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2015年安全工程師《生產技術》:爆炸的機理及其分類
第二節(jié)爆炸基本概念
一、爆炸的概念
?。ㄒ唬┍ǖ臋C理及其分類
在自然界中存在各種爆炸現象。廣義地講,爆炸是物質系統(tǒng)的一種極為迅速的物理的或化學的能量釋放或轉化過程,是系統(tǒng)蘊藏的或瞬間形成的大量能量在有限的體積和極短的時間內,驟然釋放或轉化的現象。在這種釋放和轉化的過程中,系統(tǒng)的能量將轉化為機械功以及光和熱的輻射等。
爆炸可以由不同的原因引起,但不管是何種原因引起的爆炸,歸根結底必須有一定的能源。按照能量的來源,爆炸可以分為三類,即物理爆炸、化學爆炸和核爆炸。
?。?)物理爆炸。
物理爆炸是由系統(tǒng)釋放物理能引起的爆炸。例如:
高壓蒸汽鍋爐當過熱蒸汽壓力超過鍋爐能承受的程度時,鍋爐破裂,高壓蒸汽驟然釋放出來,形成爆炸;
隕石落地、高速彈丸對目標的撞擊等物體高速碰撞時,物體高速運動產生的功能,在碰撞點的局部區(qū)域內迅速轉化為熱能,使受碰撞部位的壓力和溫度急劇升高,并在碰撞部位材料發(fā)生急劇變形,伴隨巨大響聲,形成爆炸現象;
自然界中的雷電也屬于物理爆炸,它是由帶有不同電荷的云塊間發(fā)生強烈的放電現象,使能量在10-6~10-7s內釋放出來,放電區(qū)達到極大的能量密度和高溫,導致放電區(qū)空氣壓力急劇升高并迅速膨脹,對周圍空氣產生強烈擾動,從而形成閃電雷鳴般的爆炸現象;
高壓電流通過細金屬絲時,溫度可達到2×104℃,使金屬絲瞬間化為氣態(tài)而引起爆炸現象;
此外,地震和火山爆發(fā)等現象也能屬于物理爆炸。
總之,物理爆炸是機械能或電能的釋放和轉化過程,參與爆炸的物質只是發(fā)生物理狀態(tài)或壓力的變化,其性質和化學成分不發(fā)生改變。
?。?)化學爆炸
化學爆炸是由于物質的化學變化引起的爆炸,如炸藥爆炸,可燃氣體(甲烷、乙炔等)爆炸。
懸浮于空氣中的粉塵(煤粉、面粉等)以一定的比例與空氣混合時,在一定的條件下所產生的爆炸也屬于化學爆炸。
化學爆炸是通過化學反應,將物質內潛在的化學能,在極短的時間內釋放出來,使其化學反應產物處于高溫、高壓狀態(tài)的結果。
一般氣體爆炸和粉塵爆炸的壓力可以達到2×106Pa,高能炸藥爆炸時的爆轟壓可達2×1010Pa以上,二者爆炸時產物的溫度均可達到3×103~5×103K,因而使爆炸產物急劇向周圍膨脹,產生強沖擊波,造成對周圍介質的破壞?;瘜W爆炸時,參與爆炸的物質在瞬間發(fā)生分解或化合,變成新的爆炸產物。
?。?)核爆炸
核爆炸是核裂變(如原子彈是用鈾235、钚239裂變)、核聚變(如氫彈是用氘、氚或鋰核的聚變)反應所釋放出的巨大核能引起的。核爆炸反應釋放的能量比炸藥爆炸時放出的化學能大的多,核爆炸中心溫度可達數107K,壓力可達1015Pa以上,同時產生極強的沖擊波、光輻射和粒子的貫穿輻射等,比炸藥爆炸具有更大的破壞力?;瘜W爆炸和核爆炸反應都是在微秒量級的時間內完成的。
爆炸過程表現為兩個階段,在第一階段中,物質的(或系統(tǒng)的)潛在能以一定的方式轉化為強烈的壓縮能;第二階段,壓縮急劇膨脹,對外做功,從而引起周圍介質的變形、移動和破壞。不管由何種能源引起的爆炸,它們都同時具備兩個特征,即能源具有極大的能量密度和極大的能量釋放速度。
(二)化學爆炸反應歷程
化學爆炸性物質或混合物發(fā)生爆炸,有熱反應和鏈式反應兩種不同的歷程。按照鏈式反應理論,爆炸性混合物(如可燃性氣體和氧氣)與火源接觸后,活化分子就會吸收能量而離解為游離基,并與其他分子相互作用形成一系列的鏈式反應,釋放燃燒熱。鏈式反應有直鏈式反應和支鏈式反應兩種。直鏈反應是指每一個游離基都進行自己的連鎖反應,如氯和氫屬于這一類反應。即氯分子在光的作用下被活化成兩個氯的游離基,每一個氯的游離基都進行自己的連鎖反應,而且每次反應只引出一個新的游離基,即:
支鏈反應是指在反應中一個游離基能生成一個以上的新的游離基,如氫和氧的連鎖反應屬于此類反應。
鏈式反應歷程大致分為3個階段:
?。?)鏈引發(fā),游離基生成。
?。?)鏈傳遞,游離基作用于其他參與反應的化合物,產生新的游離基。
(3)鏈終止,即游離基的消耗,使連鎖反應終止。
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