在人們的日常生活、生產實踐和科學試驗中往往會遇到爆炸現象。爆炸時,伴隨有強烈的發光、聲響和破壞效應。爆炸是物質系統的一種極迅速的物理或化學變化,在變化的瞬間放出其含有的能量,借助爆炸物原有的氣體或爆炸生成的氣體迅速膨脹,并對周圍介質做功,使之發生機械破壞作用。
一、爆炸引起爆炸的原因不同,可將爆炸分為物理爆炸、化學爆炸和核爆炸三類。
(1)物理爆炸。是指由物理原因引起的爆炸,爆炸過程中不發生化學變化。如鍋爐爆炸、氧氣瓶爆炸等,在生產過程中物理爆炸的應用很少。
(2)化學爆炸。是由爆炸物在極短的時間內發生化學變化而引起的爆炸。如常用炸藥的爆炸,煤礦井下瓦斯或煤塵與空氣混合物以及其他混合氣體的爆炸等到都屬于化學爆炸。
(3)核爆炸。是由核裂變或核聚變引起的爆炸,爆炸過程中放出的能量極大,爆炸中心的溫度極高,達到幾百萬至幾千萬度,壓力可達到幾十萬個MPa,并輻射出很強的各種射線,其破壞性也極強。目前,核爆炸的應用范圍仍十分有限。
二、炸藥的化學變化形式
炸藥是在一定條件下,能夠發生快速化學反應、放出能量、生成氣體產物,顯示爆炸效應的化合物或混合物。炸藥的爆炸通常是從局部分子被活化、分解開始的,其反應應放出的熱量又使周圍的炸藥分子活化、分解,直至全部炸藥分子反應完畢。當炸藥發生極速的化學變化時,氣體產物不能得到擴散而導致溫度和壓力急劇升高,其后產物膨脹,將能量傳遞給周圍介質而做功,便形成爆炸。但爆炸并不是炸藥惟一的化學變化形式。由于環境和引起化學變化的條件不同,炸藥可能有四種不同形式的化學變化,即緩慢分解、燃燒、爆炸和爆轟。這四種化學變化的速度不同,生成的產物和熱效應也不同。
(1)熱分解。炸藥在一定的溫度時會發生熱分解,而且溫度越高,分解越快。這種分解是在整個炸藥內全面發生的,炸藥內各點的溫度相同,分解時既右以吸收熱量,也可以放出熱量,決定于炸藥的類型和環境溫度。但是,當溫度較高時,所有炸藥的分解反應都伴隨有熱量放出。
(2)燃燒。有些炸藥在熱源的作用下可以被點燃。因溫度、壓力環境的不同可進行緩慢的(每秒數毫米)或速燃甚至爆燃(每秒數米至數百米),炸藥在密閉空間中燃燒時可能變為爆炸。根據炸藥的燃燒特性,可將將炸藥分為三大類:起爆藥、猛炸藥和火藥。起爆藥一旦燃燒,化學反應極快,燃燒速度增長很快,而且燃燒不穩定,極易轉變為爆炸;猛炸藥一般能夠穩定燃燒;燃燒穩定性最好的是火藥,穩定燃燒的壓力可從1000個大氣壓到10000個大氣壓,壓車增高時也可轉變為爆炸。
(3)爆炸。在足夠的外部能量作用下,炸藥以每秒數百米至數千米的高速進行爆炸反應。爆炸與燃燒的主要區別在于:燃燒靠熱傳導來傳遞能量和激起化學反應,受環境條件的影響較大,而爆炸則靠壓縮沖擊波的作用來傳遞能量和激起化學反應,基本上不受外部環境的影響;爆炸反應比燃燒反應更為強烈,放出熱量和形成的溫度也更高;燃燒產物的運動方向與反應區的傳播方向相反,而爆炸產物的運動方向則與反應區的傳播方向相同,故燃燒產生的壓力較低,而爆炸產生的壓力則高;燃燒速度是音速的,而爆炸速度是超音速的。爆炸同樣有穩定爆炸和不穩定爆炸兩種。爆炸速度保持不變的稱為穩定爆炸,相反則為不穩定爆炸,穩定爆炸也稱為爆轟。
(4)爆轟。爆轟是炸藥化學變化的最高形式,是炸藥以每秒數千米的最大穩定速度進行的反應過程。一種炸藥在特定條件下的爆轟速度為常數。
炸藥的上述化學元素反應形式在一定條件下是可以相互轉化的。熱分解可發展為燃燒甚至爆炸;反之,爆炸也可轉變為燃燒和熱分解。
三、炸藥爆炸的一般特征
放出能量、生成氣體產物和爆炸過程的高速度是炸藥爆炸的一般特征,也是炸藥爆炸的必要條件,缺一不可,也稱為炸藥爆炸三要素。
(1)放出能量。炸藥爆炸就是將蘊藏的大量的化學能以熱能的形式快速釋放的過程。炸藥在能量方面的特點是,較小容積中蘊含有較大工業能量,即炸藥的能量密度比普通燃料(汽油、煤、木材等)的能量密度要高得多。因而爆炸時放出能量也大。
(2)生成氣體產物。炸藥的爆炸過程就是炸藥進行極速成的熱化學的反應的過程,化學反應中生成體氣體產物是炸藥做功的必要條件。只有借助生成的氣體產物才能將爆炸產生的熱量轉變為氣體的壓縮能,從而依靠氣體的膨脹作用對周圍介質產生機械功,如果某物質的反應熱很大而沒有氣體產物的形成,就不會形成爆炸。
(3)爆炸過程的高速度。爆炸化學反應是由壓縮沖擊波引起的,因此,反應速度和爆炸速度都很高。在反應區內,炸藥爆炸的反應的時間只需要幾十微秒,甚至不到一微秒;爆炸速度可達每幾千米。爆炸過程的高速度,決定了炸藥能夠在極短的時間內放出大量能量,從而有極大的威力。