Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №12

Журнал «Домашняя лаборатория»

Объем V_t газообразных продуктов при температуре реакции горения вычисляют по формуле V_t = V₀(1 + 0,00366t), где t — температура реакции горения состава, V₀ — удельный объем.

В таблице 10 указан объем, занимаемый при нормальных условиях 1 граммом газов преимущественно выделяющихся при реакциях горения.

Таблица 10. Удельный

объем некоторых газов при нормальных условиях

Газ • Объем [см³/г]

H₂ • 11200

Н₂O • 1247

СО • 800

СO₂ • 509

N₂ • 800

SO₂ • 350

НСl • 614

Cl₂ • 315

Как видно из таблицы 10, при равной массе наибольший объем в газообразном состоянии занимает водород, а затем пары воды, азот и окись углерода.

Из этого можно сделать вывод, что для получения большего объема газов следует в качестве горючих компонентов пользоваться органическими веществами, содержащими много связанного водорода, а количество окислителя рассчитывать таким образом, чтобы сгорание горючего происходило только до Н₂O и СО или, если это диктуется желанием получить больше тепла, до Н₂O и СO₂.

Удельный объем газообразных продуктов реакции определяют по формуле:

V₀ = 22,4•n•1000/m

где n — число молей газообразных продуктов реакции (сумма коэффициентов при газообразных веществах в правой части уравнения реакции), m — масса реагирующего состава в граммах, 22,4 — число Авогадро.

Пример: рассчитать V₀ для имитационного состава состоящего из хлората калия, алюминия и углерода, задавшись целью получить состав с возможно большим газовыделением и значительной теплотой горения.

Конструирование состава: зная, что наибольший объем газа в заданной смеси может дать окись углерода, запишем формулу так, чтобы входящий в состав углерод окислился только до окиси углерода:

2КСlO₃ + 2Аl + 3С = Аl₂O₃ + 3СО + 2КСl

Откуда:

V₀= (22,4•(3 + 2)•1000)/(2•123 + 2•27 + 3•12) = 333 см³/г

Вычислив рецепт состава согласно заданной формуле получим:

73 % — КСlO₃; 16 % — Аl; 11 % — С.

Естественно, что при охлаждении газов до нормальной температуры реальное значение вычисленного удельного объема будет ниже, чем расчетное, так как произойдет конденсация паров хлорида калия.

Задавшись эмпирическим значением температуры горения данного состава равным 2500 °C, можно осуществить прикидочный расчет объема газов при температуре горения. V_t = 333•(1 + 0,00366•2500) = 3380 см³/г. Можно предположить наличие взрывчатых свойств у приведенного состава,

учитывая значительный объем газов, выделяющихся в результате горения при данной температуре.

В таблице 11* приведены значения V₀.

Следует отметить, что удельный объем газообразных продуктов для применяемых пиротехнических составов (кроме твердых коллоидных и смесевых ракетных топлив) значительно меньше, чем для основных взрывчатых веществ. Так V₀ для гексогена и октогена составляет 908 см³/г, для тетрила 750 см³/г, для тротила 690 см³/г, для смеси НТА (94 %) с дизельным топливом (6 %) примерно 890 см³/г.

ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Температуру горения пиротехнических составов определяют по формуле:

t = (Q — ?(Q_s + Q_k))/?С_р где Q — количество теплоты, выделяющееся при горении состава,

?С_р — сумма теплоемкостей продуктов реакции [кал/град],

?(Q_s + Q_k) — сумма скрытых теплот плавления и кипения продуктов горения [ккал].

Искомая температура горения является верхним пределом, так как формула не учитывает потери тепла на излучение и термическую диссоциацию продуктов горения.

Удовлетворительно формула работает только, если искомая температура не превышает 2000…2500 °C, что недостаточно для большинства пиротехнических составов.

Определение реальной температуры горения расчетным путем достаточно сложная задача, так как приходится принимать множество допущений. Ричардс и Комтон установили, что для большинства простых веществ справедливо соотношение:

Q_s/T_s = 0,002…0,003

где Q_s — теплота плавления [ккал/г•атом],

T_s — температура плавления [°К].

Однако, эта зависимость достаточно точна не для всех простых веществ.

Скрытая теплота плавления также может быть вычислена по эмпирической формуле А. А. Шидловского:

Q_s/T_s = 0,002n где n — число атомов в молекуле соединения.

Скрытая теплота испарения вещества не является неизменной, а, как правило, уменьшается с повышением температуры, при которой происходит испарение.

Зависимость между теплотой кипения Q_R [ккал/моль] и температурой кипения жидкости при 760 мм. рт. ст. T_R [°К] выражается формулой Трутона:

Q_r/T_{r =} 0,02n или по эмпирической формуле Шидловского: