Теория горения и взрыва в техносфере

УДК 331.45 
ББК 65.246 
Ч-49 
Рецензенты: 
доцент, к. т. н. Зарубина Екатерина Витальевна (Федеральное государственное  
бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ивановская  
пожарно-спасательная академия Государственной противопожарной службы  
Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны,  
чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий»,  
кафедра пожарной безопасности объектов защиты); 
доцент, к. т. н. Рогожников Юрий Юрьевич (Федеральное государственное  
бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ивановский  
государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»,  
кафедра безопасности жизнедеятельности) 
Чернов, К. В. 
Ч-49 
 
Теория горения и взрыва в техносфере : учебное пособие / 
К. В. Чернов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
128 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1829-4 
Представлены теория горения веществ и материалов, обращающихся в техносфере, теория взрыва технетических веществ и технических устройств. Описаны состав веществ, участвующих в горении, стехиометрия горения, термодинамика и энергия горения, равновесное горение, кинетика горения, перенос веществ и энергии при горении, возникновение горения и распространение пламени, горение технетических газов, жидкостей и твёрдых веществ, разновидности взрывов в 
техносфере, вещественно-энергетические характеристики взрывов, 
ударная волна, дефлаграционный и детонационный взрывы при взаимодействии горючего вещества и окислителя. Приведены методики 
расчёта расхода воздуха на горение, выхода и состава продуктов сгорания, показателей взрывов в техносфере. 
Для студентов технических вузов, обучающихся по направлению 
«Техносферная безопасность и природообустройство», и студентов 
других направлений, интересующихся вопросами горения и взрыва.  
УДК 331.45 
ББК 65.246 
ISBN 978-5-9729-1829-4 © Чернов К. В., 2024 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

 
Предисловие 
Данное учебное пособие продолжает учебно-методические разработки д. т. н., проф. Л. А. Бровкина [1, 2] и развивает авторские [3, 4, 5, 6] 
в соответствии с содержанием опубликованной рабочей программы 
учебной дисциплины «Теория горения и взрыва» [7].  
 
 
3 
 

 
Введение  
Метод, используемый при изучении механизмов горения и взрывов в техносфере, называется системнологическим. Системнология как 
разновидность системного подхода при научных исследованиях – это 
область сведений о целостном отображении познаваемых составляющих Универсума. Универсум представляет собой всё существующее, 
включая человека и его метальные (лат. mentalis – умственный) представления. 
Основное понятие системнологии – это понятие системы (др. греч. 
συστημα – составленное). Система в системнологии есть осознаваемое 
отображение изучаемой составляющей Универсума, обособленное в соответствии с её целью и разделяющееся на компоненты, которые посредством отношений соединяются в целое, связанное с внешней средой. 
Компонент в системнологии – это слагаемое системы, которое 
отображает часть изучаемой составляющей Универсума, обособляется в 
соответствии с функцией, соединяется в целое посредством отношений.  
Приём системнологического метода, называемый декомпозицией, заключается в разделении системы на компоненты для выявления 
её состава. Компонент исходной системы может быть представлен системой последующего уровня декомпозиции, разделяемой на компоненты. Компонент, неразделяемый при декомпозиции, становится элементом системы. 
Внешняя среда в системнологии – это отображение частей, окружающих изучаемую составляющую Универсума, которые влияют на 
неё или находятся под её влиянием. Между внешней средой и исходной 
системой может вводиться условная поверхность с определёнными 
свойствами, упрощающими решение задач по изучению механизмов горения и взрыва 
Система, разделённая при декомпозиции на компоненты, объединяется в целое отношениями между ними. Отношения предстают связями взаимодействия и наследования. Связь взаимодействия, или взаимодействие, отображает собой взаимное влияние компонентов системы 
в данный момент времени. Связь наследования, или наследование, 
отображает неизменность компонентов и их взаимодействия при переходе системы от предыдущих состояний к последующим.  
4 
 

Неизменность компонентов и взаимодействия, а также их изменение выражаются чаще всего процессами. Процесс представляет собой 
изменение взаимодействия компонентов и их свойств во времени. Он 
может быть консервативным (лат. conservare – сберегать, сохранять) 
или неконсервативным. Часть процесса, соответствующая его началу, переходу из одной стадии в другую или завершению называется событием.  
Универсум охватывает естественные косную и живую составляющие, а также созданную человеком искусственную составляющую. 
Системы, посредством которых отображаются косные естественная и 
искусственная составляющие Универсума, относятся к абиотическим.  
Компоненты абиотической системы наполнены веществом и 
энергией. Взаимодействие и процессы в ней также имеют вещественное 
и энергетическое содержание.  
Эволюция сообществ людей в области создания, применения и совершенствования технетической продукции, материализующей посредством деятельности научное знание и увеличивающих приспособительные и преобразующие способности человека, называется техногенезом.  
Слово «техногенез» происходит от τεχνη и γενεσζ. Слово τεχνη 
переводится на русский язык как искусство, ремесло, мастерство, умение, произведение, изделие. Слово γενεσζ переводится как возникновение, зарождение, становление, существование. Слово «технетика», образуемое от слова «техника», имеет большую степень обобщения.  
Система, формируемая для изучения техногенеза, называется 
техногенной. Основными компонентами техногенной системы являются работники и технетические компоненты. Технетические компоненты представляют собой устройства, сооружения, изделия, материалы, продукцию и отходы техногенной деятельности. К технетическим 
устройствам относятся установки, машины, аппараты, приборы, агрегаты, механизмы, приспособления, инструменты, а к технетическим сооружениям – здания и комплексы устройств. К технетической продукции относятся вещества, материалы, потребительская энергия, сооружения, устройства, изделия, услуги, информация.  
Планетарная техногенная система, в которой происходит взаимодействие людей, технетических и иных компонентов, называется техносферой. 
5 
 

Деятельность по производству технетической продукции называется техногенной. К разновидностям техногенной деятельности относится проектно-конструкторская, строительно-монтажная, эксплуатационная, утилизационная и иная деятельность.  
Горение и взрывы в техносфере сопровождаются преобразованием технетических веществ, получаемых и применяемых при техногенной деятельности, и превращением технетической энергии.  
 
 
 
6 
 

 
1. Горение технетических веществ и материалов 
 
1.1. Состав веществ и материалов  
 
1.1.1. Вещества и материалы, участвующие в горении  
Технетические вещества, обращающиеся в техносфере, предстают 
многими разновидностями индивидуальных веществ простого состава и 
химических соединений в разных агрегатно-дисперсных состояниях.  
Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, имеющего определённое количество протонов в своём ядре. К 
простым газам относятся кислород, озон, водород и др. 
Вещества, которые содержат атомы разных элементов, удерживаемые связями взаимодействия, называются сложными веществами 
или химическими соединениями. К сложным газам относятся, например, монооксид углерода и диоксид углерода.  
Существует четыре основных типа химических соединений:  
1. Молекулярные соединения, удерживаемые вместе с помощью 
ковалентных связей взаимодействия (аммиак 
3
NН ).  
2. Ионные соединения, удерживаемые посредством ионных связей (нитрат калия 
3
KNO ).  
3. Интерметаллические соединения, удерживаемые с помощью 
металлических связей (магний-алюминиевое соединение 
4
3
Mg Al ).  
4. Координационные комплексы, удерживаемые с помощью координационных ковалентных связей (нитропруссид натрия 
2
5
Na [Fe(CN) NO]). 
Перечень известных веществ составляет к настоящему времени 
около 500 простых веществ и более 150 миллионов уникальных неорганических и органических соединений, в том числе более 350000 технетических химических соединений. 
Способность атома образовывать определённое количество ковалентных химических связей взаимодействия называется валентностью. 
Состав вещества показывают при помощи химической формулы. Формула вещества составляется с учётом валентности составных частей 
этого вещества. 
7 
 

Запись процесса химического взаимодействия при помощи формул называется уравнением химической реакции. Если атомы не связаны химической связью, то их количество обозначают при помощи ко- 
эффициента. Коэффициенты в уравнениях химических реакций расставляются так, что количество атомов каждого химического элемента 
в ходе реакции не изменяется. 
Химическое превращение веществ происходит с обязательным 
изменением их состава или строения, но без изменения состава и заряда 
ядер атомов. 
Технетические вещества, участвующие в горении, разделяются 
на горючие вещества, окислители и продукты сгорания. 
Индивидуальное вещество сложного состава относится к горючим, если его показатель горючести больше единицы. Показатель горючести вычисляется по следующему выражению: 
 
C
S
H
N
O
Cl
F
Br
K
4m
4m
m
m
2m
2m
3m
5m
=
+
+
+
−
−
−
−
,  (1.1) 
где      
C
S
H
N
O
Cl
F
Br
m ,m ,m ,m ,m ,m
,m ,m
 – количество атомов углерода, 
серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора, брома.  
Горючие вещества по агрегатно-дисперсному состоянию разделяется на газы, жидкости, твердые вещества и дисперсии. Наряду с понятием «агрегатное (лат. aggregatus – соединённый, собранный) состояние» применяется понятие фазы (греч.ϕασιζ – появление).  
Газ – одно из агрегатных состояний вещества. В газовой фазе отсутствует химическое взаимодействие между непрерывно движущимися частицами. При столкновениях частиц газа происходит энергетическое взаимодействие, переопределяющее значение скорости и вызывающее неупорядоченность их движения.   
Горючие газы подразделяются на простые и сложные газы, газовые смеси и газовзвеси. Простые горючие газы состоят из одинаковых 
горючих молекул с атомами одинакового строения или из одинаковых 
атомов. Сложные горючие газы содержат одинаковые горючие молекулы с разными атомами.  
Горючие газовые смеси могут включать в себя простые и сложные горючие и негорючие газы, частицы которых не взаимодействуют 
химически.  
8 
 

Газы стремятся заполнить доступное им пространство. Газ, заполнивший пространство определённых размеров, называется газовым 
массивом.  
Газовзвесь – это газовый массив, образованный простыми или 
сложными газами или газовыми смесями, с взвешенными, или витающими, в нём жидкими или твёрдыми горючими и негорючими частицами размером более 1 мкм (
3
10−мм). 
Жидкость как агрегатное состояние вещества характеризуется 
тем, что взаимодействие её частиц способно удерживать их на близком 
расстоянии, но без фиксированного местоположения и, как следствие, 
без закрепления формы. Энерго-вещественные связи взаимодействия 
частиц жидкости создаются силами Ван-дер-Ваальса, Кулона, дипольдипольного взаимодействия, водородных связей.  
Жидкость, заполнившая пространство определённых размеров, 
называется массивом жидкости. 
Горючие жидкости представляют собой простые и сложные жидкости, жидкие смеси, коллоидные растворы, суспензии, эмульсии, пену 
и аэрозоли. 
Простые жидкости состоят из одинаковых горючих молекул с 
атомами одинакового строения или из одинаковых атомов. Сложные горючие жидкости содержат одинаковые горючие молекулы с разными 
атомами. 
Жидкофазные смеси, или истинные растворы, образуются из двух 
и более компонентов, один из которых является растворителем, а другие 
растворяются в нём. Они состоят из горючих и негорючих частиц. 
Растворы, состоящие из горючих или негорючих молекул, с твёрдыми горючими или негорючими частицами предельно малых размеров 
называются коллоидными. В коллоидных растворах размер твёрдых частиц находится в пределах от 
9
1 10−
⋅
м до 
7
5 10−
⋅
м. 
Суспензия, или гидровзвесь, – смесь веществ, в которой твёрдое 
вещество в виде мельчайших горючих или негорючих частиц размером 
более 
7
5 10−
⋅
м находится в массиве горючей жидкости во взвешенном 
состоянии. 
Эмульсии состоят из несмешиваемых горючих или негорючих 
жидкостей. Пример эмульсии – «вода-минеральное масло».  
9 
 

Пена – это газожидкостная смесь, состоящая из пузырьков горючего или негорючего газа, разделённых плёнкой горючей жидкости.  
Твёрдое состояние как агрегатное состояние вещества характеризуется тем, что химическое взаимодействие частиц удерживает и фиксирует их на очень близком расстоянии друг от друга с образованием 
определённой формы. Связи взаимодействия частиц вещества в твёрдом состоянии подразделяются на ковалентную, ионную, металлическую и водородную связь. 
Твёрдое вещество, принявшее конкретную форму, называется 
твёрдым материалом. Горючие вещества в твёрдом состоянии представляют собой вещества простого и сложного состава, смеси, растворы и 
аэрозоли. Твердые вещества образуют монолитные, пористые и дисперсные (лат. dispersio – рассеяние) материалы.  
Твёрдые вещества простого состава – это простые аморфные или 
кристаллические вещества в твёрдом состоянии, состоящие из частиц 
одинакового строения. Твёрдые вещества сложного состава – сложные 
кристаллические и аморфные, в том числе макромолекулярные, вещества в твёрдом состоянии, состоящие из частиц разного строения. 
Твёрдые смеси и растворы состоят из горючих и негорючих твёрдых веществ простого и сложного состава. 
Аэрозоли – это частицы твёрдого или жидкого горючего вещества малого размера в массиве газа. Размеры частиц аэрозолей находятся в пределах от 0,001 мкм до 1000 мкм. 
Твёрдые пористые материалы – это твёрдые вещества простого и 
сложного состава, смеси или растворы с распределёнными по монолитному материалу порами, заполненными горючими и негорючими газами.  
Слой твёрдого вещества является разновидностью пористого немонолитного материала. Слой вещества – это совокупность твёрдых горючих частиц относительно больших размеров с промежутками, заполненными газовой фазой. К твёрдым дисперсным материалам относится 
слой горючей пыли, размеры частиц которой находятся в пределах до 
0,1 мм.  
Горючие технетические вещества при горении взаимодействуют 
с окислителями. Окисление для горючего вещества сопровождается отдачей его атомами электронов, которые приобретаются атомами окис10 
 

лителей, в том числе атомами кислорода. Например, при горении сероводорода атом кислорода с зарядом 0 при образовании оксида водорода 
приобретает 2 электрона и с зарядом –2 входит в состав молекулы этого 
вещества. 
 
2
2
2
2
H S
1,5O
SO
H O
+
=
+
. 
(1.2) 
Окислителями являются кислород, вещества, содержащие кислород, а также вещества, не содержащие кислорода, но способные производить окисление, т. е. приобретать электроны.  
Агрегатно-дисперсные состояния окислителей такие же, как и состояния горючих веществ, но их основные разновидности находятся в 
виде газа.  
Горючее вещество и окислитель, химически взаимодействуя друг 
с другом, превращаются в иные вещества, называемые продуктами сгорания. Состав продуктов сгорания определяется разновидностями горючего вещества и окислителя, их количественным соотношением, т. е. 
стехиометрией, а также термодинамическими, кинетическими и газодинамическими показателями горения.  
 
1.1.2. Состав горючих веществ 
Горение целесообразно изучать после освоения способов количественного представления веществ, участвующих в этом сложном вещественно-энергетическом процессе. 
Количество вещества изначально задаётся числом молекул, атомов, ионов или других частиц. Число частиц выражается в молях (моль, 
кмоль). Современное актуальное определение понятия моля утверждено в ноябре 2018 года в Версале на 26-й Генеральной конферен-   
ции по мерам и весам. Моль – это единичное количество вещества, содержащее одинаковые частицы, число которых равно числу Авогадро            
(
23
1
A
N
6,022140857 10
моль−
=
⋅
). 
Количество 
вещества, 
кроме 
молей 
и 
мольных 
долей 
(моль/моль), задаётся:  
1) массой вещества (кг); 
2) относительной массой вещества в долях (кг/кг) или процентах 
(
м
% ); 
11