprāgstvielas sastāvā, piemēram, alumīnija (A12O3 veidošanās siltums ir 1599 kJ / mol). Alumīnija oksidācijas produkti ir cietvielas. Alumīnija pievienošana dažiem sprādzienbīstamiem maisījumiem (līdz zināmai robežai) var paaugstināt alumīnija efektivitāti. Ir sprāgstvielas ar paaugstinātu sprādziena siltumu, kas satur tā sastāvā esošos metālus. Kā jau minēts, sprādzienbīstamu produktu sastāvs ir atkarīgs ne tikai no sprāgstvielas, bet arī uz sprādziena apstākļiem: uzsākšanas metodi, lādiņa lielumu un konstrukciju un korpusu, apstākļiem, kādos notiek sprādziens. Ja sākotnējie produkti paliek nemainīgi un mainās sprādzienbīstamības produktu sastāvs, mainīsies arī sprādziena termiskā iedarbība, tāpēc dažām sprāgstvielām atkarībā no apstākļiem, kādos tas notiek, tiek noteiktas dažādas sprādziena vērtības. Piemēram, tabulā. 4.2 parāda (saskaņā ar R. Schmidt) TNT sprādziena produktu sastāvu (blīvums 1.52), kad uzliesmojuma eksploziju ierosina vāji un spēcīgi ierosinātāji.

Lai sprāgstvielas varētu transformēties ātras ķīmiskās reakcijas dēļ, lai pārietu pāri visam lādiņam, procesam ir jābūt pašpavietojamam. Lai to izdarītu, ķīmiskajai reakcijai jābūt atbilstošām kinētiskajām īpašībām, un enerģijas izlaišanai ir jākompensē neizbēgami zaudējumi. Reakcijas ātrums, spēja pašizplatīties, eksotermiskums, gāzes veidošanās ir cieši saistītas un ietekmē viena otru un sprādzienbīstamā procesa robežas.

4.2. Tabula

TNT sprādziena produktu sastāvs

Cilnē. 4.3. Rāda vairāku rūpniecībā izmantoto sprāgstvielu un pulveru īpašības.

4.3. Tabula

Dažu sprāgstvielu sprādzienbīstamība

Sprādzienbīstams sprādziens atbrīvo enerģiju, jo neliels daudzums cietas vai šķidras sprāgstvielas pārvēršas milzīgā daudzumā gāzu, kas sakarsēta līdz tūkstošiem grādu temperatūru. Dažādiem sprāgstvielu veidiem izdalīto gāzu daudzums uz 1 kg sprāgstvielu, kuru sākotnējais tilpums nepārsniedz 0,8-1 l, ir vērtība no 300 līdz 1000 l un vairāk. Veidojas sprādzienbīstamo sprāgstvielu produktu eksplozijas laikā, kas sāk izplatīties, radot mehānisku darbu. Tādējādi sprāgstvielām ir sprādziena laikā atbrīvota latenta ķīmiskā enerģija. Tomēr ne tikai sprāgstvielām ir slēpta enerģija, bet, piemēram, benzīns, ogles, malka un citas degošas vielas. Šo degošo vielu enerģiju var atbrīvot degšanas laikā. Kāpēc iznīcināšanas un metināšanas nolūkos, piemēram, benzīna vietā izmanto sprāgstvielas un šaujampulveri? Ir zināms, ka 1 kg benzīna enerģijas ir 10 reizes vairāk nekā 1 kg TNT un 12 reizes vairāk nekā bez smēķēšanas nesaturošs piroksilīna pulveris. Bet sprāgstvielu lādiņš un šaujampulvera lādiņš ar milzīgu ātrumu pārvēršas par gāzēm, un benzīns vai jebkurš kurināmais nevar degt bez pietiekama gaisa vai brīva skābekļa. 1 kg benzīna sadegšanai nepieciešams tik daudz skābekļa, kā tas ir 15,5 kg gaisa. Tāpēc degvielas sadegšanas siltums (enerģija) jāaprēķina 1 kg tā maisījuma ar skābekli, kas nepieciešams tā pilnīgai sadegšanai. Izmantojot šo aprēķinu, benzīna maisījuma ar skābekļa enerģiju un sprādzienbīstamas enerģijas daudzums, kas ir tāds pats daudzums, ir mazāks nekā iepriekš minētais, tomēr šajā gadījumā benzīna sadegšanas laikā atbrīvotā enerģijas daudzums ir vairāk: dūmu pulveris - 2860 kJ / kg, trotils - 4100 kJ / kg / kg, benzīna maisījums ar skābekli - 11 000 kJ / kg. Līdz ar to ne sprāgstvielu un šaujampulvera daudzums ir galvenais iemesls to izmantošanai iznīcināšanas un metināšanas nolūkos. Galvenais iemesls nav enerģijas lielums, bet ļoti strauja atbrīvošana. Ja 1 kg benzīna deg automašīnā (atkarībā no dzinēja jaudas un slodzes) 10–60 minūšu laikā, artērijas lielgabala lādēšanas kamerā dažus tūkstošus sekundes sadedzina 1 kg pulvera, un 1 kg TNT sprādziens ilgst tikai 30 -40 simtdaļas sekundes. Enerģija sprādziena laikā tiek izlaista desmitiem miljonu reižu ātrāk nekā kurināmā sadedzināšanas laikā. Tas izskaidro milzīgo sprādziena spēku. Tomēr pareizāk ir aprēķināt sprādziena jaudu nevis visu lādiņu detonācijas laiku, bet līdz brīdim, kad sprādzienbīstamie produkti pārsniedz normālo atmosfēras spiediena līmeni, šāda līmeņa sasniegšana sprādzienbīstamā procesa ātrās fotografēšanas rezultātā notiek dažu milisekunžu laikā. Šajā gadījumā 1 kg TNT jaudu izsaka vairāk nekā 1 MW. Bet pat reālos apstākļos šo jaudu nevar pilnībā realizēt tā īsa ilguma, pārvietojamā vai iznīcinātā materiāla masas inerces dēļ, uz kuru tā darbojas, kā arī zudumus, kas rodas vides apsildes, pārmērīgas slīpēšanas un izkliedēšanas dēļ, līdz atlikušajam siltumam. sprādzienbīstami produkti pēc to galīgās paplašināšanas un neizbēgamie ķīmiskie zaudējumi. Rezultātā noderīgs mehāniskais darbs bieži vien nepārsniedz 1-2%, un, eksplodējot cietā vidē - 8-9% no sprāgstvielā esošās enerģijas. Tomēr milzīgais potenciālās enerģijas daudzums sprāgstvielās un šaujampulverī padara tos neaizstājamus, neskatoties uz to nepilnīgu izmantošanu sprādzienā. Liela jauda ir tipiska sprāgstvielām un, kad tās tiek izmantotas lādiņiem. Liela kalibra artilērijas šāviena pulvera uzlādes jauda ir 10 MW.

Pirmais hronoloģiskais (deviņpadsmitā gadsimta beigas) bija termiskā teorija, kuras dibinātāji ir gleznotājs Le Chatelier un Nusselt. Šīs teorijas pamatā ir van't Gough hipotēze par ķīmiskās reakcijas ātruma atkarību no temperatūras. Termiskā sprādziena stāvoklis ir siltuma ievades pārsvars, kas rodas reakcijas enerģijas dēļ siltuma novadīšanas vidē. Šādā gadījumā sistēma uzkrājas siltums, kas noved pie pašsildīšanās un attiecīgi reakcijas paātrinājuma.

Visbiežāk uzliesmojošās oksidācijas reakcijas sistēmā notiek sasilšana ar vienu vai citu aizdegšanās avotu. Sildot degvielas sistēmu, palielinās degvielas molekulu un skābekļa enerģija, un, sasniedzot noteiktu vērtību, tie tiek aktivizēti, t.i. veidojas aktīvie centri (radikāļi un atomi) ar brīviem valentiem, kā rezultātā viegli uzliesmojošas vielas molekulas viegli savienojas ar gaisu no skābekļa. A.N. Baha un C. Englers 1898. gadā patstāvīgi ierosināja oksidācijas peroksidācijas teoriju, saskaņā ar kuru karsējot degošu sistēmu, skābeklis tiek aktivizēts, atdalot vienu saiti starp atomiem, un aktīvā molekula nonāk savienojumā ar degošu vielu, nesadaloties atomos un veidojoties. peroksīda savienojumi, kuru tips ir: R1-OOR2 vai ROO-OH.

Tomēr peroksīdu teorija nespēj izskaidrot dažas raksturīgās oksidācijas procesa pazīmes, piemēram, strauju ietekmi, dažreiz nenozīmīgas piemaisījumu pēdas.

Ķīmiskās reakcijas ātrumu m / s var izteikt, pamatojoties uz Arrhenius likumu, izmantojot šādu vienādojumu:

, (1.12)

kur ir reakcijas ātruma konstante (ķīmiskās reakcijas ātrums pie reaģentu koncentrācijas, kas samazināta līdz vienībai);

Reaģentu koncentrācija, mol / m 3;

Stehiometriskie koeficienti, ko nosaka sākotnējo reaģentu koncentrācijas attiecība stehiometriskās reakcijas vienādojumā;

Dabisko logaritmu pamats;

Universālā gāzes konstante = 8,3 J / (mol ∙ K);

  - temperatūra, K.

Pašaizdegšanās termiskā teorija (saukta arī par termiskās sprādziena teoriju) ir balstīta uz siltuma ražošanas ātruma salīdzināšanu eksotermiskās oksidācijas laikā un siltuma noņemšanu no reaktīvā maisījuma tā trauka sienā. Pašaizdegšanās stāvokli nosaka šo ātrumu vienlīdzība. Kuģu sienu temperatūra, kurā tiek sasniegta šī vienlīdzība, tiek saukta par autoignizācijas temperatūru. Sākot no šīs temperatūras (katrā gadījumā raksturīgs konkrētiem īpašiem apstākļiem - kuģa izmērs un forma, gāzes termofizikālās īpašības), notiek pašsasilšana, kas var izraisīt zibspuldzi (pašaizdegšanās).

Ņemot vērā iepriekšminēto, pašapkures reaktīvajā vidē mēs varam pierakstīt:

kur ir siltuma jauda pie nemainīga tilpuma, J / K;

Gāzes blīvums, kg / m 3;

Gāzes temperatūra, K;

Laiks, s;

Reakcijas siltuma efekts, W;

Reakcijas ātrums, m / s;

Reakcijas trauka virsma, m 2;

Reakcijas trauka tilpums, m 3;

Siltuma pārneses koeficients, W / (m 2 × K);

Kuģa sienas temperatūra, K.

DA Frank-Kamenetsky ierosināja termiskās aizdegšanās kritēriju, pamatojoties uz stacionāro temperatūras sadalījumu reaktīvajā kuģī ar pietiekamu siltuma izdalīšanās ātrumu:

, (1.14)

kur ir kuģa raksturīgais lielums, m;

Pekseksponenciālais faktors;

Gāzes maisījuma siltumvadītspēja, W / (m × K);

Bezdimensiju kritērijs 3.3; Attiecīgi 0,88 un 2 sfēriskiem, plakaniem un cilindriskiem traukiem.

D.A. Frank-Kamenetsky kritērijs ir jāsaprot šādi: ja visu parametru aizvietošanas laikā, kas nosaka, mēs iegūstam vērtību, tad aizdegšanās gadījumā aizdegšanās nebūs. No kritērija vienādojuma izriet, ka reakcijas siltums un tās tvertnes rādiuss, kurā notiek reakcija, ir svarīgi sprādziena noteicošie faktori. Termiskā sprādziens tiek izteikts gaišāk, jo labāk ir nevienlīdzība:

Ja šīs nevienlīdzības ir slikti izpildītas, tad termiskā sprādziena deģenerējas - vienlaicīgi ar temperatūras pieaugumu notiek strauja sākotnējās vielas izdalīšanās, kas uztver sprādziena attēlu.

Degšanas rašanās visbiežāk ir saistīta ar degošas sistēmas sildīšanu ar vienu vai citu aizdegšanās avotu. Saskaņā ar akadēmiķa N.N. Semenovs, oksidācijas procesu papildina siltuma izdalīšanās un noteiktos apstākļos var paātrināties. Šo oksidācijas reakcijas paātrinājuma procesu ar pāreju uz sadegšanu sauc par pašaizdegšanos.

Termiskās pašaizdegšanās gadījumā tas notiek siltuma izdalīšanās ātruma pārsniegšanas dēļ siltuma izlietnes ātrumā.

Apsveriet siltuma aizdegšanās procesu, piemēram, degošu gāzu vai degoša šķidruma tvaiku ar gaisu, kas ievietots traukā ar tilpumu. Palielinoties tvertnes un degošā maisījuma temperatūrai, palielināsies reakcijas ātrums un siltums. Siltuma izdalīšanās ātruma atkarību no temperatūras, J / s nosaka:

, (1.15)

kur ir gāzes sadegšanas siltums, J;

Uzliesmojoša maisījuma tilpums, m 3;

Reakcijas ātruma konstante;

Reaģenta koncentrācija, kg / m 3;

Reakcijas secība;

Aktivācijas enerģija, j / mol;

Universālā gāzes konstante J / (mol · K);

Maisījuma temperatūra, K.

Izdalītais siltums tiek pārnests uz degošu maisījumu, un tas uzsilst. Tiklīdz maisījuma temperatūra pārsniedz tvertnes sieniņu temperatūru, siltuma atdalīšana caur tvertnes sienām sāksies laika vienībā, proporcionāla temperatūras atšķirībai starp maisījumu un tvertnes sienām, un to nosaka attiecības:

, (1.16)

kur - siltuma izvadīšanas ātrums caur kuģa sienām, j / s;

Siltuma pārneses koeficients, J / (K · m 2 × s);

Kuģa sieniņu virsma, m 2;

Maisījuma temperatūra, K;

Kuģa sieniņu temperatūra, K

1.5. Attēls. Siltuma ražošanas atkarība no temperatūras dažādos spiedienos

1.5. Attēlā 2., 3. un 4. līkne parāda siltuma ražošanas atkarību no temperatūras dažādos spiedienos un to pašu maisījuma sastāvu. Konstantā traukā un vidējā temperatūrā un nemainīgā maisījuma sastāvā no sadegšanas zonā izdalītā siltuma daudzumu raksturo taisna līnija 1. Kad maisījuma sastāvs mainās, mainīsies siltuma zudumu ātrums un līdz ar to arī taisnas līnijas slīpums. Jo augstāks spiediens, jo vairāk reakcijas rodas siltums (4. līkne). Apstākļos, ko nosaka 2. līkne, pašaizdegšanās nevar notikt, jo siltuma zudumi (taisna līnija 1) ir augstāki par siltuma veidošanos šajā spiedienā. Līknes 3 tangences punkts ar taisnu līniju atbilst līdzsvaram starp atbrīvoto un noņemto siltumu - noteiktā degšanas sistēmas minimālajā pašaizdegšanās temperatūrā noteiktos apstākļos. Ar nelielu enerģijas piegādi no ārpuses ir iespējama pašaizdegšanās. 4. līkne apraksta apstākļus, kādos pašaizdegšanās ir neizbēgama, jo siltums tiek izlaists vairāk nekā noņemts.

Analizējot konkrēto shēmu, N.N. Semjanova iedibināta atkarība:

, (1.17)

kur ir minimālais aizdegšanās spiediens, Pa;

Pašaizdegšanās minimālā temperatūra, K;

Reakcijas secība;

Pastāvīgs atkarībā no maisījuma sastāva un citām īpašībām.

Pamatojoties uz šo vienādojumu (1.17), teorētiski var iepriekš noteikt, vai uzliesmojoša maisījuma pašaizdegšanās ir iespējama šajos īpašajos apstākļos. Saikne starp minimālo spiedienu un pašaizdegšanās temperatūru tika apstiprināta ar vairākiem eksperimentiem un izrādījās vērtīgs, pētot sadegšanas procesus.

Degšanas ķēdes teorija

Jau 1928. gadā N.N.Semenovs pauda ideju par divu veidu sprādzienu - ķēdes un termiskās - ķīmisko sistēmu pastāvēšanu.

Ķēdes reakcijas ir tās, kas iet caur virkni posmu (izmantojot virkni starpposma reakciju), kurās veidojas starpprodukti ar brīvām valencēm, tā sauktie aktīvie centri, kas ir turpmāko ātrās plūsmas posmu baktērijas.

Ķēdes reakcijas jēdziens pirmo reizi parādījās 1913. gadā, kad vācu fizikālists M. Bodenšteins konstatēja, ka, kad tika izgaismots ūdeņraža maisījums ar hloru, hlora molekula, kas absorbē gaismas daudzumu, sadalās atomos:

.

Hlora atomi uzreiz reaģē ar ūdeņradi, izraisot maisījuma eksploziju. Vienas hlora molekulas aktivizēšana būtu izraisījusi divu molekulu veidošanos:

.

Tomēr eksperimenti liecina, ka tas rada 100 000 ūdeņraža hlorīda molekulu. To var izskaidrot, ja tiek pieņemts, ka hlora mijiedarbība ar ūdeņradi rada produktu, kas, nonākot sekundārajās reakcijās, atjaunojas un var turpināt reakciju. Šis pieņēmums atbilst šādai reakcijas shēmai:

I Primārā reakcija

IV atvērta ķēde

Saskaņā ar šo shēmu vienas hlora molekulas (I) aktivizēšana izraisa divu hlora atomu parādīšanos - divi aktīvie ķēdes reakcijas centri. Katrs no hlora atomiem rada savu ķēdes reakciju, kurā aktīvais centrs tiek pastāvīgi atjaunots (II, III). Tādējādi, iedarbināšanas reakcijas (I) ietekmē notiek secīgas reakcijas, veidojot ķēdi (II, III utt.). Šādu reakciju skaitu no ķēdes uzsākšanas brīža līdz tā laušanai sauc par ķēdes garumu. Ķēde var lauzt hlora (IV) atomu vai ūdeņraža (V) atomu sadursmē un no tiem veidoties molekulām, vai aktīvo centru sadursmē ar cietas vielas virsmu. Tā ir tipiska ķēdes reakcija, kas nav sazarota. Tajā katrs aktīvais centrs izraisa tikai viena jauna aktīvā centra izskatu, tāpēc reakcija var turpināties, bet nav paātrināta.

Nozaru ķēdes reakcijā katrs aktīvais centrs rada divus vai jaunākus aktīvos centrus.

Saskaņā ar ķēdes reakciju teoriju oksidācijas process sākas ar degošas vielas aktivizēšanu.

Prakse ir parādījusi, ka aizdegšanās var notikt izotermiskos apstākļos, t.i. nepalielinot reakcijas vides temperatūru (maisījuma „aukstā” aizdedze). Šajā gadījumā viņi runā par ķēdes (izometrisku) sprādzienu.

Divi sākotnējie komponenti: degviela un oksidētājs, kas ir salīdzinoši stabils molekulārais stāvoklis, pirms tie ir saistīti ar jauniem, stabilākiem sadegšanas produktiem, tiek pakļauti visai sarežģītu starpposma transformāciju ķēdei, kuras rezultātā rodas nestabili produkti: atomi, radikāļi, ierosinātas molekulas ar salīdzinoši lielu jonizācijas pakāpe (formaldehīds, ogļūdeņraža un hidrohlorīda radikāļi, atomu skābeklis un ūdeņradis).

Kondratyevu V.N. Dažādu ogļūdeņražu liesmās bija iespējams noteikt augstu atomu skābekļa (O), hidroksskābes radikāļu (OH), ogļūdeņraža radikāļu (CH3), oglekļa monoksīda (CO), formaldehīda (CH2O) un citu vielu koncentrāciju. Šo vielu koncentrācija liesmā bija tūkstošiem un miljoniem reižu lielāka par to līdzsvara koncentrāciju termiskās sadalīšanās laikā pie galīgās reakcijas produktu liesmas temperatūras, piemēram, H20 → H + OH.

Šo novērojumu rezultāti ļāva secināt, ka attiecīgie atomi un radikāļi reakcijas gāzē nav saistīti ar produktu galīgo sadalīšanos, bet ir starpprodukti reakcijā.

Tādējādi aizdedzes ķēdes mehānisms balstās uz vienas vielas ķīmiskās pārvērtības ķēdi uz citu, kuras rezultāts ir ķīmiski ļoti nestabilu produktu, ko sauc par aktīviem centriem, veidošanās noteiktos starpposmos, kas viegli reaģē viens ar otru un ar sākotnējo vielu molekulām. Jauni aktīvie centri un galaprodukti, piemēram, H20 un CO 2 metāna un gaisa maisījumam.

Radikāļu un atomu augstā reaktivitāte skaidrojama ar to reakciju zemo aktivācijas enerģiju, kas ir tuvu atomu reakciju aktivācijas enerģijai:

OH + H 2 = H20 + H - 25 kJ / mol

СН 3 + С 3 Н 6 - 12,5 kJ / mol

CH3 + C6H6 - 23,5 kJ / mol

H20 → H + OH

Jebkura no iegūtajām aktīvajām daļiņām (H vai OH) ir ārkārtīgi nestabila un tādējādi ķīmiski aktīva, sadursme ar sākotnējās vielas molekulu, sadalās, veidojot jaunas aktīvās daļiņas:

H + O2 = OH + O

OH + H2 = H20 + H

Iegūtās aktīvo daļiņu H un HE reakcijas daļiņas atkal nonāk reakcijās, un O daļiņas mijiedarbojas ar ūdeņradi:

O + H 2 = OH + H.

Tas ir, reakcijas rezultātā starp aktīvajām daļiņām un izejmateriālu molekulām, tiek veidoti ne tikai gala produkti, bet arī jaunas aktīvās daļiņas. Reakcijas rezultātā veidotās aktīvās daļiņas rada jaunus ķīmiskās transformācijas posmus, kas notiks pirms izejvielu pilnīga patēriņa.

Šādas atkārtotas ķīmiskās reakcijas sauc par ķēdes reakcijām, un aktīvās daļiņas, kas rada jaunas transformācijas ķēdes, ir aktīvi centri.

Iepriekš minēto ūdeņraža degšanas ķēdes procesu var attēlot kā diagrammu (1.6. Attēls).

1.6. Attēls. Ūdeņraža degšanas shēma

No diagrammas redzams, ka tikai ūdeņraža (H) daļiņas, kas ir aktīvie centri, rada jaunas transformācijas ķēdes. Tajā pašā laikā katrā ķēdes procesa saitē, kā rezultātā reakcija starp aktīvo centru H un skābekļa molekulu O2, papildus gala produktam H20, veidojas 3 jauni aktīvie centri H, radot jaunas transformācijas ķēdes.

Šādu ķēdes reakciju, kas notiek ar aktīvo centru pieaugumu, sauc par sazarotu. Reakcija attīstās kā lavīna un notiek ļoti augstā tempā, kas ievērojami pārsniedz parasto molekulāro reakciju ātrumu.

Tipiska reakcija ar ķēdi, kas nav sazarota, ir hlora mijiedarbība ar ūdeņradi. Šīs reakcijas aktīvie centri ir hlora un ūdeņraža mainīgie atomi. Kad hlora atoms reaģē, izveidojas viens ūdeņraža atoms, tāpat kā ūdeņraža atoms reaģē, izveidojas viens hlora atoms. Tāpēc reakcija var turpināties, bet nav paātrināta.

Labi zināms fakts, ka hlora fotoķīmiskā reakcija ar ūdeņradi vēl beidzas sprādzienā (pašaizdegšanās), ir saistīta ar to, ka ar pietiekami augstu ķēdes reakcijas ātrumu siltuma izdalīšanās pārsniedz siltuma izlietni, kā rezultātā maisījums ir ļoti karsts un rodas apstākļi, kas nepieciešami termiskās pašaizdegšanās radīšanai.

Ja notiek ogļūdeņražiem raksturīga sazarotas ķēdes reakcija, aktīvo centru koncentrācija var palielināties neatkarīgi no sākotnējiem ierosināšanas apstākļiem, un, ja aktīvo centru veidošanās ātrums sazarojuma laikā pārsniedz ķēdes lūzuma ātrumu, tad notiek pašpaātrinošs lavīnu līdzīgs process, kā rezultātā notiek aizdegšanās.

Ķēdes reakciju teorija ļāva mums izskaidrot daudzas degšanas procesu iezīmes (stipra piemaisījumu ietekme, automātiskās aizdegšanās robežas ar spiedienu, katalīze un spiediena inhibēšana uc), ko nevar izskaidrot ar termisko teoriju. Reālu ugunsgrēku un sprādzienu rašanās un attīstības mehānismu raksturo kombinēts ķēdes termiskais process. Sākot ar ķēdi, oksidācijas reakcija tās eksotermiskās īpašības dēļ turpina paātrināties ar termisko ceļu. Līdz ar to kritiskie (ierobežojošie) apstākļi degšanas rašanās un attīstības gaitā tiks noteikti reakcijas sistēmas siltuma un siltuma apmaiņas apstākļos ar vidi.

Daudzi ķīmiskie procesi ir balstīti uz ķīmiskās ķēdes reakcijām. Šādi procesi ietver, piemēram, polimerizācijas procesus, kas veido pamatu sintētisko gumiju, plastmasu, polimēru šķiedru un daudzu citu produktu ražošanai. Tie ietver arī tādus svarīgus rūpnieciskos procesus kā sintētisko taukskābju ražošana, iepriekš izmantoto pārtikas tauku aizstāšana tīrīšanas smērvielu ražošanā, plaisāšana - process, kurā iegūst augstas kvalitātes degvielu no eļļas utt.

Degšana  - viegli uzliesmojošu vielu ķīmiskā mijiedarbība ar oksidētāju, kam pievienots liels daudzums siltuma un spilgts spīdums (liesma). Sadedzināšana ir iespējama tikai tad, ja ir trīs faktori: degoša viela, oksidētājs, siltuma avots.

Siltuma avots  (Uguns) var būt atklāta liesma, dzirkstele, siltums, ko silda berzes rezultātā (jostas transmisijā), trieciens, spiediens. Siltuma avots var būt arī elektriskais (vadu sildīšana, loka), saules ķīmiskā un starojuma enerģija.

Oksidētāji  ir hlora, fluora, broma. Visbiežāk oksidētājs ir gaisa skābeklis, sadegšanas process būs atkarīgs no tā satura gaisā. Ja skābeklis gaisā ir lielāks par 14-16%, tad pastāvīga degšana. Ja skābekļa saturs ir mazāks par 14%, tiek novērota kvēpināšana, un, ja tā saturs ir mazāks par 8-10%, arī apstājas.

Degoša viela. Tās var būt gāzes (amonjaks, acetilēns, ūdeņradis), šķidrumi (benzīns, acetons, spirts), cietvielas (ogles, koks). Lai cietā viela vai šķidrums varētu aizdegties, ir nepieciešams tos sasildīt līdz temperatūrai, izmantojot siltuma avotu, lai no to virsmām iegūtu intensīvu degošu tvaiku izdalīšanos. Kad ir sasniegta noteikta koncentrācija, šie tvaiki iedegas. Degšanas procesā esošās gāzes nemaina to agregācijas stāvokli.

Ir šādi degšanas veidi: 1) zibspuldze; 2) aizdegšanās; 3) pašaizdegšanās; 4) spontāna degšana; 5) smoldering; 6) sprādziens.

1. Flash  to sauc par gaisa skābekļa maisījuma tūlītēju sadegšanu ar tvaikiem, gāzēm, putekļiem, kam nav pievienotas saspiestas gāzes. Uzliesmošanas temperatūra ir degošas vielas zemākā temperatūra, kurā virs tās virsmas veidojas tvaiki vai gāzes, kas var mirgot no aizdegšanās avota, bet turpmākajam vienmērīgam sadegšanai to veidošanās ātrums ir nepietiekams.

Atkarībā no šīs temperatūras lieluma uzliesmojoši šķidrumi ir sadalīti:

a) uzliesmojoši (uzliesmojoši šķidrumi - benzīns, acetons, alkohols) - tf ≤ + 45 ° C;

b) uzliesmojoši šķidrumi (GZh - eļļas, dīzeļdegviela, degviela) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. Aizdedze  sauc par ilgstošu nepārtrauktu vielas sadedzināšanu no siltuma avota. Uzliesmošanas temperatūru sauc par degošas vielas minimālo temperatūru, kurā tas aizdegas no aizdegšanās avota un turpina degt pēc tās noņemšanas. Tas ir augstāks par uzliesmošanas punktu.

Uzliesmojošu vielu koncentrācija gaisā, kurā ir iespējama aizdegšanās vai eksplozija, atrodas noteiktās robežās: zemākā - CWP un augšējā - ERW. Degošu maisījumu iekaisums nav pieļaujams, ja koncentrācija ir zemāka par CEL (maisījumā nav pietiekami daudz degošu molekulu) un augstākas ERW (maisījumā nav pietiekami daudz skābekļa molekulu). Jo lielāka atšķirība starp ERW un CWP, jo bīstamāka ir viela. Šo parametru vērtības var samazināties, piemēram, palielinot putekļu un gaisa maisījuma (PLN) mitruma saturu, piemēram, gaisa maisījums ar cukuru, miltiem, ogļu putekļiem.

Sniegsim NVP un SVV vērtību piemērus vairākām šķidrumu gāzēm un tvaikiem:

Acetilēns 3,5-82%;

Dabasgāze 3,8-19,2%;

Benzīns 1-6%;

Oglekļa monoksīds 12,8-75%.

3.Pašaizdegšanās- vielu aizdegšanās process no ārēja avota (liesma, apsildāms vai apsildāms ķermenis) bez tiešas saskares ar to aizdegšanās temperatūrā. Šī temperatūra samazinās, palielinoties spiedienam, un vairumam uzliesmojošu gāzu ir robežās no 400-700 ° C, koksnei - 340-400 ° C; ogles - 400-500 ° C. Pašaizdegšanās piemērs: koksnes, papīra sildīšana un aizdegšanās, kas atrodas netālu no atklātas liesmas (bez saskares ar to) vai karstie priekšmeti (ogles, atvērta sildītāja spirāle).

4. Spontāna degšana  vielas rodas fizisku, ķīmisku un bioloģisku reakciju rezultātā, kas rodas pašā vielā (materiālā), kas izraisa degšanu, ja nav aizdegšanās avota.

Uzglabājot lielos daudzumos mitrajiem graudiem, sienā, salmēs un nepietiekamā ventilācijā šajos materiālos, izdalot siltumu rodas bioķīmiskie procesi (sabrukums). Šo materiālu temperatūra palielinās, to lielā masa (sliedes, skursteņi) novērš radītā siltuma izplatīšanos vidē, kas izraisa ugunsgrēku. Šādi materiāli pirms uzglabāšanas ir jāžāvē labi. Spontāni aizdegas arī audu kontakts (kombinezons, tīrīšanas līdzeklis), kas satur eļļas traipus un salocīts kaudzē bez ventilācijas. Tāpēc darba drēbes būtu jāpārtrauc tā, lai nodrošinātu brīvu piekļuvi gaisam, un eļļa nekavējoties jānoņem no darba zonām.

Atkarībā no reakcijas ātruma sadegšanas process notiek kā korupciju  (ātrums dažiem cm / s) dedzināšana  (dažas m / s) un blastu  (vairāki simti tūkstoši m / s).

5. Sprādziens- pēkšņi mainās vielas fizikālā un ķīmiskā stāvoklis, ko ietekmē augsta temperatūra, spiediens, ķīmiskie reaģenti. Ar sprādzienu ievērojami palielinās radīto gāzu un tvaiku daudzums, tiek izlaists milzīgs enerģijas daudzums, kas trieciena viļņa veidā spēj veikt mehānisku darbu (lai iznīcinātu ēkas, būves, ievainotu cilvēkus).

Materiālu sadedzināšana var būt pilnīga vai nepilnīga. Pilnīgas sadegšanas laikā (skābekļa pārpalikums) rodas neuzliesmojoši produkti (CO 2 un H20), bet nepilnīgas sadegšanas gadījumā (O2 trūkums) rodas nesadalītas oksidācijas produkti (CO, spirti, skābes). Tie ir toksiski un sprādzienbīstami. Tāpēc, organizējot degvielas sadedzināšanas procesu (katlos, krāsnīs), ir nepieciešams nodrošināt pietiekamu skābekļa daudzumu krāsnī.

1. Degšanas teorijas pamatjēdzieni.

1. Degšanas procesu iezīmes.

Sadedzināšana ir komplekss fizikāli ķīmisks process, kura laikā ķīmiskā transformācija

schenie kopā ar enerģijas izlaišanu (galvenokārt siltuma un radiācijas veidā)

un siltuma un masas pārnese ar vidi.

Degšanas procesa pamatā ir ķīmiskā reakcija, kas var turpināties ar a

paātrinājums. Paātrinājuma iemesli var būt:

1. Siltuma uzkrāšanās sistēmā - siltuma paātrinājums

2. Aktīvo daļiņu uzkrāšanās - ķēdes paātrinājums

3. Autokatalīze ir reakcijas paātrinājums ar produktiem.

Daudzos gadījumos praktiski nozīmīgi sadegšanas procesi pakļaujas tīri fiziskiem

sakarā ar to, ka augstā temperatūrā ķīmiskā transformācija var turpināties lielā ātrumā, un ķīmiskais process ir pakļauts tīri fiziskiem likumiem, piemēram, siltuma pārnešanai un difūzijai, un to regulē tie. Tas nozīmē, ka ķīmiskā reakcija, kas var turpināties ar augstu ātrumu

ir ierobežots ātrums un pakļaujas viena vai otru likumu prasībām

fenomens.

Galvenais degšanas procesu iezīme ir tas, ka pašpaātrinājuma apstākļi

ķīmiskā reakcija. Kibernētikā šo parādību sauc par pozitīvu atgriezenisko saiti, proti, ar nelielām izmaiņām ārējos apstākļos ir iespējams pāriet no stacionāra reakcijas režīma uz mazu ātrumu uz režīmu, līdz o

kur reakcijas ātrums palielinās eksponenciāli. Tiek sauktas šādas straujas izmaiņas reakcijas režīmā ar nelielām izmaiņām ārējos apstākļos

ir kritiskās parādībasun nosacījumi, ar kādiem tie tiek ievēroti, tiek saukti

kritiskos apstākļos.

Kritiskās parādības ir:

1. Pašaizdegšanās

2. Aizdedze

3. Liesmas izplatīšanās robežvērtības.

Kritiskās parādības rodas nevis no tā, ka dabas likumi krasi mainās, bet

ir reakcijas sistēmas un vides nelīdzsvarotības sekas

vidi.

Pašaizdegšanās stāvoklis ir siltuma vai difūzijas neiespējamība

vides apstākļi, aizdegšanās stāvoklis ir nelīdzsvarotība noteiktos sākotnējos apstākļos.

Otrā sadegšanas procesu iezīme ir to spēja izplatīties

kosmosā. Termiskā sadegšanas režīmā pavairošana notiek caur siltuma pārnesi, ķēdes vai autokatalītiskā gadījumā - ar aktīvo daļiņu difūziju.

2. Degšanas veidi un veidi.

1. Atbilstoši dalībnieku kopējam stāvoklim:

a. Degšanas gāzes sistēmas - viendabīga sadedzināšana

b. Cietā un šķidrā degošā (cietā-šķidruma sistēma un cietas gāzes sistēmas) sadedzināšana - heterogēna sadedzināšana

c. Kondensēto sistēmu sadedzināšana (cietās-šķidrās sistēmas, \\ t

šķidrums - šķidrs, ciets - šķidrums).

2. Saskaņā ar procesa izplatīšanās ātrumu:

a. Dedzināšana dedzināšana - lēna procesa izplatīšanās (ar siltuma vadību vai difūziju)

b. Detonācijas dedzināšana - procesa strauja izplatība (ar. \\ T

šoka vilnis).

3. Ar aerodinamiskiem nosacījumiem:

a. Laminārā dedzināšana ir gluda liesmas priekšpuse.

b. Turbulentā sadegšana ir ļoti izliekta liesmas priekšpuse.

Dažādu veidu degšanas piemēri dalībnieku kopējā stāvoklī:

Homogēna sadedzināšana:

Organiskā dedzināšana skābeklī

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (tvaiks)

Degšana citu oksidējošu gāzu klātbūtnē

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

Nestabilu vielu (ozona) sadalīšanās

2O3 (g) = 3O2 (g)

Heterogēna degšana:

Šķidrā hidrazīna dedzināšana:

N2H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H2O (tvaiks)

Oglekļa dedzināšana:

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

Nestabilu vielu (acetilēna) sadalīšanās

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

Dedzināšanas sistēmas:

KClO3 (sv.) + Al (sv.) = KCl (sv.) + Al2O3 (sv.) 2NH4 NO3 (sv.) = 2N2 (g) + 4H2O (tvaiks) + O2 (g)

3. Degšanas procesu termodinamika. Siltuma bilance.

Degšanas temperatūra: Parasti sadegšanas procesus raksturo četras temperatūras

dedzināšana

maisījums ar sākotnējo temperatūru T 0 273 K, neņemot vērā siltuma apmaiņu ar

vidi.

3. Adiabātisko Tg reklāmu nosaka patvaļīga sastāva maisījuma sadegšanas siltums, neņemot vērā siltuma apmaiņu ar vidi.

4. Faktiskā Tg darbība ir faktiski novērotā (mērītā) temperatūra

Dažādu degšanas temperatūru definīciju attiecība

Degšanas procesu siltuma bilance balstās uz absorbētā siltuma noteikšanu

degšanas produkti. Siltuma bilances vienādojumam ir forma:

kur Q PG ir sadegšanas produktu absorbētais siltums, Q p ir ķīmiskās reakcijas siltums, \\ t

Q ex ir siltums, kas saņemts no ārējiem avotiem, Q sviedri ir siltuma zudumi.

dedzināšana. Gandrīz sadegšanas produktu disociācija dod ievērojamu ieguldījumu tikai temperatūrā, kas pārsniedz 20 000 C. \\ t

Ir augstāka un zemāka siltumspēja. Pirmajā gadījumā ūdens kā degšanas produkts tiek ņemts šķidrā veidā, otrā gadījumā - tvaika formā. Tā kā jūs esat

dalītais siltums ir atkarīgs no sadedzinātās vielas daudzuma, molārā temperatūra ir

plosts un īpašs sadegšanas siltums. Ti sadedzināšanas laikā izdalītais siltums 1

molu vai kilogramu degošu materiālu.

Lai aprēķinātu specifisko degšanas siltumu (kJ / kg), bieži tiek izmantota D.I. formula.

Mendelejevs

kur X ir elementa saturs degvielas sastāvā% (masa), W - mitrums.

Reakcijas siltuma aprēķināšanas vispārējā pieeja balstās uz ķīmisko termodinamiku

sistēma. Tad no pirmā termodinamikas likuma (enerģijas taupīšanas likums)

izobārā procesā p = const, integrācija (1.7) un vienkāršas transformācijas

No (1.8) un (1.10) izriet, ka izokoriskajos un izobāros procesos siltums iegūst stāvokļa funkcijas īpašības, t.i. nav atkarīgs no procesa ceļa. Šo noteikumu sauc ĢI likums Hess. Ķīmiskās vielas sākotnējais un galīgais stāvoklis

krājumi ir izejmateriāli un reakcijas produkti. Vienkāršu vielu entalpijas,

stabilas standarta apstākļos (298K un 0,011313 MPa) ir nulle. Kompleksām vielām entalpijas izmaiņas tiek ņemtas vērā, kad tās veidojas no elementiem.

eksotermisks (rada siltumu).

4. Siltuma jauda. Reakcijas termiskās ietekmes atkarība no temperatūras

Siltuma jauda - tiek saukts par siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai apsildītu vienību

vielas masa ir 1 K. Atšķiriet specifisko imolārā siltuma jaudu, siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai sildītu 1 kg. Vai 1 mols vielas uz 1 K.

Patiesā molārā siltuma jauda tiek noteikta šādi.

C (1,12) dT

kur C ir molārā siltuma jauda, ​​mol K.

Siltuma jaudai pie nemainīga tilpuma un spiediena (izocorisks un izobarisks) ar

ņemot vērā (1.8) un (1.10), mēs saņemam

Apsveriet procesa siltuma atkarību no temperatūras pie nemainīga tilpuma vai spiediena. Ņemot vērā vienādojumus (1.13), mēs saņemam

Vienādojumi (1.14) tiek saukti kirchhoff vienādojumi.

Siltuma jaudas izmaiņas reakcijas laikā nosaka izteiksme

t.i. starpība starp reakcijas produktu siltuma jaudu un izejmateriālu summu.

No vienādojuma (1.14) izriet, ka, ja reakcijas laikā ir mainījusies siltuma jauda

tas ir saprātīgi (t.i., produktu siltuma jauda ir mazāka par izejmateriālu siltuma jaudu), un tad reakcijas termiskā iedarbība kļūst negatīvāka, reakcija kļūst efektīvāka.

zotermisks

dart apstākļi, kas aprēķināti pēc (1,11).

Tāpēc reālo vielu siltuma jauda kompleksā veidā ir atkarīga no temperatūras

Degšanas molekulārā enerģija

Lielākā daļa sadegšanas procesu ir viegli uzliesmojoši, kas satur ūdeņradi un oglekli, ar skābekli no gaisa.

Pirms doties uz sadedzināšanas teorijas fizisko un matemātisko pamatu izskatīšanu, mēģināsim molekulārā līmenī saprast, no kurienes nāk degšanas enerģija, no kuras atbrīvošanas viss pārējais ir atkarīgs no gāzes sildīšanas, aktīvo ķīmisko centru parādīšanās tajā utt.

Redzēsim, kādi ir galvenās reakcijas, kas saistītas ar oglekļa un ūdeņraža apvienošanu ar gaisa skābekli.

Mēs rakstām saskaņā ar datu tabulu. 3.1. Cietā oglekļa oksidēšanas reakciju enerģijas līdzsvars, piemēram, grafīts:

Tādējādi kopējā cietā oglekļa oksidācijas reakcijā atbrīvojas 386 kJ / mol:

Tuvu izmēru un atbrīvoto enerģiju, apvienojot ūdeņradi ar skābekli:

CO molekula, iespējams, ir visizturīgākā, tā saistīšanās enerģija ir 1016 kJ / mol. (Nākamais stiprums ir N2 molekula ar obligāciju enerģiju 892 kJ / mol. Abās molekulās ir trīs saistošu elektronu pāri, ķīmiskajā valodā ir trīs valences saites. CO molekulā pirmais viens no elektroniem pāriet no O uz C, tad O + un C- un C- tas ir līdzīgs slāpekļa atomiem, ko apstiprina dipola moments CO molekulā.) CO2 molekulā otrā skābekļa atoma saite ir vājāka: saskaņā ar tabulu. 3.1

Skābekļa saistīšanās enerģija šajos savienojumos ir salīdzināma ar sākotnējās skābekļa molekulas saistošo enerģiju. Tā kā

tad tikai 240 kJ / mol uz vienu skābekļa atomu. Skābekļa molekulas zemā saistīšanās enerģijā - tā ķīmiskās aktivitātes iemesls un oksidācijas kā enerģijas avota izmantošanas iemesls.

Oglekļa atoma saistīšanās enerģija grafīta kristāla režģī (kā arī dimanta un amorfā oglekļa) ir ļoti augsta. Salīdzinoši nelielā reakcijas enerģija C (s) + 0,5O2 = = CO + 98 kJ / mol ir divu ļoti lielu daudzumu starpība: viens no O2 slāņa enerģijas daudzumiem no atoma jāatskaita no CO saiknes enerģijas (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) ) un atņem oglekļa atoma iztvaikošanas siltumu. Faktiski nosaka arī iztvaikošanas siltumu, kas ir vienāds ar 671 kJ / mol. Tas ir arī ļoti liels daudzums.

Cietā oglekļa un gāzveida ūdeņraža pārveidošana par ogļūdeņraža kurināmo notiek ar nelielu enerģijas izmaiņu. No otras puses, kad skābekli ievada tina spirtu, aldehīdu un ketonu, organisko skābju, ogļhidrātu organiskajās molekulās, gandrīz tikpat daudz enerģijas tiek atbrīvota, jo tas tiek atbrīvots pilnīgas sadegšanas laikā (līdz CO2 un H2O), protams, ar vienāda daudzuma skābekļa patēriņu. Tāpēc ir iespējams tuvināt, ka, pilnībā sadedzinot jebkuru organisko kurināmo, izdalās 419-500 kJ / mol patērētā skābekļa. Vienīgie izņēmumi ir daži endotermiski, ar enerģiju bagāti savienojumi, piemēram, acetilēns un dicāns, to sadegšanas siltums ir lielāks.

Nepilnīga sadegšana ir enerģiski neizdevīga ne tikai degvielas molekulas aprēķināšanā, bet arī izlietotā skābekļa molekulā. Reakcijā 2Q (s) + O2 = 2CO, tikai 466 vietā izdalās tikai 210 kJ / mol, kad sadedzina ūdeņradi un 526 sadedzina CO.

Spēcīga atoma C saite cietā oglekĜā rada faktu, ka ogleklis neiztvaiko. Ogleklis atstāj cieto stāvokli tikai ar skābekli CO vai CO2 formā.

Nepilnīgas sadegšanas un zemas temperatūras gadījumā reakcija 2СО = СO2 + С (tv) + 41 kJ / mol ir enerģiski izdevīga tikai attiecībā uz cieto oglekli. Aprēķinot brīvo oglekļa atomu, attiecīgajai reakcijai 2CO = СO2 + С - 129 kJ / mol ir liels enerģijas barjeras. Tāpēc degšanas laikā sodrēji un sodrēji veidojas tikai no organisko molekulu sadalīšanās, kam ir oglekļa skelets, bet ne no CO.

Tagad mēs pievēršamies oksidācijas reakcijām, kas saistītas ar slāpekli.

Slāpekļa molekula N2 ir ļoti spēcīga - tās disociācijas enerģija ir 226 kJ / mol. Tāpēc N2 un O2 pārvēršanas reakcija uz 2NO ir endotermiska, un termodinamisku iemeslu dēļ var notikt tikai augstā temperatūrā.

Augstāku oksīdu (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) veidošanās no slāpekļa un skābekļa notiek, praktiski nemainot enerģiju (salīdzinot ar N2 un O2 saistošo enerģiju). Tāpēc no enerģijas viedokļa skābeklis, kas iepakots savienojumos ar slāpekli (CH3-ONO2-nitroesteris, CH3 (CeH2) (NO2) 3-trinitrotoluēns), ir gandrīz līdzvērtīgs gāzveida skābeklim. Skābeklis, kas integrēts organiskajā molekulā, bet saistīts ar slāpekli, ļauj izveidot vielas, kas emitē daudz enerģijas, kad molekula tiek pārkārtota, veidojot N2, un skābeklis tiek pārnests uz CO2 un H2O molekulām. Šī iemesla dēļ savienojumi, kuros skābeklis ir saistīts ar slāpekli (kā arī hlora grupās С3 un СlO4), tiek izmantoti kā pulveri un sprāgstvielas.

Tās ir vispārējās idejas par sadegšanas molekulāro enerģiju.