在自然界中,我们经常会遇到各种爆炸现象。在爆炸发生时,其常伴随有强烈的放热、发光、声响等效应。
比如汽车或自行车轮胎“放炮”、锅炉爆炸、鞭炮燃放(例如农村里的二踢脚)、原子弹与氢弹爆炸等。
可以广义地讲,爆炸其实是某一物质系统的一种极迅速的物理或化学变化。
在其变化过程中,瞬间释放系统内含有的能量,并借助系统内原有气体或爆炸生成气体的膨胀对周围介质做功,使之产生巨大的机械破坏效应。
这里我们按照爆炸方式的不同,可以分为物理爆炸、核爆炸和化学爆炸三类分别介绍。
一.物理爆炸。
由物理原因造成的爆炸,爆炸时不发生化学变化,物质的化学成分和性质不发生改变,仅仅是物质的存在形态发生变化的爆炸现象称为物理爆炸。
例如,氧气瓶爆炸、锅炉爆炸、轮胎爆胎等都是物理爆炸。
在实际爆破工作中,除了煤矿利用内装压缩空气或者二氧化碳的爆破筒落煤外,很少应用物理爆炸。
二.核爆炸
这个很好理解,由原子核裂变(如U235的裂变)或核聚变(如氘、氚、锂的聚变)的链式反应释放出巨大能量而引起的爆炸现象称为核爆炸,如原子弹、氢弹的爆炸。
其核爆炸释放出的能量相当于数万吨至数千万吨梯恩梯(TNT)爆炸,在爆炸中心区温的度可达数百万至数千万摄氏度,压力可达数十万兆帕以上,并产生大量辐射(这里我不会过多赘述,因为不能脱离本文的主题)。
三.化学爆炸
由化学变化所引起的爆炸,发生爆炸时,不仅物质形态发生变化,而且物质的化学成分和性质也发生变化的爆炸现象称为化学爆炸。
例如,各种炸药、瓦斯、煤尘的爆炸以及鞭炮燃放等均属于化学爆炸。
其中工程爆破是利用炸药爆炸所释放出的能量对介质做功,以达到预定工程目的的爆破作业。岩石的爆破过程就是炸药发生化学爆炸释放能量,并将能量转化成机械功、破坏岩石的过程。因此,在工程爆破中研究应用最广泛的爆炸是炸药的化学爆炸。
知道了爆炸的三大种类,我们可以继续了解一下所需爆炸的基本条件。
爆炸物爆炸爆炸必须同时具备以下三个基本条件,缺一不可,也称为炸药爆炸的三要素。
(1)在其变化过程释放大量的热放热是炸药发生爆炸反应得以进行的首要条件。
而热是爆炸做功的能源,如果化学变化过程中没有足够的热量放出,化学变化本身不能供给继续变化所需的能量,化学反应就不能自行传播,这样爆炸过程也就根本不可能发生了。
(2)反应过程的高速率.
反应过程的高速率则是爆炸反应区别于一般化学反应的重要标志。炸药爆炸反应时间大约是10^-6~10^-7s量级。虽然炸药的能量储藏量并不比一般燃料大,但是因为反应的高速度,炸药爆炸时能够达到一般化学反应无法比拟且高得多的能量密度。
(3)变化过程生成大量气体产物
在反应过程中生成的大量气体产物,是炸药爆炸对外做功的媒质。爆炸瞬间炸药定容地转化为气体产物,其密度要比正常条件下气体的密度大几百倍到几千倍。
也就是说,正常情况下这么多体积的气体被强烈压缩在炸药爆炸前所占据的体积内,从而导致10^9~10^10Pa以上的高压。同时,因为反应的放热性,这样处于高温、高压的气体产物必然急剧膨胀,将炸药的位能变成气体运动的动能,从而对周围的介质做功。
而在这个过程中,气体产物既是导致高压的原因,又是对外界介质做功的媒质。
炸药爆炸中的化学爆炸过程:
首先是热分解——
与其他化合物一样,炸药在常温下就能进行分解反应并放出热量,但分解速度很慢,不会形成爆炸。
当其温度升高时,分解速度加快,温度继续升高到某一定值(爆发点)时,热分解就能转化成燃烧或爆炸。
对炸药来说,虽然缓慢分解这种变化形式没有什么实用价值,但它反映了炸药的化学安定性。在储存、加工和使用炸药时,都需要了解炸药的化学安定性。
其次是燃烧——
炸药不仅能爆炸,而且在一定的条件下,绝大多数炸药都能够稳定地燃烧而不爆炸。研究结果表明,炸药的燃烧过程与爆炸过程不同,其基本特点如下。
①燃烧时反应区的能量是通过热传导、气体产物的扩散辐射而传入炸药的。但在爆轰时,能量与炸药的连续传爆是借助于爆轰波沿炸药的传播来实现的。
②燃烧的速度大大低于爆轰波的传播速度。燃烧速度总是小于原始炸药的声速,通常是每秒几毫米至数十厘米,最大也不超过每秒数百米。而爆轰的过程则恰恰相反,它的速度总是大大超过原始炸药的声速。
③在最初的一瞬间,燃烧波后的燃烧产物是向后运动的,而在爆轰过程中恰恰相反。因此,在燃烧区域内燃烧产物的压力大大低于爆轰波后面的压力。
④在炸药燃烧的条件下,化学反应的速度和性质主要决定于外界压力。例如,低氮硝化纤维素及其他某些复杂的硝酸酯在相当低的压力(3×10^3~3×10^5kPa)下燃烧时,会产生一氧化碳和甲醛,而在较高的压力(几万到几十万千帕)下燃烧就不会发生上述情况。
然后是爆炸——
爆炸在传播的形态上与燃烧相比有着重大的本质区别。炸药爆炸的特点是在爆炸点的压力急剧地发生突变时,传播速度很快而且不变,通常每秒达数千米,但是这种速度与外界条件的变化不大,即使是在敞开容器中也能进行高速度爆炸反应。
一般来说,这种爆炸过程是很不稳定的,不是过渡到更大爆速的爆轰,就是衰减到很小爆速的燃烧直至熄灭。因此,爆炸只是爆炸变化过程中的某一种过渡状态,并不是爆炸物真正发威的时候。
最后是爆轰——
指的是炸药以最大而稳定的爆速进行传爆的过程。它是炸药所特有的一种化学变化形式,与外界的压力、温度等条件无关。不同的炸药爆轰的传播速度不同,一般为每秒数千米。
例如,我们还是拿TNT举例,梯恩梯(TNT)的爆速为6800m/s,是指梯恩梯在该条件下能够达到的最大的稳定的爆炸速度。对于任何一种炸药来说,在给定的条件下,爆轰速度均为常数。在爆轰条件下,爆炸具有最大的破坏效应,此时才是爆炸物真正具有威能的时候。
爆炸和爆轰并无本质上的区别,只不过是传播速度不同而已。爆轰的传播速度是恒定的,爆炸的传播速度是可变的。从这个意义上来讲,也可以认为爆炸就是爆轰的一种形式,即不稳定的爆轰。
当然我们这里要注意几个点。
第一点,炸药化学变化的上述4种形式在性质上虽有不同之处,但它们之间却有着非常密切的联系,在一定的条件下这四种化学变化形式是可以相互转化的。
第二点,炸药的热分解在一定的条件下可以转化为燃烧,而炸药的燃烧随温度和压力的增高有可能转变为爆炸,直至过渡到稳定的爆轰;反之,爆炸也可以转化为燃烧、缓慢分解。
【本章鸣谢张立国先生提供的部分爆破理论参考资料,本章非单独创作。】