Теория горения и взрыва

 
УДК 544.45 
ББК 24.54 
К52  
 
 
 
Рецензенты: 
профессор кафедры артиллерийского и зенитного вооружения (надводных кораблей)  
Филиала ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия» в г. Калининграде,  
доктор технических наук, профессор Кипер А. В.; 
доцент кафедры «Судовые энергетические установки» Балтийской государственной  
академии рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического  
университета, кандидат технических наук, доцент Шевченко С. Н. 
 
 
 
 
 
 
 
Клячин, С. И.  
К52  
Теория горения и взрыва : учебник / С. И. Клячин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 180 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1812-6 
 
Рассмотрены процессы горения и взрывчатых превращений с позиций физических и химических законов и явлений. Описаны условия, закономерности и особенности возникновения, распространения горения и выгорания различных горючих систем, веществ и материалов. Определены параметры и характеристики процесса горения, используемые в практике пожарного дела. Рассмотрены процессы взрывчатых 
превращений с позиций физических и химических законов и явлений. Описаны условия, закономерности и особенности проявления различных взрывов. Приведена классификация и определены параметры, свойства и характеристики взрывчатых веществ. 
Описан механизм различных форм поражающего действия взрыва. 
Для студентов, изучающих дисциплину «Теория горения и взрыва» по направлению подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». 
 
УДК 544.45 
ББК 24.54 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1812-6 
© Клячин С. И., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 6 
 
Часть 1. ГОРЕНИЕ .................................................................................................... 7 
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ...................... 7 
1.1. Горение – сложный физико-химический процесс .......................................... 7 
1.2. Условия возникновения, стадии, виды и режимы горения 
.......................... 10 
1.2.1. Условия возникновения горения. Пламенное и беспламенное  
горение 
.................................................................................................................. 10 
1.2.2. Стадии и виды горения 
............................................................................. 11 
1.2.3. Ламинарный и турбулентный режимы горения 
..................................... 13 
1.2.4. Дефлаграция и детонация 
......................................................................... 14 
1.3. Окислители, горючие вещества и топлива .................................................... 14 
1.3.1. Окислители ................................................................................................ 14 
1.3.2. Горючие вещества ..................................................................................... 15 
1.3.3. Топлива 
....................................................................................................... 16 
1.4. Продукты горения и дым 
................................................................................. 17 
 
2. ТЕПЛОТА И ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ 
....................................................... 22 
2.1. Теплота горения 
................................................................................................ 22 
2.2. Тепловой баланс процесса горения ................................................................ 24 
2.3. Температура горения и пожара 
....................................................................... 25 
 
3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ ВОЗГОРАНИЯ  
И ГОРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ 
............................................................... 28 
3.1. Воспламенение и горение газов и пыли 
......................................................... 28 
3.1.1. Общие закономерности горения в газовой фазе .................................... 28 
3.1.2. Горение пыли 
............................................................................................. 29 
3.1.3. Скорость распространения пламени при горении 
газовоздушных смесей 
........................................................................................ 29 
3.2. Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных 
смесей ....................................................................................................................... 31 
3.2.1. Сущность и определение концентрационных пределов 
и области воспламенения ................................................................................... 31 
3.2.2. Факторы, влияющие на область воспламенения ................................... 35 
3.3. Вспышка, воспламенение и горение горючих жидкостей ........................... 37 
3.3.1. Особенности горения и воспламенения горючих жидкостей .............. 37 
3.3.2. Температурные пределы воспламенения 
................................................ 38 
3.4. Горение и выгорание твёрдых веществ ......................................................... 39 
3.4.1. Воспламенение твердых веществ и формирование пламени ............... 39 
3.4.2. Пиролиз и горение древесины ................................................................. 42 
3.4.3. Скорость распространения пламени по поверхности  
твердых материалов ............................................................................................ 45 
3.4.4. Горение полимерных материалов 
............................................................ 48 
3 

 
3.4.5. Горение металлов ...................................................................................... 50 
3.4.6. Количественные параметры выгорания твердых материалов 
.............. 51 
 
4. САМОВОЗГОРАНИЕ 
......................................................................................... 53 
4.1. Тепловое самовоспламенение газовоздушных смесей 
................................. 53 
4.1.1. Температура самовоспламенения 
............................................................ 53 
4.1.2. Условия, влияющие на температуру самовоспламенения 
.................... 55 
4.2. Самовозгорание гетерогенных горючих систем ........................................... 57 
4.2.1. Самонагревание. Виды самовозгорания ................................................. 57 
4.2.2. Самовозгорание твердых органических веществ и пыли ..................... 58 
4.2.3. Самовозгорание масел и жиров ............................................................... 60 
4.2.4. Химическое самовозгорание некоторых веществ ................................. 62 
 
Часть 2. ВЗРЫВЫ И ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА ............................................ 65 
5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗРЫВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ  ...... 65 
5.1. Определение, стадии и условия возникновения взрывов  ........................... 65 
5.2. Виды взрывов. Явления, вызывающие взрыв  .............................................. 68 
5.2.1. Химические взрывы  ................................................................................. 68 
5.2.2. Физические взрывы  
.................................................................................. 71 
5.2.3. Комбинированные взрывы  ...................................................................... 73 
5.3. Детонация  
......................................................................................................... 75 
5.3.1. Газодинамическая теория механизма детонации .................................. 75 
5.3.2. Детонация конденсированных взрывчатых веществ ............................ 76 
5.3.3. Детонация газовых смесей ....................................................................... 79 
5.3.4. Параметры детонационной волны 
........................................................... 83 
 
6. ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ВЗРЫВООПАСНЫЕ СМЕСИ  ................... 87 
6.1. Основные сведения о взрывчатых веществах 
и взрывоопасных смесях 
......................................................................................... 87 
6.1.1. Определение и состав взрывчатых веществ  
и взрывоопасных смесей .................................................................................... 87 
6.1.2. Классификация конденсированных взрывчатых веществ .................... 89 
6.1.3. Химическая реакция и газообразные продукты взрыва 
........................ 92 
6.2. Свойства и параметры взрывчатых веществ ................................................. 95 
6.2.1. Работоспособность и энергетические параметры  
взрывчатых веществ 
............................................................................................ 95 
6.2.2. Чувствительность взрывчатых веществ 
................................................ 101 
6.2.3. Стойкость и технологичность взрывчатых веществ ........................... 104 
 
7. ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ И РАЗРУШАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ  
ВЗРЫВА ................................................................................................................. 107 
7.1. Местное разрушающее действие продуктов детонации ............................ 107 
7.1.1. Бризантное действие ............................................................................... 107 
7.1.2. Кумулятивное действие 
.......................................................................... 110 
7.2. Общее механическое действие взрыва 
......................................................... 113 
4 

 
7.2.1. Фугасное действие. Формирование ударной волны 
............................ 113 
7.2.2. Методы оценки фугасности взрывчатых веществ 
............................... 117 
7.2.3. Распространение ударной волны в воздухе.......................................... 120 
7.2.4. Параметры ударной волны 
..................................................................... 122 
7.2.5. Степени повреждения объектов и поражения людей  
от воздействия ударной волны ........................................................................ 125 
7.3. Тепловое действие взрыва 
............................................................................. 128 
7.3.1. Параметры теплового излучения при формировании 
огненного шара  
................................................................................................. 128 
7.3.2. Степени поражения людей от воздействия теплового излучения ..... 130 
 
8. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ 
И БОЕВЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И СРЕДСТВ  
ИНИЦИИРОВАНИЯ 
............................................................................................. 132 
8.1. Бризантные взрывчатые вещества 
................................................................ 132 
8.1.1. Взрывчатые вещества на основе жидких компонентов  ..................... 132 
8.1.2. Твердые взрывчатые вещества и их смеси  .......................................... 134 
8.1.3. Взрывчатые вещества на основе аммиачной селитры  ....................... 139 
8.2. Инициирование детонации взрывчатых веществ  ...................................... 146 
8.2.1. Инициирующие взрывчатые вещества  ................................................ 146 
8.2.2. Средства инициирования 
........................................................................ 151 
8.3. Метательные взрывчатые вещества  ............................................................ 153 
8.3.1. Нитроцеллюлозные пороха .................................................................... 153 
8.3.2. Смесевые пороха и ракетные топлива .................................................. 159 
8.3.3. Пиротехнические составы ...................................................................... 162 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 174 
ЛИТЕРАТУРА  ...................................................................................................... 175 
 
 
5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Горение – один из процессов в природе, с которым столкнулся человек и 
стал его использовать в качестве одной из технологий, определившей развитие 
цивилизации. В настоящее время горением обеспечивается более 90 % всей потребляемой энергии. 
 Одновременно с освоением горения человек столкнулся и с пожарами – 
неконтролируемыми процессами горения, наносящими ущерб. Нередко в неуправляемых условиях горение может вызвать взрыв с еще более опасными последствиями. 
Современная жизнедеятельность человека не представляется без использования взрывчатых веществ, обладающих огромной разрушительной силой. 
Эти обстоятельства определяют важность и актуальность изучения процессов горения и взрывных превращений для обеспечения пожаровзрывобезопасности существования человека в современной техносфере и продолжения 
исследований в этой области для обеспечения развития общества. 
В результате изучения дисциплины обучающиеся будет знать: физикомеханические основы горения и взрывных превращений, методы определения 
(расчета) основных характеристик горения и взрывных превращений и оценки 
поражающего действия; уметь: определять термодинамические параметры реакций горения и взрывных превращений и их физические характеристики;  
владеть: понятийно-терминологическим аппаратом в области теории горения и 
взрыва, методами прогнозирования протекания реакций горения и взрыва и 
оценки возможных последствий. 
 
 
 
6 

 
Часть 1 
 
ГОРЕНИЕ 
 
 
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 
 
1.1. Горение – сложный физико-химический процесс 
 
Процесс горения как физическое явление изучен достаточно полно, но 
дать ему единое определение трудно. Все зависит от того, с какой позиции подходить к его изучению – энергетической, теплофизической или химической. 
Общим во всех определениях является то, что в основе процессов горения лежат быстротекущие экзотермические обратимые окислительно-восстановительные реакции, которые подчиняются законам химической кинетики, химической 
термодинамики, фундаментальным физическим законам.  
Для специалистов, занимающихся прекращением горения на пожаре, инженерно-технической экспертизой по расследованию возникновения, распространения горения и взрыва, можно дать следующее определение процесса горения. 
Горение – сложный физико-химический процесс, при котором происходит химическая реакция взаимодействия горючего вещества с окислителем, 
сопровождающаяся образованием продуктов горения, интенсивным выделением тепла и (в большинстве случаев) световым излучением. 
В пожарном деле в определении горения под окислителем подразумевается кислород воздуха, а определение пожара выглядит следующим образом. 
Пожар – неконтролируемый процесс горения вне специального очага, 
наносящий ущерб в виде уничтожения материальных ценностей и природы и 
создающий опасность жизни людей. 
Химической составляющей процесса горения является окислительновосстановительная реакция, протекающая между горючим и окислителем: 
 
 
Г + О = ПГ + Q , 
 (1.1) 
 
где Г – горючее; О – окислитель; ПГ – продукты горения; Q – выделяющаяся 
тепловая энергия. 
Горючие вещества являются восстановителями. Атомы, входящие в их 
состав, отдают электроны при протекании окислительно-восстановительного 
процесса. 
Восстановителями являются: металлы, водород, углерод, кремний и вещества, имеющие в своей химической формуле избыток атомов этих элементов. 
7 

 
Окислителями, атомы которых принимают электроны, являются: кислород, галогены (хлор, фтор, бром, йод) и, соответственно, вещества, имеющие в 
своей химической формуле избыток атомов этих элементов. 
Продуктами горения являются окислы химических элементов, участвующих в химической реакции. 
Для количественного описания горения недостаточно рассматривать этот 
процесс только в виде конечного уравнения реакции горения, отражающего состав горючей смеси, состав основных продуктов полного сгорания и количество выделившейся тепловой энергии.  
Горение любых веществ в том числе углеводородов является чрезвычайно сложным процессом, протекающим через ряд последовательных стадий. При 
этом образуются многочисленные более или менее стойкие промежуточные 
продукты. Для того чтобы выявить, через какие промежуточные стадии протекает сгорание углеводородов, было выполнено много наблюдений в условиях 
медленного окисления (при низких температурах или разбавлении горючих газов инертными газами). В составе продуктов окисления содержатся СО, СО2, 
Н2О, спирты, альдегиды, кислоты, сложные эфиры, кетоны и ряд нестойких перекисей различного состава. Кроме того, доказано присутствие различных короткоживущих радикалов.  
Для объяснения сложных процессов окисления различных видов топлива 
предложена пероксидная теория. 
 Согласно этой теории молекулы кислорода перед вступлением в реакцию 
должны активироваться. Они либо распадаются на отдельные атомы, обладающие высокой реакционной способностью, либо присоединяются к окисляемому 
веществу, образуя перекисные соединения – пероксиды. 
При нагревании и механических воздействиях они легко распадаются с 
образованием радикалов. Образующиеся при распаде перекисей радикалы являются активными центрами реакции окисления. 
Таким образом, пероксидная теория позволяет уяснить механизм окислительного действия кислорода в начальной стадии окисления, однако эта теория 
не в состоянии объяснить некоторые особенности процесса окисления, например существование индукционного периода, предшествующего видимой реакции окисления, резкое действие следов примесей на скорость процесса и др.  
Эти особенности процесса окисления объяснены теорией цепных реакций.  
С этой точки зрения процессы горения – это радикально цепные реакции. 
Цепными называются реакции, протекающие через ряд промежуточных 
стадий, в которых образуются соединения, обладающие избыточной энергией, 
необходимой для дальнейшего развития последующих быстропротекающих реакций. Эти частицы, обладающие избыточной энергией, называются радикалами. Активный радикал может представлять собой атом, молекулу или группу 
молекул. Иными словами, цепными называются такие реакции, при которых 
наблюдается регенерация активных частиц. Они могут быть разветвляющимися 
и неразветвляющимися. 
8 

 
С точки зрения теории цепных реакций процесс горения поддерживается 
лавинообразным нарастанием количества радикалов в реакционной смеси и 
прекратится лишь после израсходования одного из основных реагентов. 
Процесс горения недостаточно рассматривать только с позиций описания 
химической реакции. 
Более полное представление о процессах воспламенения, распространения пламени, условиях прекращения горения и многих других явлениях, сопровождающих горение (например, взрыв), можно получить при рассмотрении 
процессов с позиций молекулярно-кинетической теории – законов химической кинетики, термодинамики.  
Взаимодействие между молекулами горючего и окислителя, как и при 
любой химической реакции, возможно только при их активных соударениях, 
способных привести к разрыву существующих в молекуле связей, перераспределению атомов и т. д. Следовательно, химической реакции взаимодействия горючего с окислителем должен предшествовать процесс смешения горючего с 
окислителем и физический акт сближения молекул реагирующих веществ до 
расстояния радиусов реагирующих молекул. 
Молекулы, которые при соударении с другими молекулами способны 
вступать в реакцию, должны находиться в возбужденном состоянии. По своей 
природе такое возбуждение может быть химическим – наличие у атомов или 
молекул вещества свободных валентностей (радикалы) или физическим, когда в 
результате медленного нагревания газа часть молекул приобретает кинетическую энергию выше критического значения. Молекулы, обладающие необходимым запасом энергии, достаточным для разрыва или ослабления связей, являются активными центрами химических реакций. 
Разность между средним уровнем запаса энергии молекул в возбужденном состоянии и средним уровнем энергии неактивных молекул называется энергией активации. 
 Чем выше ее значение, тем труднее вступают в реакцию компоненты реакционной смеси. Поэтому ее величина является косвенным показателем степени пожарной опасности вещества. 
Характерно, что энергия активации необходима не только в эндотермических реакциях, когда она расходуется на создание новых, более устойчивых связей в молекулах, но и при экзотермических реакциях, когда молекулы 
переходят из неустойчивого состояния в более устойчивое с выделением большого количества энергии, как это бывает при горении. Для того чтобы началось 
выделение энергии от взаимодействия реагентов, необходимо сначала ее затратить. Энергия расходуется на ослабление или разрыв существующих связей в 
молекулах горючего и окислителя, чтобы они вступили в химическое взаимодействие. Вследствие этого взаимодействия выделится количество энергии, 
значительно превышающее энергию, затраченную на активацию молекул горючего и окислителя. В дальнейшем этот процесс поддерживается самопроизвольно, за счет передачи части тепловой энергии, выделившийся в результате 
реакции горения, новым молекулам горючего и окислителя. 
 
9 

 
1.2. Условия возникновения, стадии, виды  
и режимы горения 
 
1.2.1. Условия возникновения горения. 
Пламенное и беспламенное горение 
  
 Главными условиями возникновения горения являются: 
1. Наличие горючей смеси, т. е. определённое сочетание горючего вещества с окислителем. 
2. Инициация реакции между горючим и окислителем. 
В пожарном деле эти условия называются «Треугольником пожара», который определяется как одновременное наличие вне контроля горючего, окислителя и источника зажигания: 
  
Г + О + ИЗ. 
 
Если горение инициировано нагревом горючей смеси до определённой 
температуры, то возникновение горения называется самовозгоранием (самовоспламенением), если инициировано внешним источником энергии, то речь 
идёт о зажигании.  
В подавляющем большинстве случаев горение сопровождается световым 
излучением. 
Область газообразной среды, в которой интенсивная экзотермическая химическая реакция вызывает свечение и тепловыделение, называется пламенем. 
А внешнее проявление пламени называется огнём. 
При горении твёрдых веществ наличие пламени необязательно. Один из 
видов горения твёрдых веществ – тление (беспламенное горение), при котором 
химическая реакция протекает медленно, тепловыделение слабое, свечение 
красного цвета может быть и незаметным. 
Пламенное горение большинства видов минеральных горючих веществ в 
воздушной среде возможно при содержании кислорода в зоне пожара не менее 
14 % по объёму, а тление возможно уже при 6 %. 
Состав и наличие примесей в горючих веществах влияют на цвет пламени. Так, природный газ (в составе до 95 % метана), по аналогии с жидкими углеводородами, горит желтоватым пламенем, аммиак – бледно-желтым, сероводород – голубым пламенем.  
В практике пиротехники используются добавки солей металлов, дающих 
разное свечение пламени:  
− соли натрия дают желтое свечение, 
− соли меди – интенсивно зелёное, 
− соли стронция – ярко-красное,  
− соли калия – фиолетовое, 
− соли бария – желто-зеленое.  
10 

 
Важной особенностью, влияющей на изменение цвета пламени в условиях пожара, является не только концентрация кислорода в горячей смеси, но и 
температура нагрева горючих веществ и материалов. Экспериментальные данные показали, что при горении древесины, фракций нефти пламя меняет цвет и 
окраску в зависимости от температуры пламени (°С) следующим образом: 482 – 
слабо-красный: 566 – кроваво-красный, 635 – темно-вишневый, 677 – средневишневый; 746 – светло-вишневый. 
 
1.2.2. Стадии и виды горения 
 
Горючее и окислитель составляют горючую систему. 
Химически однородными (гомогенными) называют горючие системы, в 
которых горючее вещество и окислитель равномерно перемешаны. Это смеси 
горючих газов, паров или пыли с воздухом. Горение таких смесей называют 
гомогенным. 
Химически неоднородными (гетерогенными) называется горючие смеси, 
в которых горючее вещество и окислитель имеют поверхность раздела (твёрдое 
вещество, жидкость). Горение на поверхности таких веществ, принято называть 
гетерогенным. 
В процессе горения наблюдаются две стадии: 
Первая стадия – создание молекулярного контакта между горючим и 
окислителем (физическая стадия). 
Вторая стадия – взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химическая стадия), происходящее только при условии достижения молекулами активного состояния, за счёт их нагревания. 
Время IJг полного сгорания единицы массы любого вещества складывается из времени IJф возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха и времени IJх протекания химической реакции горения, то есть  
  
 
IJг = IJф + IJх .  
(1.2)  
 
В случае гомогенного горения IJф является временем смесеобразования, а 
при гетерогенном горении – временем диффузии кислорода из воздуха к поверхности горения. 
В зависимости от соотношения IJф и IJх различают диффузионное и кинетическое горение. Если время IJф >> IJх, то горение называется диффузионным, а 
если время IJф << IJх, то горение называют кинетическим. 
Диффузионное горение наблюдается при горении химически неоднородных горючих систем, а кинетическое – при горении химически однородных горючих систем, в которых молекулы кислорода равномерно перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование.  
Если продолжительность химической реакции и физической стадии соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, где на 
скорость горения влияют как химические, так и физические факторы. 
11