Работа взрыва
Выделяющееся при взрыве тепло преобразуется в работу, которую совершают газы взрыва при расширении. Энергетический баланс системы описывается уравнением
где E = CvTвзр - внутренняя энергия ПД; Q - теплота, удаляемая из системы; pdV - работа расширяющихся газов.
Работа, производимая расширяющимися газами при отсутствии термодинамических потерь, считается идеальной.
В этом случае изменение внутренней энергии ПД равно количеству работы, совершенной газами взрыва:
В реальных условиях такая работа производится газами при их адиабатическом расширении в воздушной среде.
Идеальная работа, совершаемая расширяющимися газами взрыва при адиабатическом расширении до давления окружающей среды, определяется по формуле:
где Cv1Tвзр - внутренняя энергия в момент образования ПД; Cv2T2 -энергия ПД к концу их расширения; Cv1, Cv2 - средняя теплоемкость ПД в момент их образования и к концу их расширения при постоянном объеме; Tвзр - температура взрыва; T2 - конечная температура ПД.
Обычно для расчетов в качестве конечного состояния принимают нормальное атмосферное давление воздуха (0,1 МПа), а соответствующую величину работоспособности обозначают через Аио. Эта величина является одной из важных расчетных энергетических характеристик BB, она дополняет теплоту взрыва и показывает теоретическую возможность реализации энергетического потенциала ВВ. Для вычисления Аио необходимо знать теплоту взрыва, состав ПВ к концу их расширения (для определения Cv2) и конечную температуру ПВ T2.
Идеальная работа ПД показывает потенциальную возможность реализации энергии BB в механическую работу, которая зависит не только от теплоты взрыва, но и от химического состава ПВ и физических свойств ВВ.
Для газовых взрывчатых смесей, расширение ПВ которых происходит вдоль изоэнтропы вида PV = const, идеальная работа вычисляется по уравнению
где T2 - температура окружающей среды; Pср - давление окружающей среды; у = Cр/Cv - изоэнтропа ПВ.
По аналогии с газовыми взрывами определяют идеальную работу для конденсированных BB (водосодержащих смесевых и твердых ВВ) с целью оценки их работоспособности.
Однако этот подход является недостаточно точным, так как процесс расширения ПД для конденсированных ВВ, находящихся под давлением до нескольких десятков тысяч атмосфер, идет не по изоэнтропе вида PVy = const, а по политропе PVn = const, тем не менее для качественной оценки происходящих процессов он допустим и позволяет выяснить ряд важных зависимостей:
Аи°/Qвзр = nи - идеальный термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) взрыва.
Аи° = Qвзр[1 - (Vо/Vок)y-1], где Vо - удельный объем; Vо = 1/рвв; Vок = 10в-3*22,4nПВ - объем газообразных ПВ, приведенный к нормальным условиям, м3/кг.
Фактическая работа, совершаемая при расширении ПД в плотных средах, значительно меньше, чем идеальная работа из-за термодинамических и химических потерь энергии. Энергия, идущая на дробление, рыхление и выброс твердых хрупких сред (пород), будет еще меньшей.
С увеличением детонационного давления увеличивается работа взрыва и его КПД, который вычисляется по формуле
где Aп - полная работа взрыва; Qвзр - теплота взрыва; P1 - давление при взрыве заряда ВВ, МПа; P2 - атмосферное давление, МПа; у - изоэнтропа ПВ; у = Cp/Cv = 1 + R/Cv; R - универсальная газовая постоянная [R = 8,314 ДжДмоль К)].
Экспериментально установлено, что наличие в ПВ значительного количества твердых или жидких веществ (Al2O3, NaCl) при температуре взрыва приводит, с одной стороны, к повышению полной работы Ап, а с другой - к уменьшению КПД взрыва, так как имеется оптимальное содержание Al2O3, которое отвечает максимальной работоспособности ВВ.