Температура горения пиротехнических составов 

Определение температуры горения пиротехнических составов имеет большое значение для пиротехников, так как это дает новый критерий оценки существующих составов и облегчает создание новых, более совершенных рецептов. Температуру горения пиротехнических составов можно определить двумя способами: 
1) вычислением по формуле, основанной на том известном положении, что температура реакции равна ее теплоте, деленной на суммарную теплоемкость продуктов реакции; 
2) непосредственным измерением (при помощи термометров, термопар или оптических пирометров). 
Вычисление температуры горения составов 
Определение температуры горения составов расчетным путем затрудняется отсутствием точных цифровых данных о теплоемкостях многих соединений при высоких температурах (особенно при температурах выше 2000°); для многих соединений не определены до настоящего времени или определены с недостаточной точностью и скрытые теплоты плавления и испарения. Вычисляемые таким путем значения температуры реакции горения являются только верхним (практически недостижимым) пределом, так как в действительности температура горения должна быть значительно ниже вследствие тепловых потерь в окружающее пространство (вследствие теплопроводности, конвекции и излучения пламени), а также вследствие затраты теплоты на термическую диссоциацию продуктов горения. Учитывая, что обычно сгорание пиротехнических составов происходит в открытом пространстве, где имеется полная возможность для расширения газообразных продуктов реакции, а также, что процесс горения (в отличие от взрыва ВВ) протекает со сравнительно малой скоростью, следует признать более целесообразным пользование при расчетах величинами теплоемкости при постоянном давлении. Молекулярные теплоемкости газов при постоянном объеме и при постоянном давлении связаны соотношением 
Ср = Сv + R (1) 
где R — газовая постоянная, равная 1,937 кал/г-моль -° С. Согласно кинетической теории газов энергия грамм-молекулы газа равна 
Е = i*R*T / 2 (2) 
где i — число степеней свободы различных видов движения молекул. Для одноатомных газов это число равно 3, для двухатомных — 5, а для многоатомных — 6. Молекулярную теплоемкость газа Cv можно вычислить по формуле 
Cv = iR / 2 
Получаем значения Cv в кал/г-моль*° С. 
Для одноатомных газов ................ 2,97 
Для двухатомных газов ............... 4,95 
Для многоатомных газов ............... 5,94 
Молекулярную теплоемкость при постоянном давлении Сp можно вычислить по формуле (1). 
Получаем значения Cр в кал/г-моль *°С. 
Для одноатомных газов ........... 4,95 
Для двухатомных газов ............... 6,93 
Для многоатомных газов ............ 7,92 
Экспериментальные данные не всегда подтверждают такой теоретический расчет для двухатомных и в особенности многоатомных газов. Для простых веществ, находящихся при высоких температурах (1000° С и выше) в твердом состоянии, можно считать согласно правилу Дюлонга и Пти, что их грамм-атомная теплоемкость есть величина постоянная и равная приблизительно 6,4 кал/° С. Для соединений, находящихся в твердом состоянии при высоких температурах, в известной мере справедливо выведенное экспериментальным путем правило Нейманна-Коппа, согласно которому теплоемкость сложного твердого соединения равняется сумме атомных теплоемкостей составляющих его элементов. Так же как и для газов, здесь следует различать Cр и Cv , но разница между ними для твердых тел очень невелика и ею практически можно пренебречь. Относительно теплоемкости жидких тел при высоких температурах (выше 1000° С) указать какие-нибудь определеннее закономерности затруднительно. Следует только отметить, что теплоемкость вещества в жидком состоянии обычно больше его теплоемкости в твердом состоянии. При отсутствии экспериментальных данных теплоемкость жидкости в расчетах принимают, допуская при этом безусловно некоторую погрешность равной теплоемкости того же вещества в твердом состоянии. 
Скрытые теплоты плавления и испарения. 
Ричарде и Комптон нашли, что для большинства простых веществ справедлива зависимость (4) 
Qs / Ts = 0,002-0,003, 
где Qs — теплота плавления в ккал/г-атом; Ts — температура плавления в ° абс. 
Экспериментальное определение температуры реакции горения 
Температуру горения некоторых медленно горящих дымовых составов можно определить со сравнительно небольшой погрешностью обычным ртутным термометром. В тех случаях, когда температура горения лежит в пределах 360—600° С, можно воспользоваться кварцевыми ртутными термометрами, в которых ртуть находится под давлением. Необходимым условием получения при этих опытах значений температуры реакции, близких к истинной, является малая скорость горения составов, чтобы шарик ртутного термометра успевал достаточно прогреться. Для измерения температуры до 800—900° С можно применять железо-константановые термопары; термопара хромель-алюмель может служить для измерения температуры до 1300° С. Для измерения более высоких температур до 1600° С можно воспользоваться термопарой, один проводник которой сделан из платины, а другой из сплава платины с 10—15% родия (температура плавления платины 1771° С). Для измерения температур в пределах 1600— 2000° С можно пользоваться термопарой, один проводник которой состоит из иридия, а другой из сплава иридия с рутением (температура плавления иридия 2350°, рутения 1950° С). Последняя термопара применяется редко, так как быстро изнашивается и изменяет свои показания при высоких температурах вследствие испарения металла. При измерениях температуры реакций горения пиротехнических составов при помощи термопары особое внимание следует обращать на тепловую инерцию пирометра и вдячески стремиться к ее уменьшению. Так как процесс горения пиротехнических составов продолжается во многих случаях лишь несколько секунд, а иногда и еще меньший промежуток времени, то получить при таких определениях близкие к действительности результаты можно только в тех случаях, когда проводники термопары будут изготовлены из неармированной проволоки диаметром не более 0,05—0,1 мм или ленточки такой же толщины; инерция регистрирующего прибора — милливольтметра— также должна быть по возможности минимальной. Зависимость результата измерения от тепловой инерции термопары может быть наглядно иллюстрирована следующим примером. Автор книги измерял железо-константановой термопарой температуру реакции горения дымовой смеси следующего состава: 
Хлората калия .................... 29% 
Молочного сахара .................. 21% 
Органического красителя родамина В ........ 50% 
В зависимости от диаметра проводников термопары (неармированной) были получены следующие результаты измерения: 
Диаметр проводников в мм ....... 0,5 0,2 0,1 
Полученные значения для максимальной 
температуры реакции в °С ....... 338 697 837 
Из приведенных результатов можно сделать вывод, что температура реакции этой смеси не может быть ниже 837° С; при дальнейшем уменьшении диаметра проводников термопары можно получить результаты, близкие к истине. В пламени же многие вещества находятся в газообразном состоянии, что, как известно, обусловливает наличие прерывистого спектра (линейчатого или полосатого). Присутствие в пламени раскаленных твердых или жидких частиц обусловливает наличие также и непрерывного спектра. Пламя пиротехнических составов имеет в большинстве случаев непрерывный спектр излучения с наложенным на него прерывистым спектром излучения газовой фазы. Сравнительная интенсивность непрерывного и прерывистого спектров зависит от многих факторов, в том числе в первую очередь от температуры пламени и количественного соотношения в нем твердой и газовой фазы. Из сказанного следует, что в результате измерения температуры пламени оптическим пирометром в большинстве случаев можно получить лишь приближенную оценку истинной температуры пламени (для белых пламен погрешность составляет примерно +50—+100° С). Для измерения температуры цветных пламен оптические пирометры непригодны. Значительно более точным, чем определение температуры пламени, является определение при помощи оптического пирометра температуры раскаленного твердого или жидкого шлака, образующегося при горении пиротехнического состава. Вартенберг определил оптическим методом температуру льющейся струи железо-алюминиевого термита и нашел ее равной 2400+50° С. Эггерт, Эдер и Джиобек измерили интенсивность излучения магниевых пламен в различных частях спектра, на основании чего вычислили «цветную температуру» 4 пламени. Цветная температура пламени при горении магния в кислороде была найдена ими равной ~3700° С, при горении магния на воздухе ~3400° С, а цветная температура пламени фотовспышки Th(N03)4 + Mg ~3100°С. Определения последних лет, выполненные Квеллероном и Скартазини при помощи яркостного пирометра, показали, что при горении алюминия в кислороде развивается температура 3000— 3200° С. Измеряя оптическим яркостным пирометром температуры пламен, образующихся при горении спичечных масс, содержащих около 40% хлората калия, Ардитти получил значения температуры 1400—1500° С. В заключение следует заметить, что температура в различных зонах пиротехнического пламени различна, и когда говорят о температуре пламени, то подразумевают обычно температуру в самой горячей зоне пламени.

Пиротек - всё о пиротехнике и изготовление взрывчатых веществ, самодельные бомбы и детонация

Производим слесарные верстаки для автосервисов.