Физико-химические основы теории горения и взрыва

 
ǧǴDzȕȖȇȔȕȉ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ǻǯǮǯDZǵ-ǼǯdzǯǾǬǸDZǯǬǵǸǴǵǩȂ 
ǹǬǵǷǯǯǪǵǷǬǴǯȆǯǩǮǷȂǩǧ 
 
ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ
ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ«
2024 
 

УДК 661.541.427.6+534.222.2 
ББК 35.63 
 
Л77 
 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т : 
доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой проектирования  
и технического сервиса транспортно-технологических систем  
Донского государственного технического университета  
Л. В. Кравченко 
 
 
 
 
 
 
 
Лопанов, А. Н. 
Л77  
Физико-химические основы теории горения и взрыва : учебное пособие / А. Н. Лопанов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 232 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1552-1 
 
Представлены современные сведения теории горения и взрыва. Дано определение взрыва как предельного, критического процесса. Представлены принципы классификации химических и физических процессов превращения веществ, методы расчета параметров, моделирование реакций горения и взрыва.   
Для студентов, военных, инженеров, ученых и специалистов направлений, связанных с использованием технологии процессов горения и взрыва, а также работающих в области безопасности жизнедеятельности. 
Данное издание публикуется в авторской редакции. 
 
УДК 661.541.427.6+534.222.2 
ББК 35.63 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1552-1 
© Лопанов А. Н., 2024 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2

 
 
 
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ 
 
Введение 
................................................................................................................... 6 
 
Глава 1. Расчеты параметров реакций горения и взрыва 
.................................... 9 
†1.1. Общие сведения о методах расчета параметров реакций  
горения и взрыва .................................................................................................. 9 
†1.2. Составление формальных схем реакций горения и взрыва ................. 10 
†1.3. Расчет объема воздуха, необходимого для горения 
.............................. 12 
†1.4. Расчет состава продуктов горения .......................................................... 15 
 
Глава 2. Основы термодинамики реакций горения и взрыва ........................... 19 
†2.1. Термодинамические параметры горения и взрыва ............................... 19 
§2.2. Адиабатическая температура реакций горения и взрыва 
..................... 22 
†2.3. Реальная температура горения и взрыва ................................................ 29 
†2.4. Максимальная работа реакций горения и взрыва ................................. 31 
†2.5. Термодинамическое исследование реакций горения и взрыва 
............ 33 
†2.6. Коэффициент полезного действия горения и взрыва ........................... 36 
 
Глава 3. Основы формальной кинетики горения и взрыва ............................... 42 
§3.1. Основные понятия формальной кинетики ............................................. 42 
§3.2. Формальная кинетика простых реакций ................................................ 44 
§3.3. Формальная кинетика сложных и гетерогенных реакций горения ....... 47 
§3.4. Цепные процессы 
...................................................................................... 50 
†3.5. Разветвленные цепные реакции .............................................................. 52 
†3.6. Теория переходного состояния ............................................................... 58 
†3.7. Кинетика неравновесных процессов горения и взрыва 
........................ 61 
 
Глава 4. Избранные показатели пожарной и взрывной опасности  
веществ и материалов ........................................................................................... 66 
†4.1. Концентрационные пределы распространения пламени 
...................... 66 
†4.2. Температурные пределы распространения пламени ............................ 73 
†4.3. Температура вспышки 
.............................................................................. 74 
†4.4. Температура самовоспламенения ........................................................... 77 
 
 
3

Глава 5. Расчеты параметров взрывных процессов ........................................... 80 
†5.1. Виды взрывов и основные условия их течения ..................................... 80 
†5.2. Критический и предельный диаметры детонации.  
Скорость детонации 
........................................................................................... 82 
†5.3. Расчет избыточного давления и скорости детонации в веществе ....... 85 
†5.4. Основные характеристики взрывчатых веществ 
................................... 86 
†5.5. Кислородный баланс ................................................................................ 90 
†5.6. Теплоты взрывных химических реакций ............................................... 94 
†5.7. Кумулятивные взрывы ............................................................................. 96 
†5.8. Расчет избыточного давления при взрыве в воздушной среде ............ 98 
†5.9. Расчет зоны поражения при взрыве пылевоздушной смеси  
в открытом пространстве, помещении .......................................................... 105 
†5.10. Расчет зоны поражения при взрыве топливных смесей  
в открытом пространстве и помещении ........................................................ 106 
†5.11. Основные характеристики ударных волн .......................................... 109 
†5.12. Взрывные процессы в воде .................................................................. 112 
§5.13. Взрывные процессы в твердых телах ................................................. 114 
 
Глава 6. Ядерные и термоядерные взрывы и взрывчатые вещества 
.............. 117 
†6.1. Ядерные реакции .................................................................................... 117 
†6.2. Ядерные реакции с нейтронами ............................................................ 120 
†6.3. Деление ядер 
............................................................................................ 122 
†6.4. Ядерное топливо ..................................................................................... 126 
†6.5. Ядерное топливо – уран ......................................................................... 127 
†6.6. Ядерное топливо – плутоний 
................................................................. 129 
†6.7. Калифорний ............................................................................................. 131 
†6.8. Термоядерные реакции синтеза веществ.............................................. 133 
 
Глава 7. Взрывчатые вещества и взрывы аннигиляции .................................. 137 
†7.1. Исследования П. Дирака и открытие античастиц ............................... 137 
†7.2. Основные сведения о природе аннигиляции ....................................... 141 
†7.3. Антивещество и его свойства ................................................................ 148 
†7.4. Экспериментальные работы по получению антивещества ................ 155 
†7.5. Научные и технические проблемы создания антивещества............... 162 
 
Глава 8. Моделирование процессов горения и взрыва 
.................................... 165 
†8.1. Классическая теория детонации 
............................................................ 165 
§8.2. Моделирование взрывных и детонационных процессов  
по теории переходного состояния 
.................................................................. 171 
†8.3. Моделирование цепного ядерного процесса ....................................... 178 
4

§8.4. Тепловой взрыв ....................................................................................... 182 
§8.5. Распространение пламени в газах ......................................................... 186 
†8.6. Модель расчета концентрационных пределов  
распространения пламени ............................................................................... 188 
 
Глава 9. Взрывы и решение энергетических проблем на Земле .................... 192 
†9.1. Энергетические балансы Земли ............................................................ 192 
†9.2. Условия течения управляемой термоядерной реакции ...................... 202 
†9.3. Термоядерный катализ ........................................................................... 214 
 
Заключение 
........................................................................................................... 219 
 
Библиографический список 
................................................................................ 221 
 
Приложения ......................................................................................................... 224 
 
 
 
5

 
 
 
ǩǩǬǫǬǴǯǬ 
 
Теория горения и взрыва – это раздел науки, изучающий законы и закономерности в сложных системах окисления и распада веществ. Для того чтобы 
выяснить, к каким разделам науки следует отнести теорию горения и взрыва, 
выясним формы движения материи, происходящие в этих процессах. Действительно, в процессах горения и взрыва мы наблюдаем изменение физических и 
химических форм движения материи. Таким образом, теория горения и взрыва 
базируется на стыке фундаментальных наук – физики и химии (физической 
химии). 
Рассматривая процессы горения и взрыва, необходимо выявить совокупность их свойств, определяющих эти явления. Во-первых, это энергетика реакций, во-вторых, – скорость процессов. Энергетические и кинетические особенности составляют важные разделы учения о процессах горения и взрыва.  
Как правило, горением называют реакции превращения веществ, сопровождающиеся выделением тепла и света. Горение – многообразные процессы, но в большинстве случаев горение определяют как химические реакции 
взаимодействия веществ с кислородом с выделением тепла и света. Разновидность горения – тление также имеет характерные признаки, по которым можно 
отнести данный процесс к указанной категории превращения вещества. Горение может протекать без участия кислорода. Так, углеводороды могут взаимодействовать с галогенами с характерными признаками горения. Литий может 
гореть в атмосфере углекислого газа, алюминий горит в присутствии серы. Подобных реакций в химии существует большое количество. Отметим, что под 
определение процесса горения попадают и ядерные реакции – это превращения веществ, сопровождающиеся выделением тепла и света. 
В отличие от горения взрывные процессы имеют существенные отличия 
в скорости процесса, приводящие к возникновению новых качественных явлений. При взрыве возникает ударная волна – скачок уплотнения газа. При 
взрыве распределение энергии в окружающее пространство отличается от горения – вначале энергия выделяется в пределах взрывчатого вещества, а затем 
происходит передача этой энергии в окружающую среду. При горении скорость выделения энергии в пределах горючего вещества сопоставима со скоростью ее передачи в окружающее пространство. В работе «О природе и рождении селитры», написанной в 1748 г. М. В. Ломоносовым, дано определение 
взрыва: взрыв – это очень быстрое выделение большого количества энергии и 
6

большого объема газов. Данное определение взрыва по существу является правильным, но требует уточнения и определения признаков взрыва в скорости 
выделения энергии и его воздействии на окружающую среду, так как быстрота 
тех или иных явлений – понятие относительное. Быстрое выделение энергии 
взрыва необходимо сравнивать с другими видами выделения или преобразования энергии. Выделение энергии при взрыве является существенно более 
быстрым, чем другие формы выделения энергии в сходных условиях. Наиболее важным при взрыве является то, что энергия выделяется в пределах заряда 
взрывчатого вещества быстрее, чем она передается окружающей среде.  
Линейная скорость горения в обычных условия не превышает 50 м/с. Переходная область от горения к взрыву лежит в пределах 50–300 м/с и ее называют дефлаграционным горением (дефлаграция). 
Простое выделение энергии еще не означает, что произошел взрыв. Понятие взрыв связано с сильным механическим действием и проявлением механических сил, приложенных к среде и отдельным телам, окружающим место 
взрыва. Если этого нет, то нет и взрыва. 
Чтобы выделившаяся энергия осуществляла механическое действие, 
нужно рабочее тело – вещество, которое производит большое давление на 
окружающую среду, поэтому взрыв рассматривают как результат работы теплового двигателя, действующего в течение малого времени. При обычном 
взрыве начальная скорость расширения газов может достигать около одного 
или полутора километров в секунду. Скорость распространения процесса 
взрыва, называемого детонацией, у взрывчатых веществ находится в пределах 
от полутора до десяти километров в секунду. 
Так как определение взрывных процессов основано на признаках скорости выделения энергии и воздействии процесса на окружающую среду, определим это явление как предельное, критическое течение процесса выделения 
энергии. Предельное или критическое течение процесса возникает при незначительном изменении одного или нескольких параметров системы и возникновении признаков взрыва. Определим взрыв как предельный, критический процесс выделения энергии, сопровождающийся проявлением действия сил, приложенных к окружающей среде. 
В этом определении через понятие критического процесса выделения 
энергии определены признаки взрыва. На начальной стадии происходит инициирование взрыва – незначительное энергетическое воздействие (удар, трение, локальный нагрев, искра). Далее процесс самопроизвольно нарастает и 
происходит собственно взрыв. В этом процессе Ui << Ue. Здесь Ui, Ue. – энергия инициирования процесса и энергия взрыва соответственно.  
Течение реакций горения и взрыва, их распространение зависят от многих 
факторов и определяются строением вещества и внешними условиями. Реак- 
7

ции имеют особенности зарождения и границы распространения, при которых 
происходит изменение химических и физических форм движения материи. 
Поэтому важными проблемами являются установление кинетических и термодинамических параметров реакций горения и взрыва. Без преувеличения 
можно отметить, что кинетика и термодинамика – основа управления технологиями взрывных и окислительных процессов. Существуют различные принципы классификации химических и физических процессов превращения веществ и один из принципов основан на природе происхождения, например, 
физические, химические, ядерные. Химические реакции классифицируют по 
механизму течения – окисление, восстановление, гидролиз и т. д. Существуют 
комбинированные классификации, объединяющие несколько признаков течения процесса. Горение и взрыв наиболее часто классифицируют по комбинированным признакам, объединяющим как химические, так и физические 
формы движения материи. 
Химические и физические процессы имеют общие закономерности течения во времени, такие как самопроизвольное выделение или поглощение энергии. Скорость таких реакций может самопроизвольно возрастать в течение 
определенного времени, а затем снижается и постепенно затухает. Реакции 
протекают в случае незначительного изменения параметров системы – давления, температуры, объема. В этом случае указывают, что процесс протекает в 
критическом режиме. В критическом режиме часто протекают реакции окисления, горения, фазовые переходы и практически все взрывы. Многие явления 
в природе могут протекать по критическому маршруту – образование лавин, 
селей, пожаров, возникновение и течение различных заболеваний. 
На основе исследований процессов горения и взрыва возникли новые технологии, такие как высокотемпературный синтез веществ при высоких давлениях, нетрадиционные методы получения новых веществ, эффективные способы обработки материалов, методы получения специальных композиций горючих веществ – фейерверков, осветительных систем, синтез алмазов, взрывные способы прокладки дорог, создание дамб и озер.  
 
 
 
 
 
8

 
 
 
ǪȒȇȉȇ 1  
ǷǧǸǾǬǹȂǶǧǷǧdzǬǹǷǵǩǷǬǧDZǽǯǰ 
ǪǵǷǬǴǯȆǯǩǮǷȂǩǧ 
 
§ǵȈȠȏȌȘȉȌȋȌȔȏȦȕȓȌșȕȋȇȜȗȇȘȞȌșȇȖȇȗȇȓȌșȗȕȉ 
ȗȌȇȑȝȏȐȊȕȗȌȔȏȦȏȉȎȗȢȉȇ 
  
 Для практических расчетов параметров горения, взрыва необходимо составить формальную схему процесса. По сути это универсальный математический способ, который назовем методом формальных схем. Этот метод можно 
применять не только для расчетов компонентов горючей среды, продуктов реакции, но и для определения термодинамических, кинетических закономерностей горения и взрыва.  
При проведении расчетов используют законы, закономерности, физики, 
химии – физической химии.  
Так, пользуются уравнением состояния идеальных газов (уравнение Клапейрона – Менделеева): 
,
;
,
г
m
m
PV
RT
PV
RT
M
M
 
 
 
Q
Q
 
где  Р – давление, Па;  
Т – температура, К;  
V – объем, м3;  
m – масса газа, кг;  
M – молярная масса, кг/кмоль (г/моль);  
R – газовая постоянная, равная 8314 Дж/кмоль.град (8,314 Дж/моль.град);  
Ȟ – количество вещества, кмоль, моль.  
В более точных расчетах применяют уравнение Дюпре для газов: 
(
)
.
P V
b
RT

 
Q
Q
 
Постоянная b учитывает мольный объем молекул. 
Также применяют уравнение Ван-дер-Ваальса для 1 моля газа: 
2
(
)(
)
.
a
P
V
b
RT
V


 
 
9

Здесь a – величина, учитывающая взаимодействие молекул. 
В расчетах принято учитывать, что воздух состоит из 21 % кислорода и 
79 % азота. Объемное и мольное соотношение азота и кислорода в воздухе составит 79/21 = 1:3,76. Следовательно, на 1 м3 (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76 м3 (кмоль) азота. 
Массовое соотношение азота и кислорода в воздухе составляет 23,3 % О2 
и 76,7 % N2. Его можно определить, исходя из выражения: 79.28/21.32 = 1:3,29, 
где 28; 32 – молярные массы соответственно азота и кислорода.  
Порядок составления формальных схем заключается в следующем. В левой части уравнения записывают исходные вещества, а в правой части – продукты реакции. Все расчеты удобно проводить, считая, что горючего вещества 
вступает в реакцию 1 моль (кмоль). Коэффициенты формальной схемы могут 
быть дробными. По стехиометрии мольные и объемные коэффициенты для 
идеальных газов совпадают. 
 
 
 
§1ǸȕȘșȇȉȒȌȔȏȌțȕȗȓȇȒȣȔȢȜȘȜȌȓ 
ȗȌȇȑȝȏȐȊȕȗȌȔȏȦȏȉȎȗȢȉȇ 
 
Рассмотрим правила составления формальных схем реакций горения и 
взрыва. Например, при горении пропана (другого углеводорода) основными 
продуктами химической реакции являются углекислый газ и пары воды. Запишем формальные схемы горения пропана в атмосфере кислорода и воздуха. 
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 
C3H8 + 5O2 + 5ௗÂௗ3,76N2 = 3CO2 + 4H2O + 5ௗÂௗ3,76N2. 
Несмотря на то, что азот входит в правую и левую части формальной 
схемы (сквозной компонент, не участвующий в реакции), его учет важен, так 
как позволяет рассчитать объемы воздуха, необходимого для горения, продуктов горения. Стехиометрический коэффициент при кислороде обозначают греческой буквой ȕ, а стехиометрический коэффициент при азоте равен произведению коэффициента ȕ на число 3,76 (ȕௗÂௗ3,76). 
Таким образом, для полного сгорания 1 м3 пропана необходимо 5 м3 кислорода. При горении образуются 3 м3 углекислого газа и 4 м3 паров воды. Считаем, что температура исходных веществ, продуктов реакции одинакова. 
Например, температура приведена к нормальным условиям – н.ௗу. Нормальные 
условия – температура, равная 0 °С (273 К), а давление – 1 атм. (1,013ௗÂௗ105 Па).  
10