Kimi i proceseve të djegies. Energji shpërthyese

Energji shpërthyese

Përparësitë kryesore të eksplozivit mbi burimet e tjera të energjisë janë kompaktësia, transportueshmëria dhe fakti që lirimi i energjisë mund të bëhet në kohë të shkurtra, duke bërë të mundur zhvillimin e fuqisë së madhe. Pra, me shpërthimin e një ngarkese sferike me një masë prej 1 kg dhe një densitet prej 1,65 g / cm3, e cila është bërë nga eksogenimi i fuqishëm eksogenent, i ngacmuar (i iniciuar) në qendër, shpejtësia e përhapjes së transformimit shpërthyes nëpërmjet substancës (detonimit) është 8300 m / s. Mënyra r  (rrezja e ngarkimit), e cila do të kalojë detonimin, përcaktohet nga barazia

ku Gup -  dendësia në masë dhe ngarkesa, respektivisht.

Koha e zbatimit të procesit - τ = r / D (D  shpejtësia e shpërthimit).

pushtet N  (kJ / e), e zhvilluar gjatë shpërthimit, mund të vlerësohet, duke ditur sasinë e nxehtësisë së lëshuar q  me transformimin shpërthyes të 1 kg RDX:

Për RDX q  = 5420 kJ / kg. Fuqia e llogaritur mbivlerësohet, pasi nuk është marrë parasysh koha gjatë së cilës gazrat zgjeruese kryejnë punë. Duhet të theksohet se tejkalon kapacitetin e termocentraleve më të mëdha në botë. Janë quajtur eksplozivë të aftë për një transformim të tillë të shpejtë prish.

Shpërthimet shpërthyese lëshojnë nisjen e eksplozivëve, të cilët praktikisht nuk kanë përdorim të pavarur dhe përdoren vetëm për përgatitjen e eksplozivëve. Mjetet e shpërthimit (kapakë shpërthyese, fishekë shpërthyese, siguresa, litarët detonues etj.) Kombinohen në një nëngrup të veçantë. Shpërthimi i eksplozivëve, barut dhe eksploziv përbëjnë një grup materialesh shpërthyese. Gjatë shpërthimit dhe djegies gjatë shkarkimit, janë shtuar kushte shtesë për shndërrimin e eksplozivëve në gazra: për armët e armëve - djegia e qëndrueshme në presione të ndryshme, për prishjen e eksplozivëve - një shkallë jashtëzakonisht e lartë e përhapjes së transformimit nga substanca.

Sidoqoftë, eksplozivi nuk është i aftë vetëm për transformime të shpejta. Nëse ndizni një sasi të vogël të eksplozivëve me mjete konvencionale dhe lejoni që ajo të digjet në kushte atmosferike pa penguar shkarkimin e gazrave, djegia do të bëhet ngadalë dhe me qetësi. Metoda e shkatërrimit të eksplozivëve të paarritshëm nga djegia bazohet në këtë, me ekzekutim të kualifikuar, është i sigurt dhe i përshtatshëm. Në rast të djegies së pahijshme, mund të lindin rrethana nën të cilat djegja do të kthehet në shpërthim spontanisht me konvertimin më të shpejtë të eksplozivëve në gazra.

Çfarë është një shpërthim? Shpërthimi i referohet transformimit fizik ose kimik të një substance, në të cilën energjia e saj kalon shpejt në energjinë e ngjeshjes dhe lëvizjes së vetë substancës ose produkteve të transformimit të saj dhe të mjedisit.  Energjia e shpërthimit mund të jetë e ndryshme. Lirimi i energjisë kimike, elektrike, bërthamore, termonukleare, termike, kinetike, energjisë elastike të kompresimit mund të shoqërohet me procese shpërthyese. Për shembull, në metodën elektro-shkëndore të shkatërrimit të materialeve përdoren mikro-shpërthime, burimi i energjisë së të cilit është një shkarkesë elektrike dhe transportuesi i energjisë është produkti i avullimit dhe dekompozimit ose thjesht ngrohja e mjedisit në të cilin kryhet shkarkimi. Shpërthimi i shkaktuar nga shkatërrimi i bombolave ​​të gazit të ngjeshur, kaldaja me avull, enët me presion të lartë, mund të vazhdojë me shpejtësi të lartë dhe të shkaktojë dëme serioze në hapësirën përreth.

Megjithatë, rëndësia kryesore është përdorimi i energjisë kimike potenciale, e cila në shumë substanca nën kushte të caktuara (si rezultat i një reagimi kimik) mund të kalojë shpejt në energjinë e gazeve të ngjeshur. Substancat e aftë për transformime të tilla quhen shpërthyese dhe kimikatet shpërthyese. Në të ardhmen, nën shpërthim, pa rezerva të veçanta, ne do të kuptojmë vetëm shpërthimin kimik, dhe të gjitha proceset në shqyrtim i atribuohen proceseve që ndodhin gjatë një shpërthimi kimik.

Një shpërthim mund të karakterizohet nga sasia e energjisë së lëshuar. Meqenëse ky proces nganjëherë vendoset nga parametrat e pajisjes (për shembull, për radiatorët pneumatikë - nga vëllimi i dhomës dhe presioni i ajrit të kompresuar), duhet të jetë në gjendje të përcaktojë energjinë e tij. Për një radiator pneumatik, është e barabartë me PV /(k  - 1), ku P  - presioni i gazit të ngjeshur; V -  vëllimi i dhomës; k -  faktor korrigjimi (për ajër k  = 1.4), për radiator shkarkues elektrik - UC2/2,   ku C  - kapaciteti U - tension. Energjia e eksplozivëve kimikë është vendosur më së shumti nga nxehtësia e shpërthimit në kilojoule për kilogram. Natyrisht, krahasimi i burimeve përfshin transferimin e energjisë nga një njësi në tjetrën (kaloritë në joule, etj.).

Në lidhje me shqyrtimin e shpërthimit, le të prekim procesin, deri në një masë të kundërt me të, impulsin, i cili po fillon të zbatohet në teknologji. Me shpërthimin e ngarkesës shpërthyese, niveli i energjisë lejon gazrat për shkak të zgjerimit për të kryer punën në mjedisin e jashtëm. Në impulsion substanca e mjedisit që rrethon burimin ka një presion më të lartë sesa në vetë burimin dhe kur heqim pengesën ndarëse është e mundur të nxitojmë brenda burimit. Një proces i tillë mund të shkaktojë shqetësime në valë. Shembulli më i thjeshtë i një impulsi është një llambë e një llambë elektrike (është evakuuar), e thyer në ajër. Sa më i madh presioni i mesme, aq më shumë energji mund të lirohet kur kollapi i zgavrës. Në puset e thella, bëhet e rëndësishme edhe në zgavrat e vogla. Një fenomen i ngjashëm është vërejtur gjatë një shpërthimi nënujor kur prodhimet shpërthyese të ekspansionizuara rrënohen nën veprimin e presionit hidrostatik. Në sizmik, kjo është regjistruar si ndikimi i dytë i një shpërthimi të prodhuar në një rezervuar, me një thellësi të mjaftueshme të ngarkesës në të.

Shpërthimi kimik  - transformim kimik i vetë-përhapjes së një substance që vazhdon me shpejtësi të lartë, prodhimi i nxehtësisë dhe formimi i gazrave të ngjeshur në presion të lartë. Detonimi është një rast i veçantë i një shpërthimi të kryer me një shpejtësi konstante dhe maksimale për një substancë të caktuar.

Para së gjithash, është e nevojshme të vlerësohet energjia (sasia e nxehtësisë) e lëshuar gjatë shpërthimit. Reagimet janë të dy llojeve - me lirimin e nxehtësisë (ekzotermike) dhe me thithjen (endotermike). Ngrohja e formimit të molekulave - komponimet nga atomet (nxehtësia e formimit të fundit është zero) - mund të jetë ose negative (është e nevojshme për të shpenzuar energji shtesë në formimin e tyre nga elementët) si dhe pozitiv. Nxjerrja e nxehtësisë nga eksplozivet zakonisht shkaktohet nga reagimi midis komponentëve të djegshëm dhe agjentit oksidues (oksigjenit), i cili është pjesë e tij. Nëse eksplozivi është një përbërje kimike individuale, atëherë ata do të jenë grupe të ndryshme në molekulë, nëse janë të përziera, ato janë substanca të ndryshme që përbëjnë përzierjen. Raporti i tyre përcakton balancën e oksigjenit të substancës. Kur oksigjeni nuk është i mjaftueshëm për të oksiduar tërësisht komponentin e ndezshme të eksplozivit, bilanci është negativ. Në substancat me një bilanc pozitiv të oksigjenit, një pjesë e oksigjenit në shpërthim mbetet e papërdorur dhe humbet në mënyrë jo produktive. Vetitë e eksplozivëve të përbërë mund të ndryshohen duke përzgjedhur oksiduesit e duhur dhe të ndezshëm.

Bilanci i oksigjenit përkufizohet si mangësi ose e tepërt (në gram) e oksigjenit të kërkuar për oksidim ose 100 g të mbetjeve shpërthyese gjatë oksidimit. Për tetranitrometën C (ΝO2) 4 është e barabartë me +49, nitrat amonit ΝH4ΝΟ3 - +20, trotil C7H5N3O6 - -74, heksogjen (СH2N2) 3 - -21.6. Balanca maksimale negative e oksigjenit, sipas definicionit, është për hidrogjen (-794), maksimumi pozitiv është për oksigjenin (+100).

Një shembull i eksplozivëve me një balancë negative të oksigjenit është trotyl, një eksploziv i përbashkët. Emri i saj kimik është trinitrotoluene, emrat tol, TNT janë gjetur. Siç mund të shihet nga formula strukturore, komponentët e djegshëm - atomet e hidrogjenit dhe karbonit dhe agjentit oksidues - janë oksigjen, i cili është pjesë e grupit nitro (NO2), në molekulën TNT ende nuk janë të ndërlidhur:

Bazuar në formulën e substancës, ju mund të specifikoni në cilin drejtim reagimi do të vazhdojë në të, cilat produkte mund të formohen në këtë rast. Për TNT, reagimi i dekompozimit shpërthyes është si më poshtë:

Përbërja e produkteve varet nga kushtet e shpërthimit dhe gjendja e tyre përfundimtare (shkalla e zgjerimit). Shumë sisteme shpërthyese janë të parët që realizojnë reagimet që karakterizohen nga lirimi maksimal i energjisë. Kështu, në një substancë që ka formulën e formës CaH4McOd, me një mungesë relativisht të vogël të oksigjenit [ d< (2a + b / 2)] para së gjithash, hidrogjeni reagon me oksigjenin si më të favorshmet, përderisa 255 kJ lëshohet për njësi të oksigjenit gjatë formimit të H2O dhe 187 kJ / gjatë formimit të CO2 (nxehtësia e formimit të CO2 është 379 kJ / mol).

Qasja për llogaritjen e nxehtësisë së transformimit të eksplozivëve, në të cilën regjistrohen ato të produkteve të mundshme të reagimit, formimi i të cilave siguron efektin maksimal të saj termik, quhet parimi i funksionimit maksimal. Llogaritja deri në një farë mase idealizon procesin dhe jep saktësinë më të madhe për sistemet me një pozicion pozitiv ose me një balancë të lehtë të oksigjenit. Në fakt, përbërja e produkteve shpërthyese (PT) zakonisht nuk korrespondon me këtë llogaritje. Kjo e fundit është për shkak të faktit se ndërveprimi vazhdon për një kohë pas shpërthimit dhe një ekuilibër është vendosur midis produkteve të reaksioneve me efektet termike pozitive dhe negative. Shembuj të këtyre të fundit janë reagime

Për llogaritjet e përafërta të sistemeve me një bilanc negativ të oksigjenit, mund të përdorni metodën Le Chatelier, bazuar në parimin e volumit maksimal dhe nëse vëllimet janë të njëjta, atëherë reagimi me një lëshim të madh të nxehtësisë ka përparësi. Metoda është më e vlefshme për përcaktimin e gjendjes përfundimtare të produkteve shpërthyese. Reagimi mbizotërues është oksidimi i karbonit në CO. Nëse oksigjeni është nëneksekspozuar, atëherë ai shpenzon në mënyrë të barabartë në oksidimin shtesë të CO dhe H2. Reagimi i dekompozimit të RDX në këtë rast është shkruar si:

Një llogaritje më e saktë e përbërjes së produkteve shpërthyese bëhet duke marrë parasysh kinetikën dhe kushtet e reaksioneve. Saktësia e këtyre llogaritjeve nuk është gjithmonë e mjaftueshme për shkak të mungesës së informacionit të besueshëm për gjendjen e substancës në temperatura dhe presione të larta. Të dhënat mbi nxehtësinë dhe përbërjen e produkteve shpërthyese gjithashtu merren eksperimentalisht, për të cilat janë zhvilluar dhe përdorur me sukses metoda të veçanta të hetimit të shpërthimit.

Siç është thënë tashmë, energjia e shpërthimit karakterizohet nga nxehtësia e transformimit eksploziv të eksplozivëve. Njohja e nxehtësisë së formimit të prekursorëve dhe produkteve të shpërthimit dhe përdorimit të ligjit Hess (efekti termik i procesit nuk varet nga rruga e transformimit, por në gjendjen fillestare dhe përfundimtare të substancave), ne mund të llogarisim ngrohjen dhe një numër parametrash të tjera të shpërthimit. Llogaritje të tilla mund të ndodhin edhe në praktikën e një inxhinier gjeofizik, meqë eksplozivë të përzier dhe baruti përdoren dhe do të përdoren në sasi në rritje.

Kryeni llogaritjen e një përzierje të lirë shpërthyese të tipit Idanit nga nitrat amonit të grimcuar me lëndë djegëse të lëngshme. Për lehtësimin e llogaritjes, në vend të produkteve të naftës të përdorura - vaj diellor ose vajguri, të cilat janë një përzierje e substancave - marrin benzinë ​​(C6H6). Konsideroni rastin kur përzierja shpërthyese është e specifikuar nga treguesi i komponentëve dhe bilanci i oksigjenit. Le të jepet që një përzierje e benzenit dhe nitratit të amonit të ketë një balancë oksigjeni prej -10, përndryshe do të mungojë 10 g oksigjen për të oksiduar plotësisht 100 g të përzierjes. Për të filluar, ne do të përcaktojmë se çfarë përbërje duhet të ketë përzierja për të përmbushur detyrën.

Në mënyrë që të thjeshtësojmë zgjidhjen, le të imagjinojmë që eksplozivët tanë, siç janë, përbëhen nga dy pjesë - një nga përbërësit (në këtë rast, karburant, sepse bilanci është negativ), marrë në një sasi që siguron balancën e dëshiruar dhe një përzierje të substancave të specifikuara të bilancit zero të oksigjenit stoichiometric). Nëse shtojmë një përzierje të tillë në sasinë e llogaritur të karburantit, duke e çuar peshën totale në 100 g, ne do të marrim një përbërje me një ekuilibër të dhënë oksigjeni.

Vazhdoni të bëni llogaritjet.

Në oksidimin e molekulës së benzenit (pesha e tij molekulare është 78)

do të duhet 15 atome oksigjeni. Prandaj, sasia e benzenit x1, oksidimi i të cilit kërkon 10 g oksigjen, ne marrim nga proporcioni "benzeni - oksigjeni është i nevojshëm":

Duke shtuar në këtë sasi (100 - x1) g përzierjen e bilancit zero të oksigjenit, ne marrim një përzierje të një përbërjeje të dhënë.

Le të kthehemi në llogaritjen e përmbajtjes së përbërësve në 96.75 g të një përzierje stoikiometrike. Përcaktoni oksigjenin e tepërt në oksidues. Saltpeter dekompozon dhe liron oksigjenin:

për më tepër, 80 g agjent oksidues (pesha molekulare e nitratit të amonit 80) do të nxjerrë 16 g oksigjen. Reagimi ndërmjet benzenit dhe nitratit të amonit në një përzierje të bilancit të oksigjenit zero është shkruar si

Pastaj ne marrim proporcionin:

Prandaj, në 96.75 g të përzierjes do të jetë 5.85 g benzen dhe 90.85 g nitrat amoni. Kështu, përbërja përfundimtare e përzierjes me një bilanc të dhënë oksigjeni dhe përbërja e produkteve shpërthyese, të llogaritur sipas parimit të funksionimit maksimal, do të jenë:

Pa përdorur llogaritjen, ishte e mundur që menjëherë të regjistroheshin përmbajtja e karbonit të lirë në produktet shpërthyese, pasi pikërisht prania e tij do të përcaktojë balancën negative të oksigjenit të përzierjes. Meqë oksidimi i plotë i 12 g karbonit kërkon 32 g oksigjen, 10 g oksigjen mund të oksidohet g karbon, ose një pjesë e një mol të karbonit. Këto konsiderata janë të mira për t'u përdorur për të verifikuar korrektësinë e llogaritjeve të bëra.

Përgatitja e një përzierje të tillë është shumë e thjeshtë: sasia e duhur e nitratit duhet të përzihet me benzinë. Duke pasur komponentët fillestarë dhe duke e ditur përbërjen e produkteve shpërthyese, është e lehtë për të llogaritur nxehtësinë e shpërthimit të sistemit. Ngrohja e formimit të komponentëve fillestarë dhe produkteve të shpërthimit gjendet në drejtoritë përkatëse. Pra, për 1 mol të benzenit është (në kJ / mol) -39.1, nitrat amoni - +410.8, CO2 - +444.2, H2O - +271.7.

Efekti termik i shpërthimit Qx ngarkesa në problem mund të përcaktohet nga ekuacioni

(4.29)

Do të jetë 374 kJ / 100 g përzierje, ose 3740 kJ / kg.

Vëllimi i produkteve të gazta të formuara (në litra) mund të llogaritet nga ekuacioni i reaksionit duke shumëzuar numrin e moleve të gazit me 22.4 (vëllimi i një molekule gram). Natyrisht, kjo duhet të marrë parasysh gjendjen e substancës. Pra, karboni (temperatura e lartësimit mbi 3700 ° C në presionin normal atmosferik) nuk do të japë një fazë të gazit, sigurisht, uji do të jetë me avull. Vëllimi i produkteve shpërthyese, të referuara në kushtet normale atmosferike, quhet vëllimi i dhënë.  Në problemin e diskutuar më lart, do të jetë rreth 800 l / kg.

Nëse ngrohjes dhe përbërja e produkteve shpërthyese janë të njohura, atëherë temperatura e tyre Tdielli mund të përcaktohet nga relacioni Tmarrë = = Q / Cvcr ku Cv cp është kapaciteti mesatar i nxehtësisë i produkteve shpërthyese (me një vëllim të vazhdueshëm) për intervalin Τ 0–Τ marrë. Është e rëndësishme të theksohet se kapaciteti i nxehtësisë është një funksion i temperaturës.

Ky i fundit paraqet disa komplikime (thjesht teknike) në llogaritjen, pasi që lloji i varësisë është i njohur. Megjithatë, është më e lehtë të përdoren të dhëna të gatshme për përmbajtjen e nxehtësisë së gazeve në temperatura të ndryshme (Tabela 4.1).

Tabela 4.1

Ndryshimi në përmbajtjen e nxehtësisë (energjia e brendshme) e disa gazeve (kJ / mol)

Duke pasur parasysh temperaturën dhe njohjen e përbërjes së produkteve të shpërthimit, ju mund të gjeni përmbajtjen e tyre të ngrohjes dhe krahasoni atë me nxehtësinë e shpërthimit. Krahasimi do të përcaktojë natyrën e gabimit të bërë kur zgjedh një temperaturë. Përsëritja e operacionit, por me një temperaturë të ndryshme (të korrigjuar), mund të përdorni metodën e përafrimit për të gjetur temperaturën e shpërthimit.

Duhet të theksohet se energjia e lëshuar gjatë shpërthimit është relativisht e vogël: eksplozivi më i fuqishëm ka një nxehtësi shpërthimi prej 6500-6700 kJ / kg. Me shpërthimin e 1 kg TNT, rreth 4 000 kJ ngrohje lëshohet në ajër dhe kur djeg 1 kg naftë - rreth 44.000 kJ. Por nxehtësia e djegies prej 1 kg të një përzierje të vajit të naftës me oksigjen do të jetë vetëm 10,000 kJ dhe 1 kg një përzierje e naftës dhe ajrit - 2670 kJ. U theksua në mënyrë të përsëritur se, përveç lëshimit të energjisë, një shpërthim karakterizohet nga formimi i produkteve që janë në gjendje të gaztë në ato temperatura që arrihen gjatë një shpërthimi.

Edhe pse nxehtësia e reagimit të termiteve

rreth 2.3 herë më e lartë se nxehtësia e dekompozimit shpërthyes të TNT, djegja e tij vazhdon me qetësi; produktet që rezultojnë, madje edhe në ato temperature në të cilat ata janë të nxehtë, mbeten të lëngshme. Por duhet të laget termiti, pasi ndryshimi i fotos: nxehtësia e kthen ujin në avull dhe djegja shoqërohet nga procese shpërthyese. Shpërthimi në vëllimin e zënë nga ngarkesa, shpërthimi i formuar menjëherë i ngjeshur në gazra të mëdha - produkte reagimi, duke siguruar realizimin e energjisë së lëshuar në formën e punës së bërë duke zgjeruar gazrat.

Kur krijojmë një eksploziv, natyrisht jemi të interesuar për faktin se me njëqind shpërthime, më shumë energji lirohet dhe formohen gazra të ngjeshur që janë në gjendje të realizojnë energjinë në mënyrën e duhur. Ndonjëherë këto kërkesa konfliktohen. Kështu, energjia e dekompozimit shpërthyes mund të rritet duke zgjedhur lëndën djegëse të përshtatshme, në veçanti futjen e metaleve në përbërjen e eksplozivit, për shembull alumini (nxehtësia e formimit të A12O3 është 1599 kJ / mol). Produktet e oksidimit të aluminit janë të ngurta. Shtimi (deri në një kufi të caktuar) të aluminit për disa përzierje shpërthyese mund të rrisë efikasitetin e kësaj të fundit. Ekzistojnë eksplozivë me nxehtësi të shpërthimit, që përmbajnë metale përbërëse. Siç është përmendur tashmë, përbërja e produkteve të shpërthimit varet jo vetëm nga eksplozivi, por edhe nga kushtet e shpërthimit: mënyra e fillimit, madhësia dhe dizenjimi i ngarkesës dhe guaskës, kushtet e mjedisit në të cilin ndodh shpërthimi. Nëse produktet fillestare mbeten konstante dhe përbërja e produkteve shpërthyese ndryshon, edhe efektet termike të shpërthimit do të ndryshojnë, prandaj për disa eksplozivë jepen vlera të ndryshme të nxehta të shpërthimit në varësi të kushteve në të cilat kryhet. Si shembull, në tabelë. 4.2 tregon (sipas R. Schmidt) përbërjen e produkteve të shpërthimit të TNT (dendësia 1.52) kur një shpërthim i ngarkuar është ngacmuar nga iniciatorë të dobët dhe të fortë.

Në mënyrë që transformimi i eksplozivëve për shkak të fillimit të një reagimi të shpejtë kimik të kalojë mbi të gjithë ngarkesën, procesi duhet të jetë vetëpërhapës. Për ta bërë këtë, reagimi kimik duhet të ketë karakteristikat e duhura kinetike dhe lirimi i energjisë duhet të kompensojë humbjet e pashmangshme. Shkalla e reagimit, aftësia për të vetëpërhapur, ekzotermikësia, formimi i gazit janë të ndërlidhura ngushtë dhe ndikojnë njëri-tjetrin dhe kufijtë e procesit shpërthyes.

Tabela 4.2

Përbërja e produkteve të shpërthimit të TNT

Në tab. 4.3 tregon karakteristikat e një numri eksplozivësh dhe pluhurash të përdorura nga industria.

Tabela 4.3

Karakteristikat eksplozive të disa eksplozivëve

Një eksploziv në një shpërthim liron energjinë për shkak të faktit se një sasi e vogël e shpërthyesit të ngurta ose të lëngshëm shndërron në një sasi të madhe gazi të nxehtë për temperatura të mijëra gradave. Për lloje të ndryshme të eksplozivëve, vëllimi i gazeve të liruara për 1 kg eksploziv, me volum fillestar prej jo më shumë se 0.8-1 l, është një vlerë prej 300 deri 1000 l dhe më shumë. Formuar gjatë shpërthimit të produkteve të dekompozimit të gaztë të nxehtë të eksplozivëve fillojnë të zgjerohen, duke prodhuar punë mekanike. Kështu, eksplozivët kanë një rezervë energjie latente kimike të lëshuar gjatë një shpërthimi. Megjithatë, jo vetëm eksplozivi ka energji latente, por, për shembull, benzinë, qymyr, dru zjarri dhe substanca të tjera të djegshme. Kjo energji e substancave të ndezshme mund të lëshohet gjatë djegies. Pse, për qëllimin e shkatërrimit dhe hedhjes, përdoren eksplozivë dhe baruti, në vend të, për shembull, benzinës? Dihet se 1 kg energji benzine është 10 herë më shumë se 1 kg TNT, dhe 12 herë më shumë se pluhur piroxylin pa tym. Por ngarkesa eksplozive dhe ngarkesa e barut me shpejtësi të madhe kthehen në gaz, dhe benzina ose ndonjë lëndë djegëse nuk mund të digjen pa mjaft ajër ose oksigjen të lirë. Djegija e 1 kg benzinë ​​kërkon sa më shumë oksigjen që përmban 15.5 kg ajri. Prandaj, nxehtësia e djegies (energjisë) e karburantit duhet të llogaritet për 1 kg përzierjen e saj me oksigjenin e nevojshëm për djegien e plotë të tij. Me këtë llogaritje, diferenca në energjinë e djegies së një përzierje të benzinës me oksigjenin dhe energjinë e shpërthimit të një ngarkese shpërthyese të të njejtës sasi është më e ulët se ajo e dhënë më lart, megjithatë, në këtë rast sasia e energjisë së lëshuar gjatë djegjes së benzinës është më shumë: pluhur pa tym 2860 kJ / kg, trotyl 4100 kJ / kg, një përzierje e benzinës me oksigjen - 11,000 kJ / kg. Rrjedhimisht, nuk është sasia e energjisë që përmbahen në eksplozivë dhe baruti që është arsyeja kryesore për përdorimin e tyre për qëllime shkatërrimi dhe hedhjeje. Arsyeja kryesore nuk është në madhësinë e energjisë, por në lirimin e saj shumë të shpejtë. Në qoftë se djegia e 1 kg benzinë ​​në një motor automobilistik (në varësi të fuqisë dhe ngarkesës së motorit) në 10-60 min, 1 kg pluhur djeg në dhomën e akuzuar të një arme me artileri për disa mijëra sekonda dhe shpërthimi i 1 kg TNT zgjat vetëm 30 -40 qindra sekonda. Energjia gjatë një shpërthimi lëshohet dhjetëra milionë herë më shpejt sesa gjatë djegies së karburanteve. Kjo shpjegon fuqinë e madhe të shpërthimit. Sidoqoftë, është më e saktë të llogaritet fuqia e shpërthimit jo nga koha e shpërthimit të të gjithë ngarkesës, por me kohën që produktet e shpërthimit tejkalojnë nivelin normal të presionit atmosferik, arritja e një niveli të tillë si rezultat i shtënimit me shpejtësi të lartë të procesit shpërthyes ndodh brenda disa milisekondave. Në këtë rast, fuqia prej 1 kg TNT shprehet me më shumë se 1 MW. Por edhe në kushte reale, kjo fuqi nuk mund të realizohet plotësisht për shkak të kohëzgjatjes së saj të shkurtër, inercia masive të materialit që transferohet ose shkatërrohet, në të cilin vepron, si dhe humbjet për shkak të ngrohjes mjedisore, bluarjes së tepërt dhe përhapjes së tij, shpërthim pas zgjerimit të tyre përfundimtar dhe në humbjet e pashmangshme kimike. Si rezultat, puna e dobishme mekanike shpesh nuk kalon 1-2%, dhe kur shpërthen në një mjedis të ngurtë - 8-9% të energjisë që përmban eksplozivi. Megjithatë, sasia e madhe e energjisë potenciale që përmbahen në eksplozivë dhe barut bën ato të domosdoshme, pavarësisht nga përdorimi jo i plotë i saj në një shpërthim. Fuqia e lartë është tipike për eksplozivë dhe kur ato përdoren për hedhjen e predhës. Fuqia e pluhurit të ngarkuar me një kalibër të artilerisë të shtënë është 10 MW.

Kronologjia e parë (fundi i shekullit të nëntëmbëdhjetë) ishte teoria termike, themeluesit e së cilës janë piktori, Le Chatelier dhe Nusselt. Baza e kësaj teorie është hipoteza e Van't Gough për varësinë e temperaturës së shkallës së një reaksioni kimik. Gjendja për një shpërthim termik është dominimi i inputit të nxehtësisë për shkak të energjisë së reagimit mbi heqjen e nxehtësisë në mjedis. Në këtë rast, sistemi akumulon ngrohjen, e cila çon në vetë-ngrohje dhe, në përputhje me rrethanat, me vetë-përshpejtimin e reagimit.

Ndodhja në sistemin e reaksionit të oksidimit të djegshëm është më së shpeshti i lidhur me ngrohjen e sistemit me një ose një burim të ndezjes. Kur sistemi i karburantit nxehet, energjia e molekulave të karburantit dhe oksigjeni rriten dhe, kur arrijnë një vlerë të caktuar, aktivizohen, dmth. Qendrat aktive (radikale dhe atome) me valenca të lira formohen, si rezultat i së cilës molekulat e një substance të djegshme lehtë bashkohen me oksigjenin nga ajri. AN Bach dhe C. Engler në 1898 propozuan në mënyrë të pavarur teorinë e peroksidimit të oksidimit, sipas të cilës kur një sistem i djegshëm nxehet, oksigjeni aktivizohet duke thyer një lidhje midis atomeve dhe molekula aktive hyn në një përbërje me një lëndë të djegshme, pa u shkrirë në atome dhe duke formuar peroksidet e tipit: R1-OR2 ose ROO-OH.

Megjithatë, teoria e peroksidit nuk është në gjendje të shpjegojë disa karakteristika karakteristike të procesit të oksidimit, për shembull, një efekt të mprehtë, nganjëherë gjurmë të papërfillshme të papastërtive.

Shkalla e reagimit kimik, m / s, mund të shprehet në bazë të ligjit Arrhenius, sipas ekuacionit të mëposhtëm:

, (1.12)

ku është norma konstante e reagimit (shkalla e reagimit kimik në përqendrimet e reagentëve të reduktuar në unitet);

Përqendrimi i reagentëve, mol / m 3;

Koeficientët stoekometrik të përcaktuar nga raporti i përqëndrimeve të reagentëve fillestarë në ekuacionin e reaksionit stoichiometric;

Baza e logarithmave natyrore;

Konstantja e përgjithshme e gazit, = 8.3 J / (mol ∙ K);

  - temperatura, K.

Teoria termike e vetë-ndezjes (e quajtur edhe teoria e shpërthimit termik) bazohet në një krahasim të normave të gjenerimit të nxehtësisë gjatë oksidimit ekzotermik dhe largimit të nxehtësisë nga përzierja e reaguar në muret e enës që e përmban atë. Gjendja e vetë-ndezjes përcaktohet nga barazia e këtyre shpejtësive. Temperatura e mureve të anijes në të cilën arrihet kjo barazi quhet temperatura e vetë-ndezjes. Duke filluar nga kjo temperaturë (karakteristikë në secilin rast për kushtet specifike të dhëna - madhësia dhe forma e enës, vetitë termofizike të gazit) ndodh vetë-ngrohja, e cila mund të çojë në një blic (vetë-ndezje).

Duke marrë parasysh sa më sipër, për vetë-ngrohje në një mjedis reaktiv mund të shkruajmë:

ku është kapaciteti i nxehtësisë në një vëllim të vazhdueshëm, J / K;

Dendësia e gazit, kg / m 3;

Temperatura e gazit, K;

Koha, s;

Efekti i reaksionit të ngrohjes, W;

Shkalla e reagimit, m / s;

Sipërfaqja e enës së reaksionit, m 2;

Vëllimi i enës së reaksionit, m 3;

Koeficienti i transferimit të nxehtësisë, W / (m 2 × K);

Temperatura e murit të anijes, K.

DA Frank-Kamenetsky propozoi një kriter për ndezjen termike, bazuar në një shkelje të shpërndarjes stacionare të temperaturës në një anije me avull me një shkallë të mjaftueshme të lirimit të nxehtësisë:

, (1.14)

ku është madhësia karakteristike e anijes, m;

Faktori Preexponential;

Përçueshmëria termike e përzierjes së gazit, W / (m × K);

Një kriter pa dimension për 3.3; 0.88 dhe 2, respektivisht, për anijet sferike, aeroplan paralele dhe cilindrike.

Kriteri i D.A Frank-Kamenetsky duhet të kuptohet si më poshtë: nëse gjatë zëvendësimit të të gjithë parametrave që përcaktojnë, marrim një vlerë, atëherë nuk do të ketë ndezje, kur ndizet ndezja. Nga ekuacioni i kriterit vijon që nxehtësia e reaksionit dhe rrezja e enës në të cilën ndodh reaksioni janë faktorë të rëndësishëm përcaktues të një shpërthimi. Shpërthimi termik shprehet më i ndritshëm, aq më mirë janë përmbushur pabarazitë:

Nëse këto pabarazi janë përmbushur dobët, atëherë shpërthimi termik degjeneron - njëkohësisht me rritjen e temperaturës, ndodh një shpërthim i shpejtë i substancës fillestare, e cila ndan figurën e shpërthimit.

Shfaqja e djegies është më së shpeshti e lidhur me ngrohjen e sistemit të djegshëm nga një ose një burim i ndezjes. Sipas teorisë së akademikut N.N. Semenov, procesi i oksidimit shoqërohet nga lirimi i nxehtësisë dhe në kushte të caktuara mund të përshpejtohet. Ky proces i vetë-përshpejtimit të reagimit të oksidimit me kalimin e tij në djegie quhet vetë-ndezje.

Në rastin e vetë-ndezjes termike, kjo ndodh për shkak të tejkalimit të shkallës së lirimit të nxehtësisë mbi shkallën e shkrirjes së nxehtësisë.

Konsideroni procesin e ndezjes termike për shembull gazin e djegshëm ose avujt e një lëngu të djegshëm me ajër, të vendosura në një enë me volum. Me rritjen e temperaturës së enës dhe përzierjes së djegshme, shkalla e reaksionit dhe nxehtësia do të rriten. Varësia e shkallës së lirimit të nxehtësisë në temperaturë, J / s përcaktohet nga:

, (1.15)

ku është nxehtësia e djegies së gazit, J;

Vëllimi i përzierjes së djegshme, m 3;

Norma e reagimit konstante;

Përqendrimi i reaguesit, kg / m 3;

Urdhri i reagimit;

Energjia e aktivizimit, j / mol;

Konstante e vazhdueshme e gazit universal J / (mol · K);

Temperatura e përzierjes, K.

Ngrohja e shkarkuar lëshohet në përzierjen e ndezshme dhe nxehet. Sapo temperatura e përzierjes tejkalon temperaturën e mureve të anijes, largimi i nxehtësisë përmes mureve të enëve do të fillojë për njësi të kohës, në proporcion me ndryshimin e temperaturës ndërmjet përzierjes dhe mureve të enëve dhe përcaktohet nga marrëdhënia:

, (1.16)

ku - shkalla e heqjes së nxehtësisë përmes mureve të anijes, j / s;

Koeficienti i transferimit të nxehtësisë, J / (K · m 2 × s);

Sipërfaqja e mureve të anijes, m 2;

Temperatura e përzierjes, K;

Temperatura e mureve të anijes, K

Figura 1.5 - Varësia e gjenerimit të nxehtësisë në temperaturë në presione të ndryshme

Në figurën 1.5, kthesat 2, 3 dhe 4 tregojnë varësinë e prodhimit të ngrohjes në temperaturë në presione të ndryshme dhe përbërjen e njëjtë të përzierjes. Në anijen e vazhdueshme dhe temperaturat e mesme dhe përbërjen konstante të përzierjes, sasia e nxehtësisë e hequr nga zona e djegies karakterizohet nga një vijë e drejtë 1. Kur ndryshon përbërja e përzierjes, shkalla e humbjes së nxehtësisë dhe rrjedhimisht pjerrësia e vijës së drejtë ndryshon. Sa më i madh presioni, aq më shumë nxehtësi gjenerohet gjatë reagimit (kurba 4). Nën kushtet e përcaktuara nga kurba 2, vetë-ndezja nuk mund të ndodhë, meqë humbja e nxehtësisë (vija e drejtë 1) është më e lartë se gjenerimi i nxehtësisë në këtë presion. Pika e tangjencës së kurbës 3 me një vijë të drejtë korrespondon me ekuilibrin midis nxehtësisë së lëshuar dhe larguar në - temperaturë minimale të ndezjes automatike të një sistemi të djegshëm të dhënë në kushte të caktuara. Me një furnizim të vogël të energjisë nga jashtë, vetë-ndezja është e mundur. Kursi 4 përshkruan kushtet nën të cilat ndezja e vetes është e pashmangshme, meqë nxehtësia lirohet më shumë sesa hiqet.

Duke analizuar skemën e dhënë, N.N. Semyonov krijoi varësinë:

, (1.17)

ku është presioni minimal i ndezjes, Pa;

Temperatura minimale e vetë-ndezjes, K;

Urdhri i reagimit;

Konstant, varësisht nga përbërja dhe vetitë e tjera të përzierjes.

Bazuar në këtë ekuacion (1.17), mundet teorikisht të përcaktohet paraprakisht nëse një vetë-ndezje e një përzierjeje të djegshme është e mundur në këto kushte specifike. Marrëdhënia midis presionit minimal dhe temperaturës së vetëshpalljes u konfirmua nga eksperimente të shumta dhe u tregua e vlefshme në studimin e proceseve të djegies.

Teoria e zinxhirit të djegies

Që në fillim të vitit 1928, N.N.Semenov avanconte idenë e mundësisë së ekzistencës në sistemet kimike të dy llojeve të shpërthimeve - zinxhir dhe termike.

Reaksionet e zinxhirit janë ato që kalojnë nëpër një sërë fazash (përmes një sërë reagimesh të ndërmjetme) në të cilat formohen komponimet e ndërmjetme me valencë të lirë, të ashtuquajtura qendra aktive, të cilat janë germat e fazave pasuese të rrjedhës së shpejtë të procesit.

Koncepti i një reagimi zinxhir të parë u shfaq në vitin 1913, kur një kimist fizik gjerman M. Bodenstein zbuloi se kur u ndez një përzierje hidrogjeni me klor, molekula e klorit, duke thithur një kuant energjie të lehta, shpërtheu në atome:

.

Atomet e klorit reagojnë menjëherë me hidrogjen, duke rezultuar në një shpërthim të përzierjes. Aktivizimi i një molekule të klorit do të kishte shkaktuar formimin e dy molekulave:

.

Megjithatë, eksperimentet tregojnë se kjo prodhon 100,000 molekula klorur hidrogjeni. Kjo mund të shpjegohet nëse supozohet se ndërveprimi i klorit me hidrogjen prodhon një produkt që, kur të hyjë në reaksione dytësore, ringjallet dhe mund të vazhdojë reagimin. Ky supozim korrespondon me skemën e mëposhtme të reagimit:

Unë Reagimi Fillestar

IV qark të hapur

Sipas kësaj skeme, aktivizimi i një molekule klori (I) shkakton shfaqjen e dy atomeve të klorit - dy qendra aktive të reagimit zinxhir. Secili nga atomet e klorit krijon një reaksion zinxhir, në të cilin qendra aktive restaurohet vazhdimisht (II, III). Kështu, nën ndikimin e reaksionit inicues (I), ndodhin reaksione të njëpasnjëshme, duke formuar një zinxhir (II, III, etj). Numri i reagimeve të tilla nga momenti i fillimit të zinxhirit në thyerjen e tij quhet gjatësia e zinxhirit. Një zinxhir mund të shpërthejë në përplasjen e atomeve të klorit (IV) ose atomeve të hidrogjenit (V) dhe formimin e molekulave prej tyre, ose në përplasjen e qendrave aktive me sipërfaqen e ngurtë. Ky është një reagim i zinxhirit tipik jo branching. Në të, çdo qendër aktive shkakton shfaqjen e vetëm një qendre të re aktive, kështu që reagimi mund të vazhdojë, por jo të përshpejtohet.

Në një reaksion zinxhir të degëzuar, çdo qendër aktive krijon dy ose qendra më të reja aktive.

Sipas teorisë së reaksioneve zinxhir, procesi i oksidimit fillon me aktivizimin e një substance të djegshme.

Praktika ka treguar se ndezja mund të ndodhë nën kushtet izotermale, dmth. pa ngritur temperaturën e reagimit të mesëm (ndezja "e ftohtë" e përzierjes). Në këtë rast, ata flasin për një shpërthim zinxhir (izometrik).

Dy komponentët fillestarë: karburant dhe oksidant, duke qenë në një gjendje molekulare relativisht të qëndrueshme, para se të lidhen me produkte të reja të djegies më të qëndrueshme, i nënshtrohen një zinxhiri të tërë transformimesh komplekse komplekse, të cilat rezultojnë në formimin e produkteve të paqëndrueshme: atomet, radikale, molekula të ngazëllyera me relativisht të mëdha shkalla e jonizimit (formaldehidi, radikalet hidrokarbure dhe hidrokloride, oksigjeni atomik dhe hidrogjeni).

Kondratyevu V.N. Ishte e mundur të zbulohej në flakën e hidrokarbureve të ndryshme përqëndrime të larta të oksigjenit atomik (O), radikalët e hidroksideve (OH), radikalët hidrokarbur (CH3), monoksidit të karbonit (CO), formaldehidit (CH20) dhe të tjerëve. dhe miliona herë më të mëdha se përqëndrimet e ekuilibrit të tyre gjatë dekompozimit termik në temperaturën e flakëve të produkteve të reagimit përfundimtar, për shembull, H20 → H + OH.

Rezultatet e këtyre vëzhgimeve çuan në përfundimin se atomet dhe radikalët në shqyrtim shfaqen në gaz reagues jo për shkak të dekompozimit përfundimtar të produkteve, por janë produkte të ndërmjetme të reagimit.

Kështu, mekanizmi i zinxhirit të ndezjes bazohet në një zinxhir të tërë të transformimeve kimike të një substance në tjetrën, rezultati i së cilës është formimi në disa faza të ndërmjetme të produkteve kimikisht shumë të paqëndrueshme, të quajtura qendra aktive, të cilat lehtë reagojnë me njëri-tjetrin dhe me molekulat e substancave fillestare për të formuar Qendra të reja aktive dhe produkte përfundimtare, për shembull, për përzierjen me metan-ajër të H20 dhe CO 2.

Reaktiviteti i lartë i radikalëve dhe i atomeve shpjegohet nga energjia e ulët e aktivizimit të reaksioneve të tyre, e cila është afër energisë së aktivizimit të reaksioneve atomike:

OH + H2 = H2O + H - 25 kJ / mol

Н 3 + С 3 Н 6 - 12,5 kJ / mol

CH3 + C6H6 - 23,5 kJ / mol

H 2 O → H + OH

Çdo grimcë aktive e marrë (H ose OH) duke qenë jashtëzakonisht e paqëndrueshme dhe, prandaj, kimikisht aktive, duke u përplasur me molekulën e substancës origjinale, ndahet, duke formuar grimca të reja aktive:

H + O 2 = OH + O

OH + H2 = H2O + H

Grimcat rezultuese të reagimit të grimcave aktive H dhe HE përsëri hyjnë në reaksione, dhe grimcat e O ndërveprojnë me hidrogjen:

O + H2 = OH + H.

Kjo është, si rezultat i reagimit ndërmjet grimcave aktive dhe molekulave të materialeve fillestare, jo vetëm produktet përfundimtare, por edhe grimca të reja aktive. Grimcat aktive të formuara si rezultat i reagimit krijojnë faza të reja të transformimit kimik, të cilat do të ndodhin para konsumimit të plotë të materialeve fillestare.

Reaksione të tilla të përsëritura kimike quhen reaksione zinxhirore dhe grimca aktive, të cilat krijojnë zinxhirë të rinj transformimesh, janë qendra aktive.

Procesi i mësipërm i zinxhirit të djegies së hidrogjenit mund të përfaqësohet si një diagram (Figura 1.6).

Figura 1.6 - Diagrami i djegies së zinxhirit të hidrogjenit

Nga diagrami mund të shihet se vetëm grimcat e hidrogjenit (H), të cilat janë qendra aktive, krijojnë zinxhirë të transformimit të ri. Në të njëjtën kohë, në çdo lidhje të procesit të zinxhirit, si rezultat i reagimit midis qendrës aktive H dhe molekulës së oksigjenit O 2, përveç produktit përfundimtar H2O, formohen 3 qendra të reja aktive H, duke krijuar kështu zinxhirë të ri të transformimit.

Një reaksion i tillë zinxhir që ndodh me një rritje në qendrat aktive quhet branched. Reagimi zhvillohet si një ortek dhe vazhdon me ritme shumë të larta, duke tejkaluar shpejtësinë e reaksioneve të zakonshme molekulare.

Një reagim tipik me një zinxhir jo-branching është bashkëveprimi i klorit me hidrogjen. Qendrat aktive të këtij reaksioni janë alternuar me atomet e klorit dhe hidrogjenit. Kur një atom kloror reagon, krijohet një atom hidrogjeni, ashtu si kur reagon një atom hidrogjeni, formohet një atom klor. Prandaj, reagimi mund të vazhdojë, por jo i përshpejtuar.

Fakti i njohur se reaksioni fotokimik i klorit me hidrogjen ende përfundon në një shpërthim (vetë-ndezje) është për shkak të faktit që, me një nivel të mjaftueshëm të reagimit të zinxhirit, lirimi i nxehtësisë tejkalon lavamanin e nxehtësisë, si rezultat i së cilës përzierja është shumë e nxehtë dhe kushtet e nevojshme për vetë-ndezjen termike dalin.

Kur ndodh një reaksion zinxhir i degëzuar, i cili është tipik për hidrokarburet, përqendrimi i qendrave aktive mund të rritet pavarësisht nga kushtet fillestare të inicimit dhe nëse shkalla e formimit të qendrave aktive gjatë degëzimit tejkalon shkallën e thyerjes së zinxhirit, atëherë ndodh një proces i ngjashëm me ortek, duke rezultuar në ndezjen.

Teoria e reaksioneve zinxhirore na lejoi të shpjegojmë shumë karakteristika të proceseve të djegies (ndikimi i fortë i papastërtive, kufijtë e ndezjes automatike nga presioni, katalizimi dhe ndalimi i presionit etj), gjë që nuk mund të shpjegohet me teorinë termike. Mekanizmi i shfaqjes dhe zhvillimit të zjarreve dhe shpërthimeve të vërteta karakterizohet nga një proces i kombinuar zinxhir-termik. Duke filluar në një mënyrë zinxhir, reaksioni i oksidimit për shkak të ekzotermikitetit të tij vazhdon të përshpejtohet nga rruga termike. Prandaj, në fund të fundit, kushtet kritike (kufizuese) për ndodhjen dhe zhvillimin e djegies do të përcaktohen nga kushtet e ngrohjes dhe kushtet e shkëmbimit të ngrohjes të sistemit të reagimit me mjedisin.

Shumë procese kimike bazohen në reagimet e zinxhirit kimik. Proceset e tilla përfshijnë, për shembull, proceset e polimerizimit që formojnë bazën e prodhimit të gome sintetike, plastikës, fibrave të polimerit dhe shumë produkteve të tjera. Ato gjithashtu perfshijne procese te rendesishme industriale si prodhimi i acideve yndyrore sintetike, duke zevendesuar yndyrnat e perdorura me pare ne prodhimin e lubrifikanteve te pastrimit, plasaritje - procesi i sigurimit te karburanteve cilesore nga nafta etj.

përvëlues  - Ndërveprimi i shpejtë i kimikateve të djegshme me një agjent oksidues, i shoqëruar nga lirimi i një sasi të madhe të nxehtësisë dhe një shkëlqim të ndritshëm (flakë). Djegija është e mundur vetëm nëse ka tre faktorë: një lëndë djegëse, një agjent oksidues, një burim ngrohjeje.

Burimi i nxehtësisë  (zjarri) mund të jetë një flakë e hapur, shkëndijë, nxehtësi, e nxehtë si rezultat i fërkimit (rripa në transmetimin e rripit), ndikimi, presioni. Burimi i nxehtësisë mund të jetë gjithashtu elektrike (ngrohja e përçuesve, harkut), energjia kimike dhe rrezatimi i diellit.

Agjentët oksidues  janë klori, fluori, bromina. Agjenti më i zakonshëm oksidues është oksigjeni i ajrit, procesi i djegies do të varet nga përmbajtja e tij në ajër. Nëse oksigjeni në ajër është më shumë se 14-16%, atëherë vërehet djegija e qëndrueshme. Kur përmbajtja e oksigjenit është më pak se 14%, vërehet tezgëra, dhe kur përmbajtja e tij është më e vogël se 8-10%, edhe ndezja e nxehtësisë ndalon.

Çështje e djegshme. Ato mund të jenë gazra (amoniak, acetilen, hidrogjen), lëngje (benzinë, aceton, alkool), lëndë të ngurta (thëngjill, dru). Në mënyrë që të ndizet një lëndë e ngurtë ose e lëngshme, është e nevojshme që të nxehet në një temperaturë me ndihmën e një burimi të nxehtësisë në mënyrë që të lëshohet një avull i djegshëm intensiv nga sipërfaqet e tyre. Kur arrihet një përqendrim i caktuar, këto avuj ndriçojnë. Gazrat në procesin e djegies nuk ndryshojnë gjendjen e tyre të grumbullimit.

Ekzistojnë llojet e mëposhtme të djegies: 1) blic; 2) Ndezjen; 3) vetë-ndezjen; 4) djegia spontane; 5) qumështi; 6) shpërthimi.

1. flash  quhet djegie e menjëhershme e një përzierje të oksigjenit të ajrit me avuj, gazra, pluhur, që nuk shoqërohet me formimin e gazeve të ngjeshur. Pika flash është temperatura më e ulët e një substance të djegshme, në të cilën formohen avujt ose gazrat mbi sipërfaqen e saj, të aftë për të ndezur nga burimi i ndezjes, por për djegjen e vazhdueshme të qëndrueshme shkalla e tyre e formimit është e pamjaftueshme.

Në varësi të madhësisë së kësaj temperature, lëngjet e ndezshme ndahen në:

a) të ndezshme (lëngjet e ndezshme - benzinë, aceton, alkool) - tf ≤ + 45 ° C;

b) lëngjet e djegshme (GZh - vajra, naftë, lëndë djegëse) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. ndezje  quajtur djegie e vazhdueshme e qëndrueshme e një substance nga një burim ngrohjeje. Temperatura minimale e një substance të djegshme në të cilën ndizet nga një burim ndezjeje dhe vazhdon të digjet pas heqjes së tij quhet temperatura e ndezjes. Ajo është më e lartë se pika flash.

Përqendrimet e substancave të ndezshme në ajër, në të cilat ndezja ose shpërthimi janë të mundshme, janë brenda kufijve të caktuar: CWP më e ulët dhe ERW më e lartë. Inflamacioni i përzierjeve të djegshme nuk është i mundur në përqëndrime më të ulëta se një molekulë e mjaftueshme për djegie (CEL) dhe më shumë ERW (jo molekula të mjaftueshme të oksigjenit në përzierje). Sa më i madh dallimi në mes ERW dhe CWP, aq më e rrezikshme është substanca. Vlerat e këtyre parametrave mund të ulen, për shembull, me një rritje në përmbajtjen e lagështisë së përzierjes së ajrit dhe pluhurit (PLN), për shembull, një përzierje e ajrit me sheqer, miell, pluhur qymyri.

Le të japim shembuj të vlerave të NVP dhe SVV për një numër gazesh dhe avujsh të lëngjeve:

Acetileni 3,5-82%;

Gaz natyror 3.8-19.2%;

Benzinë ​​1-6%;

Monoksidi i karbonit 12.8-75%.

3.Ndezje e vetes- procesi i ndezjes së substancave nga një burim i jashtëm (flaka, organi i nxehtë ose i nxehtë) pa kontakt të drejtpërdrejtë me të në temperaturën e ndezjes. Kjo temperaturë do të ulet me presion në rritje dhe për shumicën e gazrave të ndezshme është në varg 400-700 ° C, për dru - 340-400 ° C; thëngjilli - 400-500 ° C. Një shembull i vetë-ndezjes: ngrohja dhe ndezja pasuese e drurit, letrës, të vendosura pranë një flake të hapur (pa kontakt me të) ose objekte të nxehta (qymyr, spirale e hapur e ngrohës).

4. Djegie spontane  substancat ndodhin si rezultat i reaksioneve fizike, kimike dhe biologjike që ndodhin në substancën (materiale) vetë, duke çuar në djegie në mungesë të burimit të ndezjes.

Kur ruhen në sasi të mëdha të grurit, sanëve, kashtës dhe ventilimit të pamjaftueshëm brenda këtyre materialeve, ndodhin procese biokimike (prishje) me lëshimin e nxehtësisë. Temperatura e këtyre materialeve rritet, masa e tyre e madhe (ricks, stacks) parandalon shpërndarjen e nxehtësisë së gjeneruar në mjedis, që shkakton zjarr. Materialet e tilla duhet të thahen mirë para ruajtjes. Kontaktet e indit (thurjet, materialet e pastrimit) që përmbajnë njollat ​​e naftës dhe të palosur në një grumbull pa ventilim do të ndezen gjithashtu spontanisht. Prandaj, rrobat e punës duhet të varen në mënyrë të tillë që të sigurojnë akses të lirë të ajrit dhe vaji duhet të largohet menjëherë nga zonat e punës.

Varësisht nga shkalla e reagimit, procesi i djegies vazhdon si korrupsioni  (shpejtësi disa cm / s), në të vërtetë përvëlues  (disa m / s) dhe shpërthimi  (disa qindra mijëra m / s).

5. Shpërthimi- një ndryshim i papritur në gjendjen fizike dhe kimike të një substance nën ndikimin e temperaturës së lartë, presionit, reagentëve kimikë. Me shpërthimin, vëllimi i gazeve dhe avujve të gjeneruar rritet në mënyrë dramatike, lëshohet një sasi e madhe energjie, e cila në formën e valës së goditjes është e aftë të kryejë punë mekanike (për të shkatërruar ndërtesat, strukturat, lëndimet e njerëzve).

Djegija e materialeve mund të jetë e plotë ose e paplotë. Gjatë djegies së plotë (oksigjen i tepërt) formohen produkte të padjegshme (CO 2 dhe H 2 O). Në rast të djegies së paplotë (mungesa e O 2) formohen produkte të oksidimit jo të plotë (CO, alkoolet, acidet). Ato janë toksike dhe shpërthyese. Prandaj, gjatë organizimit të procesit të djegies së karburantit (në kaldaja, soba), është e nevojshme të sigurohet një sasi e mjaftueshme e oksigjenit në furre.

1. Konceptet themelore të teorisë së djegies.

1. Karakteristikat e proceseve të djegies.

Djegija është një proces kompleks fiziko-kimik gjatë të cilit transformimi kimik

schenie shoqërohet me lëshimin e energjisë (kryesisht në formën e nxehtësisë dhe rrezatimit)

dhe transferimin e nxehtësisë dhe masës me mjedisin.

Baza e procesit të djegies është një reagim kimik që mund të vazhdojë me a

mouskoreniem. Arsyet për vetë-nxitjen mund të jenë:

1. Akumulimi i nxehtësisë në sistem - përshpejtimi termik

2. Akumulimi i grimcave aktive - vetë-përshpejtimi i zinxhirit

3. Autocatalizë është përshpejtimi i reagimit me produktet e tij.

Në shumë raste, proceset e djegies praktikisht të rëndësishme respektojnë thjesht fizike

për shkak të faktit se në temperaturë të lartë transformimi kimik mund të vazhdojë me shpejtësi të larta dhe procesi kimik i nënshtrohet ligjeve thjesht fizike, siç është transferimi i nxehtësisë dhe difuzionit dhe është i rregulluar prej tyre. Kjo do të thotë se një reaksion kimik që mund të vazhdojë me një shkallë të lartë të

ka një shpejtësi të kufizuar dhe respekton ligjet e njërit apo tjetrit

fenomen zik.

Tipari kryesor i proceseve të djegies është se kushtet e vetë-përshpejtimit

reaksion kimik i krijuar vetë. Në kibernetikë, ky fenomen quhet reagim pozitiv, që është, me një ndryshim të vogël në kushtet e jashtme, është e mundur të kalosh nga një mënyrë stacionare e reagimit në një shpejtësi të ulët në një mënyrë, në o

ku shkalla e reagimit rritet në mënyrë eksponenciale. Fenomene të tilla të një ndryshimi të mprehtë në mënyrën e reagimit me një ndryshim të vogël në kushtet e jashtme quhen

janë fenomenet kritikedhe kushtet në të cilat ato respektohen quhen

kritike.

Fenomene kritike përfshijnë:

1. Ndezje e vetes

2. Ignition

3. Kufijtë e përqendrimit të përhapjes së flakës.

Fenomene kritike nuk ndodhin nga fakti se ligjet e natyrës ndryshojnë në mënyrë drastike, por

janë pasojë e mosbalancimit ndërmjet sistemit të reagimit dhe mjedisit

medium përçueshëm.

Gjendja e vetë-ndezjes është pamundësia e termit ose difuzionit të barabartë

kushtet mjedisore, gjendja e ndezjes është një çekuilibër në kushtet e dhëna fillestare.

Tipari i dytë i proceseve të djegies është aftësia e tyre për t'u përhapur

në hapësirë. Në mënyrën termike të djegies, përhapja ndodh nëpërmjet transferimit të nxehtësisë, në rastin e zinxhirit ose autokatalitik - përmes përhapjes së grimcave aktive.

2. Llojet dhe mënyrat e djegies.

1. Sipas kushteve totale të pjesëmarrësve:

a. Sistemet e gazit të djegies - djegje homogjene

b. Djegija e sistemeve të ngurta dhe të lëngshme të djegshme (sisteme të ngurta të lëngjeve dhe sistemeve të ngurta me gaz) - djegie heterogjene

c. Djegija e sistemeve të kondensuara (sistemet e ngurta të lëngjeve,

lëngshme - të lëngshme, të ngurta - të lëngshme).

2. Sipas shpejtësisë së përhapjes së procesit:

a. Djegia e deflagrimit - përhapja e ngadaltë e procesit (nga përçimi i nxehtësisë ose përhapja)

b. Djegia e shpërthimit - përhapja e shpejtë e procesit (me

fuqia e valës së shokut).

3. Me kushte aerodinamike:

a. Djegia laminare është një front i butë flakë.

b. Djegie e turbullt është një front shumë i lakuar i flakës.

Shembuj të llojeve të ndryshme të djegies në gjendjen agregate të pjesëmarrësve:

Djegie homogjene:

Djegia organike në oksigjen

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H20 (avull)

Djegie në prani të gazeve të tjera oksiduese

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

Shkatërrimi i substancave të paqëndrueshme (ozoni)

2O3 (g) = 3O2 (g)

Djegie heterogjene:

Djegia e hidrazineve të lëngshme:

N2 H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H20 (avull)

Djegia e karbonit:

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

Zbërthimi i substancave të paqëndrueshme (acetileni)

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

Djegia e sistemeve të djegies:

(G) + 4H2O (avull) + O2 (g) + 4H2O (avull) + O2 (g) + 4H2O (avull) + O2 (g)

3. Termodinamika e proceseve të djegies. Bilanci i ngrohjes.

Temperatura e djegies: Është zakon të karakterizohet procesi i djegies me katër temperatura

djegia e shpirtit

përzierje me një temperaturë fillestare T 0 273K pa marrë parasysh shkëmbimin e ngrohjes me

jetësor.

3. Adiabatic Tg ad - përcaktohet nga nxehtësia e djegies së një përzierje të përbërjes arbitrare pa marrë parasysh shkëmbimin e ngrohjes me mjedisin.

4. Veprimi aktual i Tg është temperatura e vërtetë e vëzhguar (e matur) e

Raporti midis përkufizimeve të ndryshme të temperaturës së djegies

Bilanci i nxehtësisë i proceseve të djegies bazohet në përcaktimin e absorbimit të nxehtësisë

djegur produkte. Ekuacioni i bilancit të nxehtësisë ka formën:

ku Q PG është nxehtësia e absorbuar nga produktet e djegies, Q p është nxehtësia e reaksionit kimik,

Q ex është nxehtësia e marrë nga burime të jashtme, djersa Q është humbja e nxehtësisë.

djegies. Pothuajse disociimi i produkteve të djegies jep një kontribut të rëndësishëm vetëm në temperatura mbi 20.000 C.

Ka vlera më të larta dhe më të ulëta kalorifike. Në rastin e parë, uji, si produkt i djegies, merret në formë të lëngët, në rastin e dytë, në formë avulli. Që nga numri i juve

nxehtësia që ndahet varet nga sasia e substancës së djegur, temperatura molare është

trap dhe ngrohje specifike të djegies. dmth nxehtësia e lëshuar gjatë djegijes 1

mol ose kilogram materiali të djegshëm.

Për të llogaritur nxehtësinë specifike të djegies (në kJ / kg), shpesh përdoret formula D.I.

Mendeleev

ku X është përmbajtja e elementit në përbërjen e karburantit në% (masë), W - lagështia.

Qasja e përgjithshme për llogaritjen e nxehtësisë së reagimit bazohet në termodinamikën kimike

bërë nga sistemi. Pastaj nga ligji i parë i termodinamikës (ligji i ruajtjes së energjisë

në procesin isobarik p = const, integrimi (1.7) dhe transformimet e thjeshta japin

Nga (1.8) dhe (1.10) rrjedh se në proceset isochoric dhe isobar nxehtësia fiton vetitë e funksionit shtetëror, dmth. nuk varet nga rruga e procesit. Kjo dispozitë quhet ligji i miratuar nga qeveria Hess. Gjendja fillestare dhe përfundimtare e kimikatit

stoqet janë materiale fillestare dhe produkte të reagimit. Enthalpies e substancave të thjeshta,

të qëndrueshme në kushte standarde (298K dhe 0.10113 MPa) supozohet të jenë zero. Për substanca komplekse, ndryshimi në entalpi konsiderohet kur ato formohen nga elementë.

ekzotermik (gjeneron nxehtësi).

4. Kapaciteti i nxehtësisë. Varësia e efektit termik të reagimit në temperaturën

Kapaciteti i nxehtësisë - quhet sasia e nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur një njësi

masa e substancës është 1 K. Dalloni kapacitetin specifik termik imolar, dmth. sasia e nxehtësisë e nevojshme për të ngrohur 1 kg. Ose 1 mol të substancës për 1 K.

Kapaciteti i vërtetë i nxehtësisë së molarit përcaktohet si më poshtë.

C (1.12) dT

ku C është kapaciteti i nxehtësisë molare, mol K.

Për kapacitetet e ngrohjes në vëllim të vazhdueshëm dhe presion (isochoric dhe isobaric) me

duke marrë parasysh (1.8) dhe (1.10) që marrim

Konsideroni varësinë e nxehtësisë së procesit në temperaturën në vëllim ose presion të vazhdueshëm. Duke marrë parasysh ekuacionet (1,13) që marrim

Ekuacionet (1.14) quhen ekuacionet Kirchhoff.

Ndryshimi i kapacitetit të nxehtësisë gjatë reagimit përcaktohet nga shprehja

dmth diferenca midis shumës së kapaciteteve të nxehtësisë së produkteve të reagimit dhe materialeve fillestare.

Nga ekuacioni (1.14) rezulton se nëse ndryshimi në kapacitetin e nxehtësisë gjatë reagimit është

Është e arsyeshme (dmth. Kapaciteti i nxehtësisë i produkteve është më i vogël se kapaciteti i nxehtësisë i materialeve fillestare) dhe më pas efekti termik i reagimit bëhet më negativ, reagimi bëhet më efikas.

zotermichnoy.

kushtet e shigjetës së llogaritur nga (1.11).

Kapaciteti i nxehtësisë i substancave reale në një mënyrë komplekse varet nga temperatura, prandaj

Energjia molekulare e djegies

Shumica e proceseve të djegies janë të djegshme, që përmbajnë hidrogjen dhe karbon, me oksigjen nga ajri.

Para se të shqyrtojmë themelet fizike dhe matematikore të teorisë së djegies, le të përpiqemi të kuptojmë në nivelin molekular ku del nga energjia e djegies, nga lirimi i të cilave varet gjithçka: ngrohja e gazit, shfaqja e qendrave kimike aktive në të, etj.

Le të shohim se çfarë janë bërë nga nxehtësia e reaksioneve kryesore të kombinimit të karbonit dhe hidrogjenit me oksigjenin e ajrit.

Ne shkruajmë në përputhje me tabelën e të dhënave. 3.1 balanca e energjisë e reaksioneve të oksidimit të njëpasnjëshëm të karbonit të ngurtë, për shembull grafit:

Kështu, në reaksionin total të oksidimit të karbonit të ngurtë, lëshohen 386 kJ / mol:

Mbylli në madhësi dhe energjinë e lëshuar duke kombinuar hidrogjenin me oksigjen:

Molekula CO është ndoshta më e qëndrueshme, energjia e saj lidhëse është 1016 kJ / mol. Në molekulën CO, së pari një elektron kalon nga O në C, pastaj O + dhe C-1, në një molekulë molekulare N2, me një energji lidhëse prej 892 kJ / mol.Në të dy molekulat ekzistojnë tre palë elektronesh lidhëse, bëhet e ngjashme me atomet e azotit, kjo konfirmohet nga prania e një momenti dipole në molekulën CO.) Në molekulën e CO2, lidhja e atomit të dytë të oksigjenit është më e dobët: sipas Tabelës. 3.1

Energjitë e detyrueshme të oksigjenit në këto komponime janë të krahasueshme me energjinë lidhëse të molekulës fillestare të oksigjenit. Kështu si

pastaj vetëm 240 kJ / mol për atomin e oksigjenit. Në energjinë e ulët lidhëse të molekulës së oksigjenit, arsyeja për aktivitetin e saj kimik dhe arsyeja për përdorimin e oksidimit si burim energjie.

Energjia lidhëse e një atomi karboni në grilën kristale të grafit (si dhe diamanti dhe karbonit amorf) është shumë i lartë. Energjia relativisht e vogël e reagimit C (s) + 0.5O2 = = CO + 98 kJ / mol është ndryshimi i dy sasive shumë të mëdha: duhet zbritur gjysma e energjisë së zbrazët të O2 për atome nga energjia e lidhjes CO (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) ) dhe zbres ngrohjen e avullimit të atomit të karbonit. Aktualisht, nxehtësia e avullimit është e barabartë me 671 kJ / mol është gjithashtu e përcaktuar. Është gjithashtu një sasi shumë e madhe.

Shndërrimi i karburantit të ngurtë dhe hidrogjenit të gaztë në karburantet hidrokarbure ndodh me një ndryshim të vogël në energji. Nga ana tjetër, kur oksigjeni futet në molekulat organike të alkooleve, aldehideve dhe ketoneve organike, acide organike, karbohidratet, pothuajse aq shumë energji lirohet pasi lëshohet gjatë djegies së plotë (CO2 dhe H2O), natyrisht, me konsumimin e një sasi të barabartë oksigjeni. Prandaj, mund të përafrohet se me djegien e plotë të ndonjë karburanti organik, lirohet 419-500 kJ / mol e oksigjenit të konsumuar. Përjashtimet e vetme janë disa komponime endotermike, të pasura me energji, siç janë acetileni dhe dicyan, për shembull, nxehtësia e tyre e djegies është më e madhe.

Djegija e paplotësuar është energjikisht e pafavorshme jo vetëm në llogaritjen e molekulës së karburantit, por edhe në molekulën e shpenzuar të oksigjenit. Në reaksionin 2Q (s) + O2 = 2CO, vetëm 210 kJ / mol lëshohet në vend të 466 kur hidrogjeni është djegur dhe 526 kur CO është djegur.

Lidhja e fortë e atomit C në karbon të ngurtë çon në faktin se karboni nuk avullon. Karboni lë gjendjen solide vetëm me oksigjen në formën e CO ose CO2.

Në rastin e djegies së paplotë dhe temperaturës së ulët, reagimi 2СО = Со2 + С (tv)) + 41 kJ / mol është energjikisht i favorshëm vetëm në lidhje me karbonin e ngurtë. Gjatë llogaritjes së atomit të lirë të karbonit, reagimi korrespondues 2CO = СO2 + С - 129 kJ / mol ka një pengesë të madhe të energjisë. Prandaj, bloza dhe bloza gjatë djegies formohen vetëm nga dekompozimi i molekulave organike që kanë skelet të karbonit, por jo nga CO.

Ne tani kthehemi në reaksionet e oksidimit që përfshijnë azotin.

Molekula e azotit N2 është shumë e fortë - energjia e saj e shpërndarjes është 226 kJ / mol. Prandaj, reagimi i konvertimit të N2 dhe O2 në 2NO është endotermik dhe, për arsye termodinamike, mund të ndodhë vetëm në një temperaturë të lartë.

Formimi i oksideve më të larta (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) nga nitrogjeni dhe oksigjeni vazhdon me pothuajse asnjë ndryshim në energji (krahasuar me energjinë lidhëse të N2 dhe O2). Prandaj, nga pikëpamja energjetike, oksigjeni i paketuar në komponimet me azot (CH3-ONO2-nitro ester, CH3 (CeH2) (NO2) 3 - trinitrotoluene) është pothuajse e barabartë me oksigjenin e gaztë. Oksigjeni i integruar në molekulën organike, por i lidhur me azotin, bën të mundur krijimin e substancave që lëshojnë shumë energji kur molekula është riorganizuar për të formuar N2 dhe oksigjeni transferohet tek molekulat e CO2 dhe H2O. Për këtë arsye, komponimet në të cilat oksigjeni është i lidhur me nitrogjen (si dhe me klor, në grupet СЮ3 dhe СlO4) përdoren si pluhura dhe eksplozivë.

Këto janë idetë e përgjithshme rreth energjisë molekulare të djegies.