Объем Vt газообразных продуктов при температуре реакции горения вычисляют по формуле Vt = 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. Vt = 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 — Σ(Qs + Qk))/ΣСр где Q — количество теплоты, выделяющееся при горении состава,
ΣСр — сумма теплоемкостей продуктов реакции [кал/град],
Σ(Qs + Qk) — 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.