Теория горения и взрыва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НАУКИ РФ 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

В. А. Горе в 

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА 

Учебное пособие 

2-е издание (электронное) 

МОСКВА 2017 

УДК 544
ББК 33.133

      Теория горения и взрыва [Электронный ресурс] : учебное пособие / В. А. Горев ; 
М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — 
Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 201 c.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 
2017. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; 
экран 10". 

Приведены основные сведения из теплофизики горения и на этой основе даны решения 
задач. Показано определение состава исходной смеси для записи химической реакции с сохранением количества атомов химических элементов. Определяются состав продуктов сгорания и 
их температура для различных исходных данных.
 Для студентов специальности 20.03.01 «Техносферная безопасность».

Р е ц е н з е н т ы

вед. научый сотрудник, д-р физ.-мат. наук С. Е. Якуш 
(Институт проблем механики РАН) 
д-р физ-мат.  наук, проф.  Ф. Ф. Брюхань (МГТУ «МАМИ»), 
канд. техн. наук, доц.  Г. В. Васюков (Академия ГПС МЧС России) 

Горев, Вячеслав Александрович

Г67

Г67

ISBN 978-5-7264-1773-8

ISBN 978-5-7264-1773-8

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Теория горения и взрыва  : 
учебное пособие / В. А. Горев ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. 
— М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2010. — 200 с.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных  техническими 
средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения 
убытков или выплаты компенсации.

УДК 544
ББК 33.133

©  Национальный исследовательский

Московский государственный 
строительный университет, 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Данное учебное пособие написано на основе курса лекций, который 

автор читает студентам МГСУ на кафедре «Пожарная безопасность». Материал переработан по сравнению с лекциями в сторону более строгого 
рассмотрения основ термодинамики горения. Включено большое количество примеров решения задач и проведения расчетов. Предложены вопросы для самопроверки. 

На кафедре пожарной безопасности читаются курсы «Теория горения 

и взрыва», «Физико-химические основы развития и тушения пожара», 
«Теоретические основы огнезащиты», «Прогнозирование опасных факторов пожара», «Взрывоустойчивость зданий» и т.д. Выпускники кафедры в 
большинстве востребованы проектными организациями. Знание основ 
теории горения и взрыва необходимо для успешного освоения специальности. 

При изложении курса «Теория горения и взрыва» нельзя ограничиться изложением отдельных вопросов и процессов горения, а необходимо 
дать общую картину, охватывающую основные процессы и явления, определяющие горение и взрыв, а также показать их связь с основополагающими законами физики и химии. В предлагаемом курсе рассматриваются 
такие процессы горения и взрыва, которые являются следствием протекания химических реакций, внутренняя энергия химических связей в которых преобразуется в другие виды энергии. В данном курсе нас больше 
всего будут интересовать тепловая энергия в случае горения и механическая энергия в случае взрыва. Почему одни вещества горят и (или) взрываются, а другие нет? Почему многие системы не горят и не взрываются 
при одних условиях, а при других горят и взрываются? 

Приведем примеры: метан и водород горят, а азот не горит. Метано- и 

водородно-воздушная смеси при обыкновенных условиях могут существовать без горения и взрыва практически бесконечно долго, но стоит изменить условия, как возникает горение или взрыв. Водородная смесь сгорает и взрывается намного охотнее, процессы горения и взрыва в ней про
3 

ходят с большой скоростью. Иногда процесс воспламенения (начало реакции горения) происходит одновременно во всех точках системы синхронно, иногда реакция происходит в узкой зоне, которая распространяется по 
системе со скоростью, зависящей от условий инициирования начала реакции или от скорости тепломассопереноса в зоне реакции. Одно общее 
свойство реакций горения и взрыва состоит в том, что эти реакции, начавшись самопроизвольно, протекают до конца, если не вмешаться в их 
процесс извне. Это вмешательство осуществляется при тушении пожаров 
и при подавлении взрывов, а эффективность этого вмешательства зависит 
от глубины проникновения в механизм необратимых процессов взрыва и 
горения. 

Обозначим более акцентированно круг вопросов, которые будут рассмотрены в данном пособии. Ключевой отличительной чертой реакции 
горения и взрыва является выделение тепловой или механической энергии 
за счет уменьшения потенциальной химической энергии связей в молекулах в результате реакции. Рассмотрению вопроса о перераспределении 
энергии в системе при горении посвящены первые две главы. В третьей и 
четвертой главах решается вопрос о составе и температуре продуктов реакции горения в том числе с учетом процессов, происходящих при высоких температурах в продуктах сгорания при достижении термодинамического равновесия. Эти процессы обусловлены диссоциацией устойчивых 
молекул на неустойчивые частицы. 

В пятой главе рассматриваются вопросы химической кинетики, в том 

числе зависимость скорости реакции от температуры по закону Аррениуса. Основное внимание уделено бимолекулярным реакциям как наиболее 
типичным при элементарных актах взаимодействия. В шестой главе основное внимание уделено цепному механизму реакции, особенно разветвленным цепным реакциям. В качестве примера рассматривается реакция 
окисления водорода. Основные закономерности окисления углеводородов 
при различных температурах и горение угля рассмотрены в седьмой главе. 
В восьмой и девятой главах раскрывается автокаталитический характер 
реакции горения, поскольку эти реакции протекают с выделением тепла и 
с повышением температуры в системе, что при аррениусовской зависимости скорости реакции от температуры приводит к прогрессивному ускорению реакции. В качестве примера рассматриваются адиабатический и неадиабатический взрывы, а также действие гомогенного реактора смешения. 

4 

Десятая и одиннадцатая главы посвящены распространению ламинарной волны горения. Решается задача о скорости пламени, зависимости 
скорости горения от начальных и внешних условий. Анализируются экспериментальные методы определения скорости горения, критические условия горения и воспламенения. В двенадцатой главе рассматриваются 
вопросы диффузионного горения газов и выгорания жидкостей. Уделяется 
внимание масштабному эффекту. 

Детонация и турбулентное горение описаны в тринадцатой и четырнадцатой главах. Оценивается роль интенсивности и масштаба турбулентности на скорость турбулентного горения. Определяются предельные скорости горения при высокой интенсивности турбулентности и при низкой, 
когда существенна роль неустойчивости пламени. Для детонационной 
волны рассматриваются условия на фронте детонации, отмечается влияние неустойчивости детонационного фронта на пределы распространения 
детонации и на энергию ее инициирования. 

В пятнадцатой главе рассмотрены вопросы газодинамики горения в 

трубах, в сосудах разной формы, даются сведения о горении аэровзвесей. 
Шестнадцатая глава посвящена взрыву. Рассматриваются параметры 
внутреннего квазистационарного взрыва и волнового внешнего взрыва. 
Дается характеристика бризантного и фугасного действия взрыва. 

Все вещества, встречающиеся в природе, являются устойчивыми и 

состоят из молекул. Молекулы являются устойчивыми частицами, образованными из атомов при помощи химических связей. При образовании любой химической связи энергия выделяется, а при разрушении любой связи 
энергию необходимо затратить. Чем больше энергии выделяется при образовании связи, тем она прочнее, так как на ее разрыв необходимо затратить больше энергии. 

Энергия связи = энергии, затраченной на ее разрыв = 
- энергии, выделившейся при ее образовании 

При образовании химических связей электроны, участвующие в их 

образовании, формируют структуры, похожие на электронные структуры, 
свойственные инертным газам. Электронные оболочки образуют дуплеты 
(Не) и октеты (Ne). Именно такие структуры характерны для инертных газов, которые и являются химически инертными по причине устойчивости 
своих электронных структур. Химические реакции, в том числе происхо
5 

дящие при взрыве и горении, можно рассматривать как процесс разрыва 
связей в молекулах веществ, вступающих в реакцию, и образование новых 
связей у образующихся веществ, продуктов реакции. Поскольку количество атомов каждого химического элемента не изменяется в процессе реакции, то новые связи образуются с участием тех же самых атомов, только в 
других сочетаниях. В результате, если при образовании новых связей 
(продуктов реакции) энергий выделяется больше, чем это требуется на 
разрыв связей у исходных веществ (реагентов), то образуется некоторый 
излишек энергии, который затем может пойти на разрыв новых связей, что 
приведет к самопроизвольному развитию реакции. Излишек энергии, образовавшийся от разницы между энергией связи продуктов реакции и исходных веществ, является тепловым эффектом реакции. Если этот излишек положительный, то реакция экзотермическая, если отрицательный, то 
эндотермическая. Эндотермические реакции самопроизвольно протекать 
не могут, так как возникает необходимость в подводе энергии в систему 
для разрыва новых связей. Реакции горения и взрыва являются экзотермическими, они могут протекать самопроизвольно с глубокой степенью превращения. 

Существуют известные сочетания веществ углеводороды + кислород, 

водород + кислород, углерод + кислород, для которых энергия связей в 
молекулах конечных продуктов (СО2 и Н20) реакции больше энергии связей между атомами в молекулах реагентов, реакции эти экзотермичны. 
Сочетание азот + кислород, наоборот, дает в качестве конечных продуктов 
реакции окислы азота, для которых энергия связей меньше, чем сумма 
энергий связей в молекулах исходных веществ азота и кислорода, поэтому 
реакция азота с кислородом самопроизвольно не идет, и воздух не горит и 
не взрывается. Существуют такие индивидуальные химические вещества 
(ацетилен, озон, динитрогликоль, аммиачная селитра и т.д.), молекулы которых образованы с помощью устойчивых связей между атомами, но имеется возможность у этих атомов образовать другие более крепкие связи 
между собой с образованием новых веществ и с выделением энергии 
(происходит перегруппировка связей с образованием более устойчивых 
веществ и с выделением энергии). Эти вещества являются индивидуальными горючими или взрывчатыми веществами. 

Экзотермичность реакции является предпосылкой того, что она может идти самопроизвольно до полного завершения. Строгим условием, 
определяющим направление процесса, является требование неубывания 
6 

энтропии в изолированной системе. При горении в изолированной системе происходит изменение многих параметров, поэтому часто рассматривают систему, обменивающуюся теплом с окружением, так что температура в системе равна температуре окружения. При таком рассмотрении 
условие роста энтропии в изолированной системе, в нашем случае это 
рассматриваемая система с реакцией горения плюс окружение, эквивалентно условию уменьшения свободной энергии Гиббса в подсистеме с 
реакцией горения при условии T=const. 

В стандартных условиях при Т=тст изменение свободной энергии равно ЛGст = ЛНст - ТЛSст. 

Так как для экзотермических реакций изменение энтальпии при стандартных условиях ЛHcт=-IQI, большая отрицательная величина, а член с изменением энтропии - тлs может быть как отрицательным при ЛS >о, так и 
положительным при лs < О, то при низких температурах энтропийный 
член играет меньшую роль. Изменение свободной энергии определяется 
изменением энтальпии. 

Для экзотермических реакций с большим тепловым эффектом при начальных температурах ЛG определяется тепловым эффектом и имеет 
большое отрицательное значение, т.е. реакции горения и взрыва всегда 
идут в сторону образования продуктов реакции. При О'-lень высоких температурах при лs > о, например для реакции диссоциации, когда происходит увеличение числа частиц, изменение свободной энергии может быть 
отрицательным даже для эндотермических реакций, когда лн >о. Этим 
фактом объясняется присутствие в продуктах горения активных частиц, 
атомов и радикалов, образующихся в результате разрыва связей в эндотермических реакциях. Полное равновесие в продуктах сгорания при высоких температурах достигается с участием эндотермических реакций 
диссоциации. Любая система, состоящая из реагентов, которые способны 
вступать в экзотермическую реакцию, является термодинамически неустойчивой, так как согласно второму закону термодинамики эта система 
должна перейти в систему, состоящую из молекул продуктов с выделением энергии. Эта неустой'-lивость может стать при'-lиной пожаров и взрывов. Например лес - воздух термодинами'-lески неустой'-lивая система. Однако термодинамически неустойчивая система состоит из устойчивых молекул, образованных с помощью химических связей, для того чтобы реагенты вступили в химическую реакцию, необходимо активировать, разорвать некоторые связи, чтобы началось образование новых связей. Это 

7 

значит, что систему необходимо активировать: вкачать определенную 
энергию, чтобы реакция могла стартовать. Без такого инициирования (без 
подвода энергии извне) многие потенциально горючие смеси или, как мы 
определили, термодинамические неустойчивые системы могут существовать долго. Например, смесь метана с воздухом при нормальной температуре не реагирует, так как связи в молекулах метана и кислорода устойчивы. В зависимости от величины теплового эффекта, от способа инициирован и я системы реализуется множество режимов горения и взрыва. 

Режим цепного взрыва может реализоваться в следующем опыте. В

замкнутую систему, состоящую из горючей смеси водород-воздух, впрыскивается и мгновенно перемешивается некоторое количество продуктов 
сгорания этой смеси, содержащей активные частицы Н; ОН; О. В результате получается система с равномерным распределением горючих компонентов и активных частиц. Начальная температура изменяется незначительно. Активация системы в основном происходит путем введения активных частиц. Через некоторое время, называемое периодом индукции, в 
системе происходит взрывное повышение температуры и давления, следует цепной взрыв в результате цепной разветвленной реакции. Подавляющее большинство реакций горения происходит в результате нескольких 
стадий, состоящих из элементарных актов с участием атомов и радикалов, 
причем в разветвленных цепных реакциях происходит увеличение активных частиц. Это ведет к резкому ускорению реакции. Реакции образования новых активных частиц - это эндотермический процесс, так как происходит в результате разрыва связи. Поэтому на начальных стадиях температура в системе растет незначительно. На последующих стадиях этих 
процессов происходят реакции рекомбинации, т. е. образования связей и 
при этом выделяется энергия. По существу реализуется цепочно-тепловой 
взрыв. 

Режим теплового взрыва может наблюдаться в опыте, похожем на 

описанный выше, только закачка энергии в систему происходит путем 
мгновенного повышения температуры во всем его объеме. Скорость реакций горения увеличивается с ростом температуры согласно закону Аррениуса, что приводит к прогрессированному повышению температуры в 
системе (поскольку реакция экзотермическая), а следовательно скорость 
реакции снова возрастает, что приводит к тепловому взрыву. 

В рассмотренных выше примерах инициирование реакции происходило синхронно во всех точках системы. Теперь проанализируем случай, 
8 

когда инициирование реакции осуществляется локально в точке. Например, поместим в горючую систему небольшое нагретое до высокой температуры тело. От нагретого тела в горючую смесь будет распространяться 
тепло, а слой газа, прилегающий к нагретому телу, нагреется до температуры, при которой в этом слое начнутся реакции горения с выделением 
тепла. В дальнейшем от этого слоя прогреется следующий слой, в котором 
также пройдет реакция сгорания. В результате реализуется случай распространения в пространстве волны реакции горения или распространения 
пламени. В этом случае для осуществления реакции во всей системе необходим еще механизм, в нашем случае механизм молекулярной теплопроводности, передачи условий воспламенения. Следует заметить, что если 
энергия в источнике зажигания будет недостаточной, слой газа не прогреется до необходимой температуры и воспламенения не произойдет, т. е. 
реакция не начнется, а тепло источника рассеется в пространстве. Другой 
случай: горючая смесь в системе сильно разбавлена инертным газом, температура продуктов сгорания такой смеси низкая. Когда действие источника зажигания закончится (тепло из него уйдет), новые слои газа воспламеняться не будут, так как температура предыдущего слоя слишком низкая из-за разбавления смеси. Так, мы подходим к пониманию концентрационных пределов горения и минимальной энергии зажигания. Если же 
процесс горения начался и пламя распространяется по всей системе, то 
говорят о ламинарном распространении нормального пламени. Ламинарное потому, что механизм передачи условий воспламенения - молекулярная теплопроводность, а нормальное потому, что тепловой поток, а следовательно и само пламя распространяются нормально к его поверхности. 
При горении продукты сгорания расширяются, их объем увеличивается по 
сравнению с объемом исходных реагентов. Это расширение в условиях 
p=const происходит за счет увеличения температуры. Расширяющиеся 
продукты сгорания приводят в движение газы перед пламенем. В результате газ перед пламенем движется, а по нему движется пламя со скоростью Uн. 

Если характер движения газа перед фронтом пламени турбулентный, 

то механизмы тепломассопереноса интенсифицируются, и скорость горения Uг в турбулентном потоке значительно превышает скорость горения в
ламинарном потоке. Более высокая скорость горения вызывает увеличение скорости движения газа перед зоной горения, что означает переход во 
взрыв. Быстрое горение генерирует перед зоной горения взрывную волну. 

9 

Можно представить другой способ инициирования реакций в горючей 

смеси, соответствующий более высокой скорости подвода энергии в локальный объем системы, чем это было обеспечено подводом тепла от нагретого до температуры - 2000 К тела. Предположим, что в той же среде 
водород + воздух помещена навеска индивидуального ВВ тротила. Подвергнем эту навеску действию мощного лазерного импульса и вызовем экзотермическую реакцию перегруппировки связей. В результате пройдет 
реакция с выделением энергии, в объеме, занимаемом навеской тротила, 
образуются газообразные продукты взрыва, давление в которых будет 
равно сотне тысяч атмосфер. Продукты взрыва тротила начнут расширяться и приведут в движение горючую смесь, находящуюся непосредственно перед расширяющимися продуктами взрыва тротила. Область горючей смеси, охваченной движением, будет возрастать и спереди она будет ограничена ударным фронтом. 

Движение ударного фронта сверхзвуковое, за ним температура, давление и плотность возрастают скачком. Так, температура в ближней зоне 
будет определяться величиной - 1 О ООО К, давление - 650 атм., а скорость 
движения ударного фронта - (6-7) км/с. Мы получили очень мощный подвод энергии в первоначальную горючую систему в локальном объеме. Для 
сравнения отметим, что зона прогрева от накаленного тела движется со 
скоростью -1 м/с. При быстром и мощном подводе энергии в локальный 
объем горючей системы в нем происходят экзотермические реакции, скорость этих реакций намного выше, чем при зажигании накаленным телом, 
так как температура и другие параметры среды при быстром подводе 
энергии намного выше. Более того эта скорость настолько высока, что 
продукты реакции исходной газовой смеси (Н2+воздух) сами при своем 
расширении генерируют ударную волну в слой, находящийся спереди. В 
этой волне, не давая ей затухнуть, возбуждается химическая экзотермическая реакция. 

Таким образом формируется детонация - стационарный процесс горения, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью. Если навеска 
тротила, служащая в нашем опыте инициатором (возбудителем) детонации будет слишком малой, то зона повышенного давления продуктов 
взрыва тротила расширяется так быстро, что реакция в исходной смеси не 
успеет поддержать начальный импульс, инициирования детонации не 
произойдет. Так для инициирования детонации в смеси Н2+воздух необходимо использовать навеску не менее 2 г тротила, а для смеси 
10