Взрыв пороховой смеси с точки зрения научной теории

Разобраться в деталях со взрывом пороха такая наука, как химия, сможет не скоро. Ее теоретическая часть развивается достаточно медленно. Исследователи заинтересуются этой сложной и стремительной реакцией, которой требуется высокая температура, только в 19 веке. Но когда появятся возможности для точных способов исследований, это окажется уже бесполезным: порохом постепенно пользоваться перестают. Именно поэтому перестали изучать совокупность процессов. Стимула для дальнейшей работы не стало, а сама теория устарела. В итоге мелкие детали, объясняющие в химии процессы горения пороха, устарели.

В то же время в конце 19 века провели исследования, которые продемонстрировали, что в результате проводившихся в течение пятисот лет опытов удалось найти правильное соотношение для получения мощнейшего взрыва. В идеале состав должен содержать 75% селитры, 15% древесного угля и 10% серы. Компоненты в таком соотношении обеспечивали сгорание полностью.

Порох горит при температуре в 2138 °С. Большое значение температуры влияет на силу взрыва и заставляет газы, появившиеся во время горения, стремительно расширяться. Но в артиллерии это стало проблемой, так как температура превышала точки, при которых плавятся железо и бронза, и поэтому выстрелы заставляли ствол пушки и отверстие для запала быстро изнашиваться. Если приходилось производить подряд несколько выстрелов, орудия разогревались до максимума и становились опасными для людей.

Возгорание пороха объясняется происходящими химическими реакциями, а их сила зависит от смеси, ее составляющих до мельчайших подробностей и условий, позволяющих гореть. Говоря простыми словами, происходит реакция между азотнокислым калием, серой и углеродом. В результате такой реакции образуется газ, состоящий из калия сульфида, оксида азота и углерода.

Но во время реакции образовываются еще и соединения калия, и монооксид углерода. В небольшом остатке найдены и другие соединения. По окончании процесса горения остаются 56% твердых материалов. Они выходили вместе с дымом и оседали в канале ствола орудия. В оставшиеся 44% вошли азот, оксид углерода и прочие соединения в газообразном состоянии. Когда температура и давление находятся в норме, газы заполняют место больше исходного объема пороха в 280 раз. Но когда идет реакция, температура повышается, газы расширяются и забирают в 3600 раз больше места, а давление внутри ствола увеличивается до 20 тонн на 1 кв. Это и вызывает взрыв.

Чтобы наглядно понять, как расширяется газ, нужно визуализировать длину объема заряда пороха. Она составляет ярд и увеличивается, молниеносно достигая длину в 2 мили. Это равнозначно увеличению объема газа.

Особенность реакции состоит в том, что она идет с огромной скоростью. Если сравнить каменный уголь и порох в одном объеме и количестве, можно увидеть, что сгорая, из угля выделяется много энергии, так как он полностью сгорает, а от пороха после взрыва три четверти остается. Уголь горит медленно, в процессе долго отдавая тепло. В отличие от него вся энергия пороха за секунды превращается в горячие газы.

В стволе орудия химические реакции начинают протекать еще до начала движения снаряда. Разогретый газ действует как сильная пружина, зажатая между пушкой и снарядом. Так как снаряд легче самого орудия, оно на большой скорости вылетает вперед. Но и орудие испытывает при выстреле мощную силу отдачи. Начиная свое движение, ядро проходит по стволу практически мгновенно. Даже глаза моргают в 9 раз медленнее. Двигаясь по стволу, снаряд ускоряется и вылетает из жерла с громким гулом, газом, дымом и пламенем, продолжая движение вперед на большое расстояние, неся кинетическую энергию.