Газовые взрывы

Определение "Газовые взрывы" в словаре Брокгауза и Ефрона

Газовые взрывы — могут получиться только с такими газами, которые представляют или механические смеси, содержащие в себе, с одной стороны, элементы горючие (углерод, водород и т. п.), с другой — поддерживающие горение (кислород, хлор); или однородные химические соединения, способные распадаться на элементы со значительным отделением тепла (см. Взрывчатые вещества). Для изучения Г. взрывов служили главным образом смеси водорода H₂, окиси углерода СО и болотного газа СН ₄ с кислородом или с воздухом, дающие при воспламенении воду Н ₂O и углекислоту СО ₂ с огромным отделением тепла Q (на граммовую частицу, в больших или килограммовых калориях).

I) Пределы воспламеняемости. Г. взрывы вызываются местным возвышением температуры, напр., с помощью накаленного тела, зажигательного стекла, электрической искры и т. п. Но для этого количественный состав смесей не должен выходить из известных пределов. В самом деле, если разведем вышеуказанные взрывчатые смеси большим избытком одного из взятых газов или другим инертным газом, то температуры, развивающиеся в слоях, ближайших к точке воспламенения, вследствие значительной затраты тепла для нагревания не участвующего в горении газа могут опуститься ниже температуры воспламенения смеси, и распространение Г. взрыва на всю массу станет невозможным. Следовательно, для каждой смеси существуют определенные пределы воспламеняемости. Так, по опытам Гей-Люссака, Деви, Бунзена и др., водородный гремучий газ (Н ₂ + О) перестает взрывать, когда к 3 объемам его примешаны 27 объемов кислорода или 24 объема водорода, или: 18 объемам азота, 12 об. окиси углерода, 9 об. углекислого газа, 6 объемов сернистого газа, 3 объема болотного газа и т. п.; смесь окиси углерода с кислородом (СО + О) перестает взрывать при разбавлении 3 объемов ее 10 объемами окиси углерода или 29 объемами кислорода; смесь 2 об. болотного газа с 11 объемами воздуха — при увеличении пропорции последнего до 17 — 20 объемов и пр. Расчет показывает, однако, что одной охлаждающей способности газов, присутствующих в избытке, недостаточно для объяснения замечаемого в приведенных примерах различия пределов; необходимо допустить еще специальное влияние натуры примешанных газов.

По мере приближения к пределам воспламеняемости, горение основной (нормальной) смеси делается неполным, что явствует, напр., из наблюдений Гей-Люссака над сжатием после взрыва водородного гремучего газа, разбавляемого кислородом: пока на 3 объема гремучего газа приходится не более 17 объемов кислорода, сжатие равно 3 объемам, т. е. такое же, как в отсутствии избытка кислорода; но при 18 объемах избытка кислорода сжатие уже 1,4 объема, и затем стремится к нулю. Пределы воспламеняемости могут отчасти отодвигаться в ту или другую сторону, в зависимости от способа воспламенения, и особенно от температуры и массы прикасающегося накаленного тела. Сверх того, Деви показал, что смеси, воспламеняющиеся при обыкновенной их плотности, перестают воспламеняться, если сильно уменьшить их плотность; так, электрическая искра не воспламеняет водородного гремучего газа, взятого при плотности, в 18 раз меньшей сравнительно с обыкновенной, т. е. разрежение оказывает такое же влияние, как и разбавление не участвующими в горении газами. Смеси воздуха с болотным газом, выделяющимся в рудниках, могут воспламениться, по опытам Деви, при изменении содержания болотного газа от 6% до 24%; ниже 6% слишком в большом избытке находится воздух, а выше 24% — болотный газ.

II. Температуры воспламенения. Распространение горения при Г. взрывах основано на существовании определенных температур, необходимых для воспламенения газовой смеси. Деви показал, что железная проволока около 0,65 мм толщиною воспламеняет водородный гремучий газ уже при темно-красном калении; для воспламенения же смеси окиси углерода с кислородом она должна быть нагрета до красного каления, а рудничный гремучий газ не всегда воспламеняется даже при белом ее калении. Для измерения температур воспламенения Ле Шателье и Малляр употребляли фарфоровый, нагреваемый в газовой печи Перро, пирометр, который служил то как воздушный термометр, то как камера для взрыва, для чего он был снабжен стеклянным краном с двумя каналами, позволявшими приводить его в сообщение попеременно с воздушным насосом и градуированными трубками, содержавшими воздух или гремучую смесь. Установив по возможности постоянную температуру в печи, измеряли ее, наполнив прибор воздухом; затем тотчас же, удалив воздух выкачиванием, вводили исследуемую гремучую смесь; воспламенение узнавалось по звуку взрыва или по изменению объема газа; после взрыва тотчас же снова заменяли газ воздухом и опять измеряли температуру печи; средняя величина ее отмечалась. Если взрыв не происходил, то в следующем опыте давали несколько высшую температуру; если же происходил — бралась несколько низшая температура. и т. д., пока не получались достаточно узкие пределы температур.

Действительно, если жечь окись углерода близ поверхности воды, то в последней можно доказать присутствие перекиси водорода. То же самое имеет место и при взрыве водородного гремучего газа: первоначально образуется Н ₂ О ₂, которая затем распадается на Н ₂ О и О, что гораздо ранее того утверждал проф. Д. И. Менделеев на основании того, что следы перекиси водорода давно найдены (Струве и др.) при многих случаях горения и частичные количества (см. Частицы) водорода и кислорода отвечают как раз Н ₂O₂.

III. Скорость распространения взрыва. Смотря по условиям воспламенения, одна и та же взрывчатая смесь газов может то постепенно сгорать с большею или меньшею скоростью, то давать место так называемой взрывной волне (см. Взрывчатые вещества). 1) При постепенном горении реакция распространяется от слоя к слою только вследствие передачи тепла непосредственно через теплопроводность. Каждая смесь характеризуется некоторой определенной скоростью такой передачи последовательного горения. Для измерения этих скоростей применялись, главным образом, два метода: или, сообщив газовой смеси такое поступательное движение, чтобы пламя оставалось неподвижным, замечали скорость течения газовой смеси; или, воспламенив смесь в длинной трубке, замечали передвижение пламени. Первый метод был применен Бунзеном: взрывчатая смесь, заключенная в сосуд, выпускалась через узкое отверстие в тонкой стенке наружу и здесь зажигалась; затем, ослабляя скорость вытекания газа, достигали того, что пламя перескакивало внутрь сосуда; в этот момент скорость движения смеси принималась равною скорости распространения горения, и, следовательно, для определения последней нужно было только измерить скорость вытекания. Поступая таким образом, Бунзен нашел, что при атмосферном давлении и температуре в смеси 2 об. Н + 1 об. О го p ение распространяется со скоростью 34 м в секунду, а в смеси 2 об. СО + 1 об. О эта скорость равна 1 метру. Но скорости вытекания в различных частях узкого отверстия в тонкой стенке весьма неодинаковы (снаружи от трения течение медленнее, как в реке у берегов), и перескакивание пламени внутрь сосуда происходит тотчас же, как только наименьшая из этих скоростей начинает едва уступать распространению горения в данной смеси; следовательно, искомая скорость распространения горения по этому методу получится больше наблюдаемой. Так как каждое спокойное пламя газовой (Бунзеновской) горелки находится в некотором подвижном равновесии, то для измерения нормальных скоростей Михельсон (из Москвы) предложил воспользоваться близким изучением этого пламени. В самом деле, на каждом элементе поверхности ds (фиг. 1) с самой высокою температурою, ограничивающей снаружи внутренний конус пламени, нормальная к ней, составляющая скорости истечения газа v, равна и противоположна нормальной скорости распространения горения u.


Фиг. 1. Внутренней конус Бунзеновского пламени; v — скорость вытекания смеси из горелки; u — нормальная скорость горения.

Легко уяснить себе, что, обозначая поверхность внутреннего конуса через S и объем протекшей через горелку взрывчатой газовой смеси через V, окончательно должно иметь место отношение: V = uS; откуда u = V/S. Объем V определяется непосредственно, измерение же S точнее удается, делая в определенном масштабе фотографические снимки пламени. Этим способом действительно получаются скорости меньшие, сравнительно с найденными Бунзеном: для смеси 2 об. Н + 1 об. О — около 9 м в секунду, для 2 об. СО + 1 об. О — около 0,9 м и т. п.

Второй из вышеозначенных методов применялся Малляром и Ле Шателье. Воспламеняя смеси в трубках, открытых с одного конца, и следя глазами за пламенем, замечали моменты прохождения его через различные точки по секундомеру; или передвижение пламени записывалось на вращающемся (рядом с трубкою) цилиндре, причем скорость вращения его отмечалась колеблющимся камертоном, а подача сигналов основана была на произведении взрывов в небольших боковых камерах, сообщающихся с трубкою; взрыв в каждой камере, происходивший тотчас по достижении пламени, производил давление на закрывающую ее диафрагму, снабженную пером, и через нее делал отметку на цилиндре. При воспламенении с открытого конца были получены следующие результаты:

Приведенные отношения взрывчатых газовых смесей объясняют некоторые явления при взрывах в копях. Если в галерее, оканчивающейся глухим концом, рудничный гремучий газ загорится при входе в нее, то пламя распространяется по ней спокойно, обжигая и задушая рудокопов. Если же воспламенение случится в глубине такой галереи, то огонь распространяется с сильным взрывом, производя на своем пути большие механические разрушения. Лампы Деви, безопасные в спокойном рудничном газе, бывали причиною взрывов в галереях с сильною тягою, так как металлические сетки их не останавливают горения, делающегося более быстрым, вследствие облегчения перемешивания.

2) исследования над скоростью горения при взрывных волнах были произведены первоначально Бертело и Вьейлем ("Sur l а force des matières explosives", t. I, p. 133). Для опытов служили длинные (около 40 метров) свинцовые или каучуковые трубки в 5 мм в диаметре. В двух точках трубки Т — Т, находящихся на точно определенном расстоянии, нормально к направлению трубки помещали очень узкие оловянные полоски SS (см. рис. 2), изолированные бумагою и зажатые с помощью оправ cc; на каждой полоске в части l, приходящейся против центра канала, приклеивали около 0,01 г гремучей ртути, для прерывания тока в момент соприкосновения с пламенем.

Фиг. 2. Прерыватель для подачи сигналов при взрыве (разрез по оси трубок). ТТ — трубки; ss — оловянные полоски; сс — оправы для зажимания; l — место для прикрепления гремучей ртути.

Промежуток времени между двумя перерывами измерялся с помощью хронографа Ле Буланже, соединенного проводниками с оловянными полосками. Воспламенение сообщалось посредством сильной электрической искры. Бертело и Вьейль, употребляя различные газовые смеси и меняя условия, описанным способом получили следующие результаты: а) скорость распространения взрывной волны несравненно превосходит скорость постепенного горения, не зависит от материала трубок и представляет для каждого гремучего газа совершенно определенную и характерную величину. Так, для смеси, 2 об. Н + 1 об. О, она равна 2810 м в секунду, для 2 об. СО + 1 об. О — 1100 м, для 2 об. СН ₄ + 4 об. О — 2290 метров и т. п.; б) скорости взрывных волн, подобно скорости звука, не зависят от начального давления: в) характерные для каждой смеси наибольшие скорости, при воспламенении электрической искрой, получаются не сразу, а лишь после того, как взрывы передвигаются на некоторое расстояние от места воспламенения; напр., для смеси 2 об. Н + об. О лишь после передвижения на 1/2 метра скорость достигает постоянной величины (в пределах погрешностей измерений). Это расстояние увеличивается с ослаблением силы воспламеняющей искры и с уменьшением диаметра трубок ниже 2 миллиметров; г) примешивание какого-либо постороннего газа к гремучей смеси уменьшает скорость взрывной волны, и если разведениe достигает значительных пределов, то она совсем прекращается.

IV. Давления при Г. взрывах были предметом довольно большого числа исследований. Выбирая только важнейшие, должно сказать, что первые сюда относящиеся измерения принадлежат Бунзену. Гремучая смесь вводится в стеклянный цилиндрический сосуд, помещенный над ртутью (рис. 3).

Фиг. 3. Эвдиометр Бунзена для определения давлений. Грузы a и b, надавливая через стержень d, уравновешивают упругость газов.

Закрыв его пришлифованною стеклянною пластинкою, к которой приклеена еще железная пластинка со стержнем, проходящим сквозь для пропускания искры, помещают на внешнюю пластинку другой стержень d, соединенный с рычагом, носящим подвижные грузы а и b, для производства соответствующего давления; воронка, прижатая на каучуковом кольце к тому же краю стеклянного сосуда, позволяет с помощью небольшого количества воды достигнуть совершенной укупорки введенного газа. Если груз, надавливающий на пластинку, очень велик, то взрыв происходит без всякого звука и вода в воронке остается спокойною; если же он очень мал, то слышится звук и вода выбрасывается. Очевидно, меняя грузы, можно довольно точно найти такой, который только едва уравновешивает давление газов при взрыве и который поэтому будет мерою последнего. Описанным способом Бунзен нашел, что 2 об. Н + 1 об. О развивают при взрыве 9,6 атм., 2 об. СО + 1 об. О дают 10,3 атм., и т. п. Способ Бунзена, по опытам Малляра и Ле Шателье, дает погрешности, доходящие до 10%. Более точных результатов эти исследователи достигли с прибором следующего устройства. Камерою для взрыва служил железный цилиндр в 4 литра (с диаметром, равным высоте). Верхнее основание его имело 4 отверстия — одно для проводников, другое для сообщения с воздушным насосом, третье для ртутного манометра, четвертое для введения изучаемых газов, а нижнее основание — только одно отверстие для сообщения с манометром, записывающим давления во время взрыва. С этою целью употреблялся манометр Бурдона, наполняемый водою (для смягчения толчка) и приходящий в движение при возрастании в нем давления; игла, передающая это движение, чертила соответственную кривую давлений на цилиндре, вращающемся со скоростью 1 метра в секунду. Кривые давлений имеют восходящую и нисходящую ветви; первая отвечает периоду распространения взрыва, вторая — охлаждению газов по окончании взрыва. По этим кривым можно было находить законы охлаждения газов и вводить поправки к наблюденным максимальным давлениям для перечисления последних на такие давления, которые получились бы, если бы в период распространения взрыва окружающие стенки не производили никакого охлаждения. Кроме того, изучение охлаждения около максимума давлений позволяло судить, имела ли место диссоциация при взрыве: в этом случае замечается замедление охлаждения, как, например, при взрыве 2 об. СО + 1 об. О, ибо по мере охлаждения все новое количество СО + О переходит в СО ₂ с отделением тепла. Малляр и Ле Шателье получили: для водородного гремучего газа, содержащего около 4% азота и водяного пара, 9,2 атм., для смеси 2 об. СО + 1 об. О, содержащей 6% азота и водяного пара — 8,6 атм., для смеси 2 об. СН ₄ + 4 об. 0 — 14 атм. и т. п. При постепенном разбавлении нормальных гремучих смесей другими какими-либо газами, давления уменьшаются также постепенно, а не со скачками, как раньше думал Бунзен на основании своих опытов (менее точных).
Метод, подобный описанному, применен был также Клерком ("Chem. News", 63, p. 207) для измерения давлений (индикатором Рихарда) взрывчатых смесей с воздухом; напр.,

Изучение давлений при Г. взрывах дает возможность судить о теплоемкостях газов при высоких температурах. Если принять, что все газы при высокой температуре следуют законам Мариотта и Гей-Люссака, то из наблюденного при взрыве давления Р можно вывести температуру горения Т по воздушному термометру, ибо

Т/ t₀ = Р/Ро

где t₀ есть 0 °, или обыкновенная температура, а р ₀ — окончательное давление продуктов взрыва при этой температуре (считая и воду газообразной). Но приведенное уравнение имеет место лишь при условии, что при взрыве не происходит диссоциации образующихся газов, поэтому предварительно следует уяснить, когда и в какой мере это действительно можно принять.

С.-Клер-Девиль доказал качественно диссоциацию водяного пара и углекислого газа выше 1000°; в то же время, применяя свой метод быстрого охлаждения (см. Диссоциация), показал для СО ₂, что коэффициент ее диссоциации под обыкновенным давлением около 1300° равен почти 0,002, а при температуре горения смеси окиси углерода с кислородом (по Малляру и Ле Шателье около 3000°) равен приблизительно 0,40. Крафтс, на основании определения расширения СО ₂ при высоких температурах, заключил, что коэффициент ее диссоциации около 1500° не менее 0,01. — Малляр и Ле Шателье, изучая скорость охлаждения после взрыва смеси 2 об. СО + 1 об. О в бомбе, находят, что в этих условиях (т. е. при увеличенном давлении) диссоциация СО ₂ начинает делаться заметной лишь около 2000°, а именно: при этой температуре и давлении в 6 атмосфер коэффициент ее менее 0,05, а при 3300° и 10 атмосферах — около 0,34. Эттинген и Гернет (в Дерпте), с помощью вращающегося зеркала Витстона и фотографирования, наблюдали изображение световых явлений, сопровождающих взрыв смеси 2 об. Н + 1 об. О в вертикально поставленном эвдиометре, внутренние стенки которого, для cooбщeния яркости пламени, покрывались очень тонким слоем хлористой меди или окиси олова. Полученные снимки (фиг. 4) показывают волнообразное движение собственно накаленных частичек солей, но не самый процесс взрыва, вследствие чего тотчас за изображением искры s получается пустая полоса, и лишь затем начинается отпечаток волн, идущих то вверх, то вниз; nebfcgh — главная волна, пт li — побочная волна, при дальнейшем движении сливающаяся с главной.

Фиг. 4. Схематическое изображение волн при взрыве H₂ + О: nebfcgh — отпечаток главной волны; nmli — отпечаток побочной волны.

Главная волна есть результат взрывной волны, как это явствует из определения ее скорости (около 2600 метров); побочная же волна есть результат диссоциации, т. е. некоторая часть гремучего газа при возвышенной температуре, развиваемой взрывом, остается несоединенной, и за первой волной, по мере охлаждения, возникает вторая волна [ По мнению Этингена и Гернета, эти двоякого рода волны подтверждают высказанное еще Бунзеном заключение, что общий взрыв гремучего газа слагается из нескольких частных, следующих друг за другом, а именно: что при взрыве 2 об. Н + 1 об. О и 2 об. СО + 1 об. О, в первый момент лишь 1/3 смеси вступает в соединение, остальные же 2/3 соединяются по мере охлаждения, при