Газы и их свойства
В газообразном виде все тела получают особые свойства, а именно: ближе всего они обладают в высшей степени упругостью, т.е. под сильным давлением способны сжиматься до плотности жидкого, а порой даже твёрдого тела; но, уступая давлению, газы вследствие той же упругости сохраняют в соответствующей степени способность отпора, так что, будучи сдавленными или сжатыми, они стремятся расшириться до полного равновесия с атмосферным воздухом. Это стремление, основанное на взаимном отталкивании однородных частиц, до того развито в газах, что если бы на безвоздушную луну метнуть шар, наполненный воздухом, то шар этот, конечно, лопнул бы от силы внутреннего напора, а содержащийся в нем воздух равномерно облек бы всю поверхность луны. Поэтому воздушный шар, дойдя до известной высоты, должен либо остановиться, либо выпустить часть газа, либо лопнуть.
Другая особенность газов заключается в том, что они занимают значительно больше места, чем тот материал, из которого они образовались. Так, например, кубический дюйм пороха превращается в 288 кубических дюймов газа. Если газы образуются медленно и при этом могут постепенно уходить в атмосферу, то сам акт появления их не окажет никакого особого действия: они расплывутся в пространстве. Если же образование этих газов последует очень быстро, но всё-таки на свободе, то получится только вспышка, т.е. мгновенное появление огня, сопровождаемое слабым шумом. Например, если спалить клочок пироксилина на открытой ладони, горсть пороха на камне, кучку бертолетовой соли с магнием или смесь 1 части алюминиевого порошка с 2 частями марганцовокислого калия. В иных случаях даже при таких обстоятельствах получается «хлопок», т.е. порывистый звук, образовавшийся от внезапного и сильного колебания воздушных волн (например, от взрыва щепотки гремучей ртути).
Но если взрывчатый состав помещается в сжатом пространстве и окружен плотной оградой или стеной, то сдавленные газы стремятся расширить свой объём и, напирая изнутри, проявляют давление, пропорциональное их количеству в сравнении с занимаемым ими местом.
Подобное явление больше всего замечается у огнестрельных орудий: в момент своего образования пороховые газы имеют плотность, почти равную плотности заряда, т.е. занимают место, в 288 раз меньшее по природному объёму. Вследствие этого газы напирают на стены, на казенник (заднюю часть орудия) и на дно снаряда (ядра), но, встречая в стенах и казеннике сопротивление, достаточное, чтобы выдержать напор, газы эти со всей силой напирают на ядро или пулю, которые буквально выдуваются или выталкиваются («выбрасываются») в данном направлении.
Следовательно, сила «взрыва», т.е. мгновенного превращения твёрдого вещества в газообразное или густого газа в менее плотный, зависит, во-первых, от количества газов в сравнении с занимаемым ими местом, а во-вторых, от одновременности их появления, т.е. в данном случае - от быстроты сгорания состава.
Третье - весьма существенное - условие заключается в том, чтобы как можно больше состава сгорало, т.е. как можно меньше получалось бы остатков и дыма.
Но газы обладают ещё одним свойством, играющим крайне важную роль по отношению к взрыву: сила их напора возвышается с температурой, т.е. одно и то же количество газов, находящееся при одинаковых условиях помещения, получает значительно большую силу напора при повышении коэффициента теплоты.
Так, например, порох, хорошо приготовленный и сгорающий почти мгновенно, даёт по объёму всего 288 кратных газа, но вследствие высокого нагревания (Ueberheizung surchauffe) напор этих газов превышает более 2000 раз атмосферное давление. Сухой пироксилин при тех же условиях развивает втрое большую силу.
Давление это можно ещё значительно усилить, ускорив горение и именно посредством примеси какого-нибудь быстро воспламеняющегося тела к составу, горящему более медленно; если, например, порох взорвать посредством небольшого количества нитроглицерина, воспламененного гремучей ртутью, то давление происходит в 4 раза более сильное (т.е. в 8000 атмосфер, вместо 2000); а если посредством гремучей ртути взорвать сухой пироксилин, то давление в сравнении с порохом будет шестикратное (т.е. 12000 атмосфер).
О механической работе пороха будет упомянуто в свое время.
Сила напора, как уже сказано, всецело зависит от степени сжатия газов, но действие этого напора, т.е. направление его силы, находится в связи с быстротой горения веществ: если вещество сгорает постепенно (как, например, порох), то давление больше всего сосредоточивается на том месте окружающей среды, которое представляет наименьшее сопротивление. Порох выбрасывает пулю или бомбу, но разрывает орудие только в особых случаях. Если же горение происходит сразу, безо всякой последовательности, то газы напирают во все стороны.
В первом случае действие называется «метательным» (Schleuderkraft), а во втором - «дробящим» (Brisanz). Метательные вещества употребляются для стрельбы, а дробящие - для взрывов.
Выше было сказано, что газы, высвободившись из тесноты, сообщают наружному воздуху толчок, производящий колебание воздушных волн. От этого колебания получается звук, называемый «ударом», или «шлагом» (детонацией - Schlag, detonation). Его сила («интенсивность») зависит не столько от количества газов, сколько от степени внутреннего напора, так что сильный удар можно произвести сравнительно малыми средствами. Вещества или тела, простые или составные, способные при известных условиях (вследствие развития тепла от зажигания или от удара) быстро разлагаться, превращаясь в то же время почти наполовину (по весу, конечно) в сильно нагретые газы, производят взрыв, а потому и называются «взрывчатыми» (Explosivstoffe); так, например, порох превращается в размере 40 % (по весу) в газы, а остальные 60 % либо образуют твёрдый остаток, либо улетучиваются в виде дыма. При неблагоприятных условиях имеется ещё и третья потеря: слишком быстрое воспламенение выбрасывает значительную часть несгоревшего заряда.
В противоположность к взрывчатым веществам имеются такие смеси и составы, которые не обладают особой способностью быстро превращаться в газы, но зато горят ярким, либо белым, либо цветным пламенем.
Т.к. подобные огни не обнаруживают сильного напора, а горят тихо, без детонации, то их вообще называют пассивными (faules Feuer), а Детонирующие смеси - активными (Treib-feuer); первые употребляются для световых эффектов, вторые - для силовых.
Помимо этого, состав может быть пламенным, искристым или ударным. Ударный производит только шлаг; пламенный даёт лишь пламя, искристый выкидывает раскаленные частицы, не составляющие элемента горения. Такие частицы либо сгорают в воздухе, либо тухнут (охлаждаются) в нём.
Из этих трёх данных образуются сложные огни, т.е. такие, которые обладают двумя или всеми тремя упомянутыми свойствами: и светят, и искрятся, и дают шлаги. Правильная комбинация этих эффектов за- висит от точного знания свойств ингредиентов и от правильного дозирования смесей. Эта-то часть, называемая «пиротехнической химией», и составляет главнейшую суть всего фейерверочного дела, и чем меньше она основана на эмпирике, т.е. на опыте, слепо идущем наобум, ощупью, без сознательного понимания действия и причин, тем работа выйдет лучше и удачнее.
Но до того, чтобы перейти к «синтезу» составов, т.е. к теории образования горючих смесей, необходимо предварительно ознакомиться с материалом, входящим в состав этих смесей; иначе придётся трактовать о неизвестных величинах, а это на практике почти всегда равносильно толчению воды в ступе.