En los materiales explosivos , la fuerza es el parámetro que determina la capacidad del explosivo para mover el material circundante. Está relacionado con el rendimiento total de gas de la reacción y la cantidad de calor producido. Cf. brisance .
La fuerza, o potencial , de un explosivo es el trabajo total que puede realizar el gas resultante de su explosión, cuando se expande adiabáticamente desde su volumen original, hasta que su presión se reduce a la presión atmosférica y su temperatura a 15 ° C. Por lo tanto, el potencial es la cantidad total de calor emitida a volumen constante cuando se expresa en unidades de trabajo equivalentes y es una medida de la fuerza del explosivo.
La fuerza explosiva se mide, por ejemplo, mediante la prueba de bloque de plomo Trauzl .
Una explosión puede ocurrir bajo dos condiciones generales: la primera, no confinada, como al aire libre donde la presión (atmosférica) es constante; el segundo, confinado, como en una cámara cerrada donde el volumen es constante. En cada caso se libera la misma cantidad de energía térmica, pero en la explosión no confinada, una cierta cantidad se utiliza como energía de trabajo para hacer retroceder el aire circundante y, por lo tanto, se pierde en forma de calor. En una explosión confinada, donde el volumen explosivo es pequeño (como ocurre en la cámara de pólvora de un arma de fuego), prácticamente todo el calor de explosión se conserva como energía útil. Si la cantidad de calor liberado a volumen constante en condiciones adiabáticas se calcula y se convierte de unidades de calor a unidades de trabajo equivalentes, se obtiene el potencial o la capacidad de trabajo.
Por tanto, si
- Q mp representa la cantidad total de calor desprendida por un mol de explosivo de 15 ° C y presión constante (atmosférica);
- Q mv representa el calor total desprendido por un mol de explosivo a 15 ° C y volumen constante; y
- W representa la energía de trabajo gastada en hacer retroceder el aire circundante en una explosión no confinada y, por lo tanto, no está disponible como calor teórico neto;
Entonces, debido a la conversión de energía para trabajar en el caso de presión constante,
- Q mv = Q mp + W
a partir del cual se puede determinar el valor de Q mv . Posteriormente, se puede calcular el potencial de un mol de explosivo. Usando este valor, el potencial de cualquier otro peso de explosivo puede determinarse por simple proporción.
Usando el principio del estado inicial y final, y la tabla de calor de formación (resultante de datos experimentales), el calor liberado a presión constante se puede calcular fácilmente.
- m n
- Q mp = v i Q fi - v k Q fk
- 1 1
dónde:
- Q fi = calor de formación del producto i a presión constante
- Q fk = calor de formación del reactivo k a presión constante
- v = número de moles de cada producto / reactivos ( m es el número de productos yn el número de reactivos)
La energía de trabajo gastada por los productos gaseosos de la detonación se expresa mediante:
- W = P dv
Con presión constante y volumen inicial insignificante, esta expresión se reduce a:
- W = P · V 2
Dado que los calores de formación se calculan para la presión atmosférica estándar (101325 Pa, donde 1 Pa = 1 N / m 2 ) y 15 ° C, V 2 es el volumen ocupado por los gases producto en estas condiciones. En este punto
- W / mol = (101 325 N / m 2 ) (23,63 l / mol) (1 m 3 /1000 l) = 2394 N · m / mol = 2,394 J / mol
y aplicando los factores de conversión apropiados, el trabajo se puede convertir a unidades de kilocalorías.
- W / mol = 0,572 kcal / mol
Una vez equilibrada la reacción química, se puede calcular el volumen de gas producido y el trabajo de expansión. Con esto completado, se pueden realizar los cálculos necesarios para determinar el potencial.
Para TNT:
- C 6 H 2 (NO 2 ) 3 CH 3 → 6CO + 2.5H 2 + 1.5N 2 + C
por 10 mol
Luego:
- Q pf = 6 (26,43) - 16,5 = 142,08 kcal / mol
Nota: Los elementos en su estado natural (H 2 , O 2 , N 2 , C, etc.) se utilizan como base para las tablas de calor de formación y se les asigna un valor de cero. Ver tabla 12-2.
- Q mv = 142.08 + 0.572 (10) = 147.8 kcal / mol
Como se dijo anteriormente, Q mv convertido a unidades de trabajo equivalentes es el potencial del explosivo. (MW = peso molecular del explosivo)
- Potencial = Q mv kcal / mol × 4185 J / kcal × 10 3 g / kg × 1 mol / (mol · g)
- Potencial = Q mv (4,185 × 10 6 ) J / (mol · kg)
Para TNT ,
- Potencial = 147,8 (4,185 × 10 6 ) /227,1 = 2,72 × 10 6 J / kg
En lugar de tabular números tan grandes, en el campo de los explosivos, el TNT se toma como el explosivo estándar, y a otros se les asignan puntos fuertes en relación con los de TNT. El potencial de TNT se ha calculado anteriormente en 2,72 × 10 6 J / kg. La fuerza relativa (RS) puede expresarse como
- RS = Potencial explosivo / (2,72 × 10 6 )