Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №12

Существует иной метод расчета теплоты горения, дающий представление о расходе тепла внутри горящего состава. Рассмотрим этот метод на примере смеси Ba(NO₃)₂ + Mg. Стехиометрический расчет дает соотношение компонентов смеси 68 % Ba(NO₃)₂ и 32 % Mg. Пользуясь таблицей 3, находим, что 0,32 г. магния выделяют при горении 0,32∙5,9 = 1,88 ккал тепла. Из таблицы теплоты образования окислов находим, что на разложение 261 г Ba(NO₃)₂ требуется 104 ккал. Вычисляем, что на разложение 0,68 Ba(NO₃)₂ необходимо затратить 0,27 ккал. Сопоставляя данные, получаем теплоту горения смеси q = 1,88 — 0,27 = 1,61 ккал/г

В приведенном случае на разложение окислителя затрачивается 0,27∙100/1,88 = 14 % от теплоты горения магния. Используя такой метод расчета теплоты горения железоалюминиевого термита состава 75 % Fe₂O₃ и 25 % Аl, находим, что тепловой баланс его q = 1,82 — 0,86 = 0,96 ккал/г, то есть в данном случае на разложение окислителя расходуется уже 47 % теплоты горения алюминия. Отсюда можно сделать вывод, подтверждающийся опытными данными, что теплота горения такого состава сравнительно мала, так как около половины тепла горения горючего расходуется на разложение окислителя.

В ниже приведенной таблице 8 приведены данные о теплоте горения некоторых пиротехнических составов составленных в стехиометрических отношениях.

Составы с отрицательным кислородным балансом, в процессе горения которых участвует кислород воздуха, дают значительно большие количества тепла, чем составы из тех же компонентов, но взятых в стехиометрических соотношениях.

В качестве примера можно привести состав, состоящий из 44 % КСlO₃ и 56 % Mg с кислородным балансом n = — 20 г О₂, уравнение реакции горения которого:

КСlO₃ + 6,5Mg + 1,75O₂ = КСl + 6,5МgО

Теплота горения состава q = (144∙6,5 + 106 — 96)/(123 + 24,3∙6,5) = 3,37 ккал

По сравнению с приведенными в таблице теплотами горения состава из тех же компонентов, взятых в стехиометрических соотношениях получается увеличение теплоты горения на 47 %.

Таблица 9*.

Теплоты образования основных пиротехнических окислителей даны в таблице 1.

ГАЗООБРАЗНЫЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Реакция горения пиротехнических составов почти всех видов сопровождается выделением определенного количества газообразных продуктов, которые могут быть как газами (СО, СО₂, N₂), так и парами воды, а также и парами веществ, находящихся при температуре горения в парообразном состоянии.

Примером может служить смесь хлората калия и алюминия, горение которой протекает по реакции:

КСlO₃ + 2Аl = КСl + Аl₂O₃

Температура реакции горения такой смеси составляет около 3000 °C, а так как хлористый калий кипит уже при 1415 °C, то при температуре реакции он будет находится в парообразном состоянии. Этим и объясняется тот факт, что горение подобных смесей, не выделяющих нормальных газов, может протекать взрывным образом с проявлением некоторого фугасного эффекта.

Соотношение между количеством газообразных и твердых продуктов реакции определяется назначением состава и требованиями, предъявляемыми к специальному эффекту, например, в термитных составах газообразные продукты реакции практически отсутствуют, в дымовых и имитационных звуковых составах составляют 40…50 % от массы состава и, наконец, в реактивных составах практически 100 %.

Количество газообразных продуктов, получающихся в результате сгорания 1 г пиротехнического состава, принято выражать не по массе, а по объему, занимаемому ими при нормальных условиях. Этот объем газообразных продуктов называется удельным объемом и обозначается через V₀. Обычно, при вычислениях к объему занимаемому образующимися при реакции газами, добавляется также объем, занимаемый при нормальных условиях образующимися в процессе реакции парами воды (если она выделяется при реакции или содержится в исходных веществах в виде кристаллогидратов).

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.