Уравнения состояния газа. Идеальный газ, реальный газ. Уравнение Нобля-Абеля (Дюпре), как следствие уравнения Ван-дер-Ваальса, страница 4
При выстреле часть энергии, заключенной в заряде пороха, переходит в энергию движения снаряда.
Пока заряд еще не зажжен, он обладает потенциальной или скрытой энергией. Ее можно сравнить с энергией воды, стоящей на высоком уровне у шлюзов мельницы, когда они закрыты. Вода спокойна, колеса неподвижны (рис. 39).
Но. вот мы воспламенили заряд. Происходит взрывчатое превращение – энергия освобождается. Порох превращается в сильно нагретые газы. Таким образом, химическая энергия пороха превращается в механическую, то есть в энергию движения газовых частиц. Это движение частиц создает давление пороховых газов, которое, в свою очередь, вызывает движение снаряда: энергия пороха превратилась в энергию движения снаряда.
Мы как бы открыли шлюзы. Бурный поток воды ринулся с высоты и быстро завертел лопасти водяного колеса (см. рис. 39).
Какое же количество энергии заключено в заряде пороха, например в полном заряде 76–миллиметровой пушки?
Рис. 39. Потенциальная энергия превращается в энергию движения
Это легко подсчитать. Полный заряд пироксилинового пороха 76–миллиметровой пушки весит 1,08 килограмма. Каждый килограмм такого пороха выделяет при сгорании 765 больших калорий тепла. Каждая большая калория, как известно, соответствует 427 килограммометрам механической энергии.
Рис. 40. Единица работы–килограммометр
Таким образом, энергия, заключенная в полном заряде 76–миллиметровой пушки, равна:
1,08·765·427 = 352.000 килограммометров.
А что такое килограммометр? Это работа, которую надо затратить для того, чтобы поднять один килограмм на высоту в один метр (рис. 40).
Однако далеко не вся энергия пороха уходит на выталкивание снаряда из орудия, то есть на полезную работу. Большая часть энергии пороха пропадает: около 40% энергии совершенно не используется, так как часть газов бесполезно выбрасывается из ствола вслед за вылетевшим снарядом, около 22% расходуется на нагревание ствола, около 5% уходит на отдачу и движение газов.
Если учесть все потери, окажется, что только одна треть, или 33%, энергии заряда идет на полезную работу.
Рис. 41. Единица мощности – лошадиная сила
Это не так уж мало. Орудие как машина обладает довольно высоким коэфициентом полезного действия. В самых совершенных двигателях внутреннего сгорания на полезную работу затрачивается не более 40% всей тепловой энергии, а. в паровых машинах, например в паровозах, – не более 20%.
Итак, на полезную работу в 76–миллиметровой пушке тратится 33% от 352.000 килограммометров, то есть около 117.000 килограммометров.
И вся эта энергия выделяется всего лишь в 6 тысячных долей секунды!
Простой расчет показывает, что мощность орудия составляет более 260.000 лошадиных сил. А что такое «лошадиная сила», видно из рис. 41.
Если бы люди могли произвести такую работу в столь же короткий срок, потребовалось бы примерно полмиллиона человек.
Вот какова мощность выстрела даже небольшой пушки!
Горение порохов
Для порохов, в отличие от бризантных и инициирующих ВВ, горение – это типичный вид взрывчатого превращения. Характерная для порохов устойчивость горения определяется их способностью гореть параллельными концентрическими слоями даже при высоких давлениях (до 500-600 МПа).
В горении пороха различают три фазы:
– зажжение (местное возбуждение самораспространяющейся реакции);
– воспламенение (распространение возбужденного процесса по поверхности вещества);
– собственно горение (распространение реакции вглубь вещества).
По своей природе эти три фазы принципиально не отличаются, но при практическом применении порохов они протекают с различными скоростями.
Зажжение – это начало разложения пороха, обычно под влиянием местного нагрева.
Скорость воспламенения порохов зависит от природы пороха, состояния его поверхности и особенно сильно от давления. По способности к воспламенению дымные пороха стоят на первом месте. Скорость воспламенения возрастает с увеличением удельной поверхности пороха, то есть шероховатый, пористый порох воспламеняется легче, чем гладкий.
С возрастанием давления скорость воспламенения существенно увеличивается. Это связано с тем, что при высоком давлении горячие газообразные продукты горения дольше пребывают у поверхности порохового элемента.
При горении пороха на открытом воздухе скорость распространения процесса по поверхности значительно больше скорости горения. Это связано с догоранием продуктов реакции за счет кислорода воздуха.
Горение пороха в замкнутом объеме происходит параллельными слоями по нормали к поверхности. Это достигается благодаря высокой плотности и однородности физических свойств пороховых элементов.
При прочих равных условиях скорость горения пороха зависит от калорийности, начальной температуры пороха, внешнего давления и ряда других факторов.
С увеличением калорийности пороха скорость горения его возрастает. Заметно растет скорость горения при уменьшении плотности пороховых элементов. Так Вьель для дымного пороха получил следующий результат: при увеличении плотности на 17% скорость горения уменьшилась более чем в 19 раз. При увеличении плотности уменьшается пористость вещества и затрудняется проникновение горячих продуктов реакции вглубь вещества.
С увеличением начальной температуры пороха скорость его горения возрастает. При увеличении T
0 от 0 °С до 100 °С скорость горения нитроглицеринового пороха с 28% нитроглицерина возросла в 2,9 раза.
Зависимость скорости горения от давления и проста, и сложна одновременно. С ростом давления скорость горения растет. Но вот по какой зависимости? Разные ученые предлагали разные виды зависимостей:
но ни одна из них не является универсальной.
=Ap дает хорошую сходимость с опытом при давлениях порядка 100 МПа и выше, аv =a +bp – приp £ 40 МПа. В артиллерии пользуются формулойv =Ap ,учитывая величину давления в канале ствола.
Чувствительность к давлению у различных порохов разная. Так дымный порох при атмосферном давлении горит примерно в 10 раз быстрее пироксилинового ружейного пороха, а при давлениях порядка 200-300 МПа скорость горения пироксилинового пороха значительно больше, чем у дымного.
По Зельдовичу основное отличие горения пороха от горения инициирующего или бризантного ВВ состоит в том, что вместо испарения или сублимации ВВ наблюдается газификация пороха, то есть разложение пороха на газообразные продукты, которые далее сгорают.
Теория Зельдовича качественно правильно отражает закономерности, наблюдаемые при горении пороха, но плохо сходится количественно с результатами экспериментов.
Стадии горения пороха по Зельдовичу представлены на рисунке:
Позже было доказано, что горение пороха – более сложный процесс, чем это описано у Зельдовича. Горение протекает не только в газовой, но и в конденсированной фазе, причем в конденсированной фазе выделяется примерно 50% тепла реакции, то есть эта реакция весьма важна.
Дымный порох является старейшим взрывчатым веществом. Долгое время (почти 500 лет) он оставался единственным многофункциональным взрывчатым веществом — использовался в военных целях для огнестрельного оружия, снаряжения гранат, подрыва горных пород.
Коротко рассмотрим классификацию взрывчатых веществ (согласно А.Г. Горст Пороха и взрывчатые вещества, М., 1972
С практической точки зрения взрывчатые вещества можно разделить на следующие группы:
Группа I — Инициирующие (первичные) взрывчатые вещества. Группа II — Бризантные или дробящие (вторичные) взрывчатые вещества. Группа III — Метательные взрывчатые вещества или пороха.
Основными признаками для разделения взрывчатых веществ на группы являются: характерный для каждой из них режим взрывного превращения (горение или детонация) и условия его возбуждения.
Характерным видом взрывного превращения для веществ первой группы является детонация, горение их крайне неустойчиво часто переходит в детонацию. При этом химическая реакция распространяется по веществу вместе с фронтом ударной волны.
(Детонация (франц. detoner — взрываться, от лат. detono — гремлю), процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой скоростью. [Большая Советская Энциклопедия])
Типичными представителями инициирующих взрывчатых веществ являются перекись ацетона, гремучая ртуть, азид свинца.
Бризантные взрывчатые вещества способны гореть при некоторых условиях, но их горение может переходить в детонацию. Примеры — нитроглицерин, тротил, пикриновая кислота и т.д.
Для метательных взрывчатых веществ или порохов (куда относится и черный порох) характерным видом взрывного превращения является горение, не переходящее в детонацию. Эти вещества пригодны для сообщения движения пуле или снаряду в канале ствола оружия, а также ракетам. В настоящее время широко используются бездымные пороха на основе нитроцеллюлозы.
Исчерпывающее описание свойств дымного пороха приводится в книге А. Штетбахер Пороха и взрывчатые вещества, ОНТИ, 1936
ссылка. Приведем фрагмент этой монографии.
«Хороший порох оказывает сопротивление раздавливанию между пальцами, не пачкает рук и, насыпанный на бумагу, совершенно не оставляет пыли. При падении пробы с высоты 1 м на твердую поверхность порох не должен давать пыли. Маленькая кучка пороха, зажженная на бумаге, должна быстро вспыхнуть, давая вертикально поднимающийся дым, причем бумага не должна загореться. Если порох оставляет пятна или частицы твердых продуктов горения, то перемешивание состава было недостаточным.
Содержание влаги в порохе колеблется от 0,8 до 1,5%. Хорошие марки пороха содержат не более 1% влаги, так как уже десятые доли процента лишней влажности изменяют баллистические свойства и понижают начальную скорость. Отсыревший порох все еще сохраняет способность воспламеняться и свойства взрывчатого вещества; лишь при содержании 15% воды способность воспламеняться теряется.
Дымный порох легко воспламеняется от пламени и от искры; удар молнии всегда вызывает сильный взрыв. Небольшие количества пороха только вспыхивают; большие же напротив, сильно взрывают. Температура вспышки лежит около 300°С, следовательно выше, чем у бризантных взрывчатых веществ. Если нагревание вести медленно, то можно перегнать всю серу, не воспламенив пороха. В безвоздушном пространстве порох сгорает медленно. Необходимо отметить отношение его к газам. В атмосфере водорода порох накаливается, но воспламенения не происходит; порох с трудом горит в азоте и довольно легко в атмосфере углекислоты.
В отношении своей чувствительности к удару и трению порох принадлежит к числу наиболее безопасных в обращении взрывчатых веществ; однако это свойство пороха нельзя переоценивать. При падении груза в 10 кг с высоты более 45 см происходит взрыв пороха; при высоте падения ниже 35 см получается отказ. Чем тверже ударяющиеся детали, тем легче происходит взрыв легче всего — при ударе стали (железо) о сталь (железо), затем — латуни о железо, труднее при ударе меди о бронзу и бронзы о дерево.
Дымный порох образует при взрыве полезное количество газа, равное всего 43%, в то время как твердый остаток (дым) составляет почти 3/5 всего веса пороха. Вообще можно сказать, что образующиеся при взрыве газы занимают около 280 объемов взятого пороха, и давление на стенки сосуда достигает 6400 ат.
Горение пороха протекает настолько сложно, что реакцию разложения невозможно представить одним уравнением, правильно отображающим процесс.
Стехиометрически разложение пороха можно было бы представить следующим простым уравнением
2KNO3 (74,9%) + 3C (13,3%) + S (11,8%) = K2S + 3CO2 + N2
Однако запах и цвет, наблюдаемые при взрыве, показывают, что продуктов разложения образуется гораздо больше. «
Опыты с поджиганием образцов черного пороха показали, что наш порох получился не самого лучшего качества, так как он слегка обугливал бумагу и оставлял после сжигания незначительное количество углеродных частиц. Тем не менее, он пригоден для экспериментов, демонстрирующих свойства метательных взрывчатых веществ.