Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер - Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (1161617), страница 119
Текст из файла (страница 119)
4 9 гл. У1). Таким образом, химический процесс в нагретом, а потом охлажденном воздухе приводит к существенно неравновесным состояниям, находящимся в резком противоречии с законами химического равновесия, согласно которым окислы азота при низких температурах должны были бы полностью превратиться в азот и кислород. Этот эффокт, хорошо известный иа лабораторной практики, носит название эффекта «закалки» окислов азота.
Большое количество окислов азота образуется нри сильном взрыве в воздухе. Атмосферный азот окисляется в той стадии процесса, когда воздух во взрывной волне натрет до температуры в несколько тысяч градусов, причем окисляется несколько процентов азота. При распространении взрывной волны первоначально нагретый во фронте ударной волны воздух быстро охлаждается. Образовавшаяся в нем окись азота не успевает распадаться при охлаждении и остается в Воздухе «навсегда». Всего при взрыве с энергией 10" »рг, эквивалентной примерно 20 000 тонн тротила, в воздухе образуется около 100 тонн окислов азота. Через несколько десятков секунд или минуту после окончания взрыва вся окись превращается в двуокись.
В обычном состоянии двуокись ааота представляет собой резко окрашенный газ буровато-красного цвета, что связано с преимущественным 438 кинетикА В гидРодинАмических процессАХ 1гл. Рыг поглощением молекулами Р)От зеленых и синих лучей. Она придает красноватый оттенок облаку, которое поднимается вверх после окончания взрыва е), что было отмечено на опыте и описано в книге Н2); см.
также у 5 гл. 1Х. Присутствие окислов, в особенности неболыпого количества двуокиси азота, в нагретом воздухе, охваченном взрывной волной, сильно влияет на оптические свойства воздуха в волне, так как, в отличие от молекул кислорода и азота, молекулы двуокиси интенсивно поглощают и излучают свет в видимой части спектра (молекулы г)О также не поглощают видимого света). Специфические особенности кинетики химических реакций обравования и распада окислов азота в взрывной волне приводят к возникновению У З 3 интересных оптических явлений, наблюдаемых при сильном нарыве, коз торые также описаны в книге «12). Зти явления: свечение ударной волны при сравнительно низких температурах ва фронтом порядка 4000 — 2000'К, когда газ, состоящий только из молекул Гаа и атомов кислорода и авета, не должен -г г был бы светиться, довольно резкое прекращение свечения ударной волны при г„ температуре около 2000*К и отрыв фронта волны от границы светящегося тела, так нааываемого «огненного шара», своеобрааный эффект»«инимума яркости рис.
8.6. г,г-диаграмма для сильного огненного шара в момент отрыва, когда взрыва " впаду*е свечение сначала затухает, а потом Ф вЂ” линия фронта ударной воины; а, а — линии трех чаотип, череа ното- шар как бы снова разгорается, — будут Рис фРойт пРоходит в моменты «о, Ь*, ь*' расс»«стропы в ~ 5 — 7 гл. 1Х. Здесь же мы остановиыся несколько подробнее на рассмотрении кинетики реакций окисления азота во взрывной волне, что является необходимой основой для объяснения указанных оптических явлений. Зта задача рассматривалась одним из авторов ИЗ). Следует отметить, что изучение кинетики представляет и самостоятельный интерес, как характерный пример существенно неравновесного химического процесса в газодинамическом явлении сильного взрыва.
Газодинамика сильного взрыва была описана в у 25 гл. 1. Процесс являотся автомодельным, фронт ударной волны распространяется от центра взрыва по закону Лф Гага. Распределения всех газодинамических величин по радиусу представлены на рис. 1.50. Зги распределения неизменны во времени в силу автомодельности; с течением времени меняются только масштабы. Нас интересует здесь протекание химической реакции в определенных частицах воздуха.
Для этого прежде всего нужно знать, как меняется с течением времени термодинамяческое состояние данной частицы. На диаграмме г, а рис. 8.6 схематически иаображены линии фронта ударной волны и нескольких частиц аа фронтом, обозначенных цифрами 1, 2, 3. Нагретыо и с»г«атые в моменты прохождения фронта волны гом 1са, Гоа частицы увлекаются взрывной волной, разлетаясь от центра, и при *) МолекУлЯРные комплексы ГчаО«ие погпошагот ниДимого света, т. е. газ оаО« бесцветен. Однако двуокись исчезает уже после рассеяиия облака взрыва в атмосфере, так как реакция 2ИОт — +- РГаО«идет ие слишком быстро. $»1 Окисление АзотА НРи сильном ВзРыВе В Воздухе 439 этом адиабатически расширяются и охлаждаются до тех пор, пока давление в них не упадет до атмосферного и частицы не остановятся.
Кривые охлаждения н расширения частиц воздуха с течением времени схематически показаны на рис. 8.7 и 8.8. Вычисления по формулам з 25 гл. 1 показывают, что при взрыве с энергией Е = 10»' лрг, к которому будут относиться все наши численные примеры, температура на фронте ударной волны падает до величины Та = = 2000' К за время порядка 10» сек от момента энерговыделения.
Такой же порядок имеют времена охлаждения частиц воадуха от температуры, скажем, 5000'К до 2000' — 1500' К. Время «10 ' сек — временной масштаб Ь г««р«» г«~ йаг р«» Рнс. 8.8. Схематическая заввсвмость нлотноств от времени в трех частицах, сжатых взрывной волной. Рвс. 8.7. Схематическая зависимость температуры от времени в трех частвцах, нагретых взрывной волной. газодинамического процесса при взрыве с энергией й = 10»» эра, с которым следует сравнивать времена, характерные для протекания химических реакций. Проследим сначала за кинетикой реакций в какой-нибудь определенной частице воздуха. Пусть, например, частица 1 была нагрета во фронте ударной волны до температуры То, = 3000' К.
Скорость окисления азота при такой температуре очень высока и равновесная концентрация достигается за время порядка 10 ' сек. В частице воздуха «мгновенно» окисляется примерно 5«4 азота и в дальнейшем концентрация окиси «медленно» изменяется (уменьшается) в соответствии с законами химического равновесия, «следя» за охлаждением и расширением.
Распад молекул окиси начинает отставать от охлаждения только тогда, когда частица остынет до температуры порядка 2300' К, нри которой время релаксации т возрастает от начальной малой величины 10 «сек до величины, сравннмои с газодинамическим масштабом времени охлаждения, 10» сел. При дальнейшем охлаждении распад быстро прекращается, так как скорость распада чрезвычайно резко снижается при уменьшении температуры.
Так, уже при 2000' К скорость распада характеризуется временем релаксации т 1 сек. Остаточное «закаленное» количество окиси в данной частице соответствует примерно той концентрации, которая была в ней в момент, когда время релаксации т было сравнимо с характерным временем охлаждения» 10» сел, т.
е., когда температура в частице была порядка 2300' К. Но чуть раньше концентрация была равновесной, а равновесная концентрация довольно слабо меняется при понижении температуры на несколько сотен градусов, которые очень существенно меняют скорость распада (см. 3 4 гл. 111 и з 8 гл. У1). Поэтому остаточная концентрация окиси в частицах воздуха просто равна равновесной концентрации при температуре около 2300* К, а это — величина порядка 1%. Зависимость 440 КИНЕТИКА В ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ (гл. чгы от времени концентрации окиси в частице схематически показана на рис. 8.9.
Конечно, точное значение остаточной концентрации зависит от конкретной частицы, т. е. от плотности, с которой она пришла к переломной для реакции температуре ж 2300' К, при которой т ц от времени охлаждения, однако эти детали не влияют на порядок величины остаточной концентрации. Реакция окисления окиси до двуокиси при температурах 2000' К идет довольно быстро (см.
з 9 гл. У1). Поэтому концентрация двуокиси все еще остается равновесной, но двуокись находится при атом в равновесии не с равновесным, а с фактическим, «закаленным» количеством окиси. При температурах порядка 2000' К концентрация двуокиси составляет примерно 10 »У~а (см. табл. 5.9, з 21 гл. У). В дальнейшем вся окись постепенно окисляется до двуокиси, причем вначале этот процесс «следит» за охлаждением, а потом, при температуре 1500' К и ниже, отстает от охлаждения. Полное окисление окиси происходит уже в совсем холодной частице, через десятки секунд после взрыва. (йм) В частицах воздуха, которые фронт ударной волны нагрел до температуры ниже 2200 — 2000' К, окись азота вообще не образуется, так как скорость окисления при такой температуре весьРис.
8.8. Схематическая аааиснмость ма мала, и частица быстро проскакивает от времени равновесной (Сео) и фак- ту область температур около 2000' К, тической (Ско) концентраций окиси в которой скорость реакции составляет ааота в онРеделенной частице воздУ- еще заметную величину. Тани»«образом, ха зо зарывной волне. сферический слой воздуха, нагретый во фронте ударной волны до температуры 2200 †20' К, ограничивает массу воздуха, в которой вообще появились окись, а затем и двуокись (закон движения этого слоя изображается на диаграмме г, 1 рис. 8.6, скажем, линией 8). Отсюда следует и оценка полного количества окислов азота, которое образуотся при сильном взрыве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
