Сегодня, в мирные дни, взрыв раскрывает нам богатства земных недр, помогает прокладывать пути через горы, преграждает течение рек, является нашим помощником в героическом созидательном труде.
Что же такое взрыв и как он действует?
Взрыв представляет собой крайне быструю химическую реакцию, в результате которой взрывчатое вещество превращается в газы. Эта реакция протекает с выделением большого количества тепла. Например, взрыв килограммового заряда тротила может произойти за одну стотысячную долю секунды. Вследствие чрезвычайной быстроты реакции образующиеся газы не успевают за это время заметно расшириться и занимают вначале объем, немногим больший объема, который занимало взрывчатое вещество. Этот объем в несколько тысяч раз меньше, чем тот, который занимали бы газы взрыва при атмосферном давлении. Известно, что давление газа тем больше, чем меньше объем сосуда, в котором он находится. Поэтому газы в момент взрыва оказывают огромное давление, действующее как мощный удар. Это давление так велико, что его нельзя непосредственно измерить каким-либо известным прибором без того, чтобы этот прибор не разрушился при таком измерении. По теоретическим расчетам давление взрыва для некоторых взрывчатых веществ достигает сотен тысяч атмосфер.
По мере удаления от взорвавшегося взрывчатого вещества действие взрыва быстро падает; однако при взрывах больших количеств взрывчатых веществ давление даже на расстоянии нескольких километров достаточно, чтобы выбить стекла в окнах домов.
Возникает естественный вопрос: почему же взрыв протекает с такой огромной быстротой? Ведь с химической стороны те реакции, которые идут при взрыве, очень похожи, а иногда и тождественны реакциям, происходящим при горении топлива. В основном это окисление (соединение с кислородом) углерода с образованием углекислого газа (СО2) или окиси углерода (СО) и водорода с образованием воды (Н2O).
Более того, и сами взрывчатые вещества в большинстве своем способны не только взрываться, но и гореть. Тот же тротил, если его поджечь, может гореть, и притом довольно медленно, спокойнее и медленнее, чем, скажем, бензин. Наоборот, самое простое горение, например, горение угля, можно поставить в такие условия, что оно будет протекать как сильнейший взрыв. Если взять тонко измельченный уголь, например в виде сажи, и распылить его в воздухе так, чтобы образовалось пылевое облако, то при поджигании такого облака произойдет взрыв. Более сильный взрыв можно получить, если сажу пропитать жидким воздухом или кислородом.
Почему же горение в обычных условиях протекает медленно и за счет чего может быть достигнуто его ускорение?
Горение угля является химической реакцией соединения углерода с кислородом воздуха. Скорость химических реакций зависит от температуры и от давления. С повышением температуры скорость реакции быстро возрастает; если температуру повысить на 10 градусов, то скорость реакции увеличится в два — четыре раза. Расчет показывает, что если от комнатной температуры перейти к температуре в 1000 градусов, то эта скорость возрастет во много миллиардов раз. При увеличении давления скорость химических реакций также возрастает — для некоторых реакций пропорционально давлению, а для других даже быстрее — пропорционально давлению в квадрате, то есть если повысить давление от 1 до 1000 атмосфер, скорость реакции увеличится в 10002, или в миллион раз.
При горении угля выделяется много тепла. Один килограмм угля дает при сгорании около 8000 больших калорий. Этого количества тепла хватило бы для нагрева до кипения 8 ведер воды. За счет выделения большого количества тепла при горении достигается очень высокая температура, особенно, если уголь горит в чистом кислороде. При горении на воздухе, содержащем, как известно, только 21 процент кислорода, выделяющееся тепло расходуется не только на нагрев образующегося углекислого газа, но и на нагрев азота. Температура получается поэтому ниже, но все же весьма высокая — она может превышать 2000 градусов. Таким образом, реакция горения угля происходит при очень высокой температуре, и скорость ее могла бы быть чрезвычайно большой. Несмотря на это, горение протекает медленно. Причина этого заключается в том, что реакция может идти только на поверхности куска угля, где он соприкасается с воздухом а эта поверхность обычно невелика.
Из сказанного ясно, что для ускорения горения надо с одной стороны, увеличить поверхность угля и, с другой облегчить доступ к ней кислорода воздуха. Это и достигается тонким измельчением угля и распылением его в воздухе так, чтобы каждая пылинка была окружена нужным для сгорания количеством кислорода.