Из закона Гесса следует, что теплота образования из элементов продуктов горения пиротехнического состава, равна сумме теплот образования компонентов состава, к которой следует добавить количество тепла, выделяющегося при горении состава. Следовательно, теплота реакции горения определяется как разность между теплотой образования продуктов горения и теплотой образования компонентов состава.
Q г.с. = Q п.г.- Qк.с.
где Q г.с. — теплота горения состава; Q п.г. — теплота образования продуктов горения состава; Qк.с. — теплота образования компонентов состава
Величины теплот образования продуктов реакции находят в термохимических таблицах справочников Брицке Э.В., Капустинского А.Ф. Карапетьянц М.Х. и Карапетьянц М.Л. и других.
Пример: рассчитать теплоту горения смеси:
3Ва(NO3)2 + 10Аl = 3ВаО + 3N2 + 5Аl2O3
Теплота образования продуктов горения:
5Аl2O3 — 400 ккал * 5 = 2000 ккал
ВаО — 133 ккал * 3 = 399 ккал
_______
Всего (Q п.г.) = 2399 ккал
Теплота образования компонентов Qк.с. = Ва(NО3)2 = 237 ккал:
Qк.с. ОБЩЕЕ = 237 ккал ∙ 3 = 711 ккал
Теплота горения состава:
Q г.с. = 2399 ккал — 711 ккал = 1688 ккал
Сумма по массе Ва(NO3)2 и алюминия, вычисленная по молекулярному весу:
М = 261,4∙3 + 27∙10 = 1054 г
Теплота горения состава: q = 1688/1054 = 1,601 ккал/г
Приведенный метод расчета не дает представления о расходе части тепла на разложение окислителя внутри горящего состава.
Существует иной метод расчета теплоты горения, дающий представление о расходе тепла внутри горящего состава. Рассмотрим этот метод на примере смеси Ва(NO3)2 + Mg. Стехиометрический расчет дает соотношение компонентов смеси 68 % Ва(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 Ва(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 % Fе2О3 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.
Теплота образования компонентов Qк.с.= Ba(NO3)2 = 237 ккал:
Qк.с. ОБЩЕЕ = 237 ккал∙3 = 711 ккал
Теплота горения состава:
Qг.с. = 2399 ккал — 711 ккал = 1688 ккал
Сумма по массе Ba(NO3)2 и алюминия, вычисленная по молекулярному весу:
М = 261,4∙3 + 27∙10 = 1054 г
Теплота горения состава:
q = 1688/1054 = 1,601 ккал/г
Приведенный метод расчета не дает представления о расходе части тепла на разложение окислителя внутри горящего состава.
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 %.
