Теория горения и взрыва

ТЕОРИЯ 
ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНИК

В.А. ДЕВИСИЛОВ
Т.И. ДРОЗДОВА
А.И. СКУШНИКОВА

Рекомендовано 
Учебно-методическим объединением вузов по университетскому 
политехническому образованию в качестве учебника для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
подготовки «Техносферная безопасность» (20.03.01 и 20.04.01)

УДК 53.01(075.8)
ББК 22.31я73
 
Д25

Девисилов В.А.
Теория горения и взрыва : учебник / В.А. Девисилов, Т.И. Дроздова, 
А.И. Скушникова. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 262 с. — (Высшее 
обра-зование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/7763.

ISBN 978-5-16-010477-5 (print)
ISBN 978-5-16-102465-2 (online)

В учебнике кратко описаны процессы горения и взрыва с позиций физических и химических законов. Определены условия возникновения и развития 
горения, рассмотрен механизм распространения пламени и выгорания газообразных, жидких и твердых веществ. Показано влияние условий горения на 
скорость процесса и переход горения в детонацию. Рассмотрены источники 
образования ударных волн и основные положения гидродинамической теории 
детонации. Рассмотрены условия и механизм прекращения горения и взрыва.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта  высшего образования последнего поколения.
Учебник предназначен для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность», может быть полезен студентам и аспирантам других технических специальностей, а также работникам 
служб гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и специалистам пожарно-технического профиля.

УДК 53.01(075.8)
ББК 22.31я73

Р е ц е н з е н т ы: 
заведующий кафедрой ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», д-р техн. наук, профессор Н.И. Акинин;
профессор ФГБОУ ВПО «МАТИ — Российский государственный 
технологический университет имени К.Э. Циолковского», канд. техн. 
наук, профессор П.П. Кукин

Д25

©  Девисилов В.А., Дроздова Т.И., 
Скушникова А.И., 2015
ISBN 978-5-16-010477-5 (print)
ISBN 978-5-16-102465-2 (online)

ВВЕДЕНИЕ

Горение — один из сложных физико-химических процессов, с ко
торым встречался человек еще на пороге развития цивилизации. 
С тех пор оно используется человечеством и является одной из древнейших технологий. Процессами горения в настоящее время обеспечивается около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией (выработка электроэнергии, получение теплоты, работа 
транспорта и т.д.). Очень часто, особенно в неуправляемых условиях, 
горение может завершаться взрывом. Все эти обстоятельства определяют важность и актуальность изучения и продолжения исследования процессов горения и взрыва.

Большой вклад в развитие теории горения и взрыва внесла школа 

российских ученых, основанная академиком Н.Н. Семеновым. Мировое признание получили работы советских ученых Н.Н. Семенова, 
Я.Б. Зельдовича, К.И. Щелкина, А.А. Соколика и др. Много сведений о горении, взрыве можно найти в работах зарубежных ученых, 
таких как Б. Льюис, Г. Эльбе, А.Г. Гейдон, Х.Г. Вульфгард, Ю. Варнатц и др.

Горение — это сложная, быстрая экзотермическая реакция окис
ления топлива, протекающая, как правило, с образованием пламени. 
Однако наличие экзотермических реакций не единственное условие 
горения и возникновения пламени. Необходимо, чтобы реакция как 
источник теплоты протекала достаточно быстро и ее скорость преобладала над скоростью процессов, отводящих и потребляющих 
теплоту. Поэтому более ранние исследования, направленные 
главным образом на изучение механики сплошной среды, включая 
тепловыделение за счет химических реакций, оказались продуктивными для описания стационарных процессов горения. Такой подход 
недостаточен для понимания переходных процессов, таких как воспламенение и прекращение горения, а также для объяснения образования токсичных продуктов, поскольку эта проблема была, есть 
и будет одной из важнейших. Поэтому закономерности возникновения, распространения и прекращения процессов горения и взрыва 
будут рассмотрены и с позиций химической кинетики.

В данном учебнике рассматриваются вопросы, связанные с воз
никновением, распространением и прекращением процессов горения и взрыва с позиций физических и химических законов, поскольку для научно обоснованной разработки профилактических мер 

предотвращения этих явлений, а следовательно, обеспечения пожаровзрывобезопасности объектов различных сфер жизнедеятельности 
человека необходимо знание фундаментальных законов возникновения и развития горения и взрыва.

Для усвоения теоретического материала в данной работе разо
браны решения некоторых примеров, а также приведены основные 
физические постоянные (прил. А), единицы измерения физических 
величин, физико-химические константы веществ и материалов представлены в табл. 1–16 прил. Б.

«Теория горения и взрыва» является дисциплиной федерального 

компонента государственного образовательного стандарта по направлению «Техносферная безопасность». При изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» обучающиеся должны знать физико-химические основы горения; теории горения и взрыва; уметь
использовать физические законы при анализе и решении проблем; 
владеть понятийно-терминологическим аппаратом дисциплины; 
методами поиска информации. Надеемся, что данная книга будет 
способствовать формированию следующих компетенций: способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении профессиональных 
задач; способность ориентироваться в основных проблемах техносферной безопасности и др.

Будем признательны всем читателям за замечания и предло
жения, которые следует направлять в издательство на имя авторов.

Глава 1 

ФИзИко-хИмИчЕскИЕ осНоВы 

ГорЕНИя И ВзрыВа

1.1. ГорЕНИЕ — ФИзИко-хИмИчЕскИй процЕсс

Процесс горения как физическое явление изучен достаточно 

полно, но дать ему единое определение трудно. Все зависит от того, 
с какой позиции подходят к его изучению — энергетической, теплофизической и т.д. Общим во всех определениях является то, что в основе процессов горения лежат быстротекущие экзотермические 
обратимые окислительно-воcстановительные реакции, которые подчиняются законам химической кинетики, химической термодинамики, фундаментальным физическим законам. В связи с этим разработкой теории горения занимались и продолжают заниматься в настоящее время российские и зарубежные ученые, имеющие мировое 
признание, каждый из которых вносит свой вклад в изучение той или 
иной области этого сложного явления. Российским физикам (Семенов Н.Н., Зельдович Я.Б. и др.) в первую очередь принадлежит 
разработка основных вопросов теории горения и взрыва (цепное 
и тепловое самовоспламенение, распространение пламени, возникновение и распространение детонационной волны и т.д.).

Для специалистов, занимающихся прекращением горения на по
жаре, инженерно-технической экспертизой по расследованию возникновения, распространения горения и взрыва, можно дать следующее определение процесса горения.

Горение — сложный физико-химический процесс, при котором го
рючие вещества и материалы под воздействием высоких температур 
вступают в химическое взаимодействие с окислителем, превращаясь 
в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением теплоты и световым излучением.

Химической составляющей данного процесса является окисли
тельно-восстановительная реакция, протекающая между горючим 
и окислителем:

Г
О
ПГ
+
→
+ Q,
(1.1)

где Г — горючее; О — окислитель; ПГ — продукты горения; Q — выделяющая тепловая энергия, кДж/моль.

Горючие вещества и материалы являются восстановителями. 

Атомы, входящие в их состав, отдают электроны при протекании 
окислительно-восстановительного процесса.

Восстановителями являются: металлы, H2, C, Si, безкислородные 

кислоты (HCl, HBr, HJ, H2S) и их соли, NH3 и др.

Окислителями, атомы которых принимают электроны, являются: 

O2, O3, галогены (Cl2, F2, Br2, J2), оксиды металлов, имеющих переменную валентность, кислородосодержащие кислоты (HClO — хлорноватистая, HClO3– хлорноватая, HClO4 — хлорная, H2SO4, HNO3, 
HMnO4 и др.) и их соли.

При расчете процесса горения (расчет массы сгоревшего горю
чего, объема окислителя на горение, объема и состава выделившихся 
продуктов горения, теплоты и температуры горения) необходимо 
использовать правильно записанное уравнение реакции горения.

Запишем несколько уравнений реакций горения:
1. 4Al(Г) + 3О2(0) → 2Al2О3(ПГ) + Q
4
3

3
2
4
2

0
3

0
2

Al
Al

O
O

→

+
→

+


e

e

электронные уравнения

2. 3C3H6O + 16CrO3 → 8Cr2O3 + 9CO2 + 9H2O
3
16
3

16
3

3

4
4

6
3

C
C

Cr
Cr

+

+
+

→

+
→

e

e

3. C3H8O + 4,5O2 → 3CO2 + 4H2O + Q
Первым уравниваем атомы С, затем атомы Н, в последнюю оче
редь атомы О (проверку ведем по О). При горении в воздухе на один 
моль кислорода, участвующего в реакциях окисления, приходится 
примерно 3,76 моля азота, химически не участвующего в реакциях 
горения. Однако присутствие азота в зоне реакции горения обязательно следует учитывать, так как он участвует в физических процессах. Во-первых, на его нагревание в зоне горения затрачивается 
большое количество теплоты, выделяемой при горении, чем в значительной степени определяется температура продуктов горения. 
Во-вторых, его присутствие в зоне протекания химических реакций 
окисления горючего влияет на их скорость, так как азот воздуха выступает в роли нейтрального разбавителя реагирующих компонентов 
горючей смеси. Очевидно, что скорость горения в чистом кислороде 
значительно выше, чем в воздухе. Поэтому уравнение реакции горения в воздухе следует записывать, прибавляя в левую и правую 
части этих уравнений по 3,76 моля азота на каждый реагирующий 
моль кислорода.

Например, уравнение реакции горения пропанов в воздухе можно 

записать так:

C3H8 + 5(O2 + 3,76N2) = 3CO2 + 4H2O + 18,8N2 + Q.

Для осуществления процесса горения по этому уравнению необ
ходимо, чтобы в зоне горения на 1 м3 горючего газа приходилось 
примерно 23,8 м3 воздуха (в которых и будут содержаться требуемые 
5 м3 кислорода) и чтобы горючей смеси (или еe части) был сообщен 
тепловой импульс достаточной мощности для начала реакции горения. Тогда в результате полного сгорания 1 м3 пропана образуется 
более 25,8 м3 продуктов горения (смеси двуокиси углерода, паров 
воды) и азота. При этом также выделится определенное количество 
теплоты, соответствующее запасу потенциальной химической 
энергии данного горючего вещества.

Для количественного описания горения недостаточно рассмат
ривать этот процесс только в виде конечного уравнения реакции 
горения, отражающего состав горючей смеси, состав основных продуктов полного сгорания и количество выделившейся тепловой 
энергии.

Горение углеводородов является чрезвычайно сложным про
цессом, протекающим через ряд последовательных стадий. При этом 
образуются многочисленные более или менее стойкие промежуточные продукты. Для того чтобы выявить, через какие промежуточные стадии протекает сгорание углеводородов, было выполнено 
много наблюдений в условиях медленного окисления (при низких 
температурах или разбавлении горючих газов инертными газами). 
В составе продуктов окисления содержатся СО, CO2, H2O, спирты, 
альдегиды, кислоты, сложные эфиры, кетоны и ряд нестойких перекисей различного состава: RCO(OO), RCH2OOH, RCO(OOH) и др. 
Кроме того, доказано присутствие различных короткоживущих радикалов. Для объяснения сложных процессов окисления различных 
видов топлива в 1897 г. А.А. Бах предложил пероксидную теорию. 
В том же году независимо от него немецкий ученый К. Энглер выдвинул те же положения пероксидной теории. Согласно этой теории 
молекулы кислорода перед вступлением в реакцию должны активироваться. Они либо распадаются на отдельные атомы, обладающие 
высокой реакционной способностью, либо присоединяются к окисляемому веществу, образуя перекисные соединения — пероксиды. 
А.А. Бах и К. Энглер, считая второй случай более вероятным, подробно рассмотрели его в своих работах.

При замещении двух атомов водорода в перекиси водорода орга
ническими радикалами образуются органические перекиси, при замещении одного — гидроперекиси.

Органическим перекисям свойственно строение:
CH3–O–O–CH3 (перекись диметила);

CH3–CH2–O–O–H (гидроперекись этила).
Перекиси и гидроперекиси являются неустойчивыми соедине
ниями. Низшие члены ряда легко взрываются. Присоединение кислорода к непредельным соединениям происходит по двойной связи:

H2C=CH2 + O2

H2C–CH2

O–O

Перекиси олефинов были выделены и описаны Г. Штаудингером. 

Диэтиловый эфир может легко образовывать перекисные соединения даже при действии кислорода воздуха на свету. При его хранении часто происходят взрывы. При всех окислительных процессах, 
сопровождающихся появлением холодного пламени, Б.М. Нейману 
удалось выделить из реакционной смеси перекисные соединения.

Перекиси и гидроперекиси, образующиеся из различных классов 

органических соединений, в большинстве случаев легко разлагаются 
с вспышкой или взрывом. Энергия разрыва в связи –O–O– в пероксидах и гидропероксидах значительно ниже (125–167 кДж/моль), чем 
в молекуле кислорода (488,3 кДж/моль). При нагревании и механических воздействиях они легко распадаются с образованием радикалов. Образующиеся при распаде перекисей радикалы являются 
активными центрами реакции окисления. Начальная температура 
окисления (to) зависит от структуры молекул горючего вещества и его 
молярной массы (М). Чем больше М, тем меньше температура окисления. В гомологическом ряду предельных углеводородов наиболее 
устойчивым к окислению является метан (to > 400 °C), to октана равна 
250 °С. Окисление ароматических углеводородов происходит при 
более высоких температурах, чем предельных и непредельных. Вещества с низкой начальной температурой (to) представляют наибольшую пожарную опасность, так как они способны к окислению 
и самонагреванию уже при низких температурах. Накопление в веществах пероксидных соединений увеличивает потенциальную пожарную опасность веществ. Существовали и другие теории, объясняющие начальные стадии окисления углеводородов (Беркль, Гейзе 
и др.), предполагающие первоначальную гидрогенизацию топлива 
с образованием ненасыщенных соединений, которые затем окислялись кислородом в пероксиды.

Таким образом, пероксидная теория А.А. Баха и К. Энглера 

и другие близкие по своей сути к ней теории позволяют уяснить механизм окислительного действия кислорода на органические соединения в начальной стадии окисления. Однако эта теория не в со

стоянии объяснить некоторые особенности процесса окисления, 
например существование индукционного периода, предшествующего видимой реакции окисления, резкое действие следов примесей на скорость процесса и др. Эти особенности процесса окисления объяснены теорией цепных реакций.

Механизм химической реакции горения необходимо рассмат
ривать с позиций основных законов химической кинетики. Для кинетического описания процесса горения такого простого топлива, 
как водород (суммарная реакция 2H2 + O2 → 2H2O), требуется 
механизм, включающий около сорока элементарных реакций, метана — значительно больше. В случае самовоспламенения дизельного топлива (основной компонент цетан — C16H34) суммарный 
процесс включает несколько тысяч элементарных реакций.

Однако скорость процесса определяется лишь несколькими эле
ментарными реакциями, контролирующими его лимитирующие 
стадии (протекающие с наименьшей скоростью), т.е. многими элементарными реакциями можно пренебречь в зависимости от решаемой задачи. Существует несколько методов анализа, позволяющих 
определить реакции, которыми можно пренебречь. Анализ чувствительности определяет лимитирующие стадии реакций. Анализ путей 
реакции определяет характерные пути реакции. Анализ на собственные значения определяет масштабы характерных времен и направления химических реакций. Информация, получаемая при помощи этих методов, может быть использована для исключения менее 
важных стадий и построения упрощенной кинетической схемы реакции.

С этой точки зрения процессы горения — это радикально-цепные 

реакции. Впервые они были изучены М. Боденштейном в 1913 г. 
на примере взаимодействия водорода с хлором. Согласно закону 
Эйнштейна при фотохимических процессах каждая вступающая в реакцию молекула поглощает один квант лучистой энергии. Так как 
грамм-молекула вещества содержит 6,06 ⋅ 1023 молекул, то для того 
чтобы в реакцию вступили все молекулы, они должны по закону 
Эйнштейна поглотить 6,06 ⋅ 1023 квантов лучистой энергии. Однако 
при исследовании широкого ряда фотохимических реакций были 
установлены отклонения от этого закона как в сторону уменьшения 
числа прореагировавших молекул по сравнению с затраченными 
квантами лучистой энергии, так и в сторону значительного увеличения. Например, поглощение смесью водорода с хлором только 
одного кванта лучистой энергии при длине волны 4000–4360 Å
может вызвать реакцию не одной, а примерно 100000 молекул, при 

этом реакция протекает за доли секунды и происходит взрыв. Эта 
чисто фотохимическая реакция является типичной реакцией горения. Изучая механизм данного химического процесса, М. Боденштейн разработал новую теорию для таких быстропротекающих реакций. Согласно этой теории возбужденная молекула, вступая в химическую реакцию, дает новые возбужденные молекулы, которые, 
прореагировав, дают, в свою очередь, ряд новых возбужденных молекул и т.д. Такие реакции получили название цепных реакций.

Цепными называются реакции, протекающие через ряд промежу
точных стадий, в которых образуются соединения, обладающие избыточной энергией, необходимой для дальнейшего развития последующих 
быстропротекающих реакций. Эти частицы, обладающие избыточной 
энергией, называются радикалами. Активный радикал может представлять собой атом, молекулу или группу молекул. Иными словами, 
цепными называются такие реакции, при которых наблюдается регенерация активных частиц. Они могут быть разветвляющимися 
и неразветвляющимися. Примером неразветвляющейся цепной реакции является приведенная ниже реакция взаимодействия хлора 
с водородом. Неразветвляющаяся цепная реакция может самоускоряться только при повышенных температурах, а разветвленная — при 
постоянной температуре. В.Г. Нернст несколько иначе объяснил 
механизм этих реакций. Он считал, что активирование молекулы 
хлора квантом света вызывает ее распад на атомы. В зоне этой реакции действительно были обнаружены свободные атомы как водорода, так и хлора.

Cl
Cl
Cl
2 +
=
+
hv
i
i

Cl
H
HCl
H
i
i
+
→
+
2

H
Cl
HCl
Cl
i
i
+
→
+
2

Cl
H
HCl
H
i
i
+
→
+
2
 и т.д.

Кинетика цепных реакций получила дальнейшее развитие в ра
ботах зарубежных и советских ученых и имеет большое значение при 
объяснении горения и взрывов газовых смесей и взрывчатых веществ. В 1927 г. теория цепных реакций была широко развита и подтверждена многочисленными работами советских ученых школы 
академика Н.Н. Семенова, а также чуть позже в лаборатории Кембриджского университета школой С. Хиншельвуда.

Радикально-цепные реакции лежат в основе процессов горения. 

Общие закономерности таких реакций детально изучены. Схема наиболее важных реакций разветвленной цепной реакции, лежащей